石化項(xiàng)目可燃性氣體排放管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置和設(shè)計(jì)

郭 峰

（眾一伍德工程有限公司，上海 200235）

可燃性氣體排放系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)中重要的安全環(huán)保設(shè)施，主要用于處理工藝裝置在開停工和事故狀態(tài)下排放的大量可燃?xì)怏w。隨著裝置規(guī)模大型化、復(fù)雜化，以及臨氫裝置能力的增加，緊急情況下進(jìn)入可燃性氣體排放系統(tǒng)的燃料氣大幅提高。為了保證全廠各裝置的安全正常運(yùn)行，合理正確的設(shè)置和設(shè)計(jì)全廠可燃性氣體排放管網(wǎng)系統(tǒng)，已成為石油化工工程項(xiàng)目中尤為重要的全廠性設(shè)計(jì)工作。

1 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程

1）根據(jù)不同排放工況，收集全廠各排放點(diǎn)設(shè)計(jì)排放條件。

2）根據(jù)各裝置劃分的排放系統(tǒng)、排放壓力、組分及回收情況等因素，綜合考慮設(shè)置劃分全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)。

3）根據(jù)排放系統(tǒng)設(shè)置情況及各排放點(diǎn)工藝條件，按照《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2013）中多套工藝裝置可燃性氣體排放量疊加原則，確定各管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)排放量和其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

4）完成初步的全廠可燃性氣體排放管網(wǎng)系統(tǒng)圖，并提供管道專業(yè)進(jìn)行管網(wǎng)布置規(guī)劃。

5）根據(jù)管道和材料專業(yè)提供的全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)規(guī)劃圖和材料等級規(guī)定，確定各排放管網(wǎng)系統(tǒng)的管道設(shè)置參數(shù)（如管道長度、材質(zhì)、管件種類及數(shù)量等）。

6）結(jié)合以上收集數(shù)據(jù)，應(yīng)用Aspen Flare System Analyzer軟件計(jì)算各系統(tǒng)管網(wǎng)尺寸，以及不同工況下的管網(wǎng)壓降、馬赫數(shù)和排放點(diǎn)處的背壓等參數(shù)，并不斷優(yōu)化最終確定各系統(tǒng)管網(wǎng)尺寸。

2 排放條件收集

合理正確的設(shè)置和設(shè)計(jì)全廠可燃性氣體排放管網(wǎng)的前提是收集到各排放點(diǎn)必要準(zhǔn)確的工藝排放數(shù)據(jù)。大型石化項(xiàng)目裝置多，各裝置往往是由不同的工程公司或設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)，因此排放條件的數(shù)據(jù)和形式不同，這就需要進(jìn)行全廠系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的工程公司或設(shè)計(jì)院對各裝置的輸出條件進(jìn)行統(tǒng)一。由于各裝置各類工況一般不會同時發(fā)生，且各工況排放氣數(shù)據(jù)不同，因此全廠可燃性氣體排放條件也應(yīng)分工況進(jìn)行收集匯總。

3 排放系統(tǒng)設(shè)置

全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)主要依據(jù)《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2013）的原則和要求進(jìn)行設(shè)置和劃分，根據(jù)不同事故工況的排放特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和裝置排放安全分析，最終確定設(shè)置幾個可燃性氣體排放系統(tǒng)。

大型石化企業(yè)的裝置數(shù)量較多，且裝置處理能力大，各裝置的排放壓力差別也較大，可按照裝置的允許排放背壓分別設(shè)置高壓和低壓系統(tǒng)。高壓火炬總管其背壓較高，允許火炬氣沿程有較大的壓降，可以有效縮小火炬總管管徑，節(jié)省材料，減少投資；低壓火炬總管背壓較低，允許火炬氣沿程壓力降小，便于安全閥選型[1]。還有一些裝置或單元，排放氣為酸性氣、低溫氣體、會發(fā)生反應(yīng)或聚合的氣體等，此類排放氣應(yīng)單獨(dú)設(shè)立排放系統(tǒng)。

4 設(shè)計(jì)排放量確定方法

按照《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2013），設(shè)計(jì)排放量疊加的兩個前提是不考慮同時發(fā)生兩種事故，不考慮所有裝置均同時最大量排放。在此基礎(chǔ)上，按照每個排放系統(tǒng)在同一事故工況中，影響系統(tǒng)尺寸最大的裝置排放量的100% 與其余裝置排放量的30%之和（體積流量）與該系統(tǒng)中兩個不同裝置最大單點(diǎn)排放的總量對比，取最大值作為該系統(tǒng)該工況下的最大排放量。然后按上述方法，對不同的事故排放量分別疊加，取其中總排放量（體積流量）的最大值為該排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)排放量[2]。

如果最大排放量裝置排放氣體的分子量較?。ㄈ绾写罅康臍錃猓瑒t必須比較第二個最大量或第三個最大量與其余30%疊加后對系統(tǒng)尺寸的影響，以影響最大者作為100%部分的取值。

5 排放管網(wǎng)尺寸計(jì)算

全廠可燃性氣體排放管網(wǎng)通常為匯合式，排放管網(wǎng)總管的管徑應(yīng)保證在設(shè)計(jì)排量下，管道的阻力降能滿足安全閥或泄放閥的最大允許背壓。排放管網(wǎng)尺寸的確定一般從火炬頭開始，反算全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)裝置邊界處的各節(jié)點(diǎn)的排放背壓，保證各節(jié)點(diǎn)的背壓應(yīng)低于該點(diǎn)的最大允許背壓。

全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)氣流特點(diǎn)在于其密度和速度變化較快，應(yīng)作為可壓縮流體處理。排放系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際流動狀態(tài)一般介于等溫和絕熱狀態(tài)之間，為簡化計(jì)算的復(fù)雜程度，一般采用較為保守的等溫方程計(jì)算管網(wǎng)的流動阻力：

其中摩擦系數(shù)f采用莫迪（Moody）公式：

管道出口馬赫數(shù)Ma 計(jì)算公式：

但一些特殊情況（如深冷工況），絕熱流動方程可能更適用[3]，對于氣液兩相流可以采用Beggs and Brill 壓降計(jì)算方法。

可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)直徑主要取決于可燃?xì)怏w最大排放量和系統(tǒng)出口允許流速。在背壓允許的范圍內(nèi)，火炬氣排放管線中介質(zhì)應(yīng)保持較高的流速，使之經(jīng)濟(jì)合理，馬赫數(shù)是用來衡量火炬管線流速高低的重要參數(shù)。排放系統(tǒng)管網(wǎng)總管的馬赫數(shù)一般要求小于0.5，支管可比總管略高，但不超過0.7?？赡艹霈F(xiàn)凝結(jié)液的可燃性氣體排放管道末端的馬赫數(shù)不宜大于0.5。

6 項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)例

國內(nèi)某大型石化項(xiàng)目裝置主項(xiàng)見表1。

表1 項(xiàng)目主項(xiàng)表

根據(jù)各裝置院提供的可燃性氣體排放條件，分析不同工況下排放介質(zhì)組成、溫度和允許背壓等情況，經(jīng)安全和經(jīng)濟(jì)對比后可將全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)置劃分為烯烴高壓、化工高壓、低壓以及低溫四個排放系統(tǒng)?，F(xiàn)以烯烴高壓火炬系統(tǒng)為例，闡述可燃性排放系統(tǒng)工藝計(jì)算過程。

6.1 收集排放條件，確定排放量疊加方案和設(shè)計(jì)值

各裝置分工況排放條件由裝置院提供，經(jīng)整理匯總后見表2。

由于各裝置院提供的均為質(zhì)量排放量，先將質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為體積流量，再確定工況疊加值和系統(tǒng)設(shè)計(jì)值。各工況疊加值及系統(tǒng)設(shè)計(jì)值見表3。

該系統(tǒng)各工況體積流量疊加均為兩個最大單點(diǎn)排放的總量大于最大的裝置排放量的100% 與其余裝置排放量的30%之和，因此各工況值均為兩個最大排放裝置流量之和。其中全廠停電工況下的排放量最大，故該排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)排放量為全廠停電時的工況值1055392m3/h。

6.2 管網(wǎng)模型建立及計(jì)算

根據(jù)各裝置在全廠總圖布局情況，初步確定可燃性氣體排放管網(wǎng)的走向和管路連接方式，繪制初步的可燃性氣體排放管網(wǎng)系統(tǒng)圖，采用Aspen Flare System Analyzer 建立管網(wǎng)模型：

（1）從組分?jǐn)?shù)據(jù)庫中選擇排放系統(tǒng)包含的組分。

（2）定義模型環(huán)境條件。

①大氣壓100.76kPa，環(huán)境溫度21.3℃；外部介質(zhì)流速5.5m/s；

②管道粗糙度：碳鋼為0.2mm；不銹鋼為0.1mm；

（3）模型約束與限制條件：

①總管最大馬赫數(shù)：0.5mach；支管最大馬赫數(shù)：0.7mach；噪音：100dB；

（4）確定模型計(jì)算方法。

①VLE 方法：Compressible Gas；焓值方法：Ideal Gas；

②壓降方法：Ideal Gas；摩擦因子方程：Chen。

（5）繪制管網(wǎng)系統(tǒng)圖

設(shè)定好各種環(huán)境參數(shù)和約束條件后，在Aspen Flare System Analyzer 中建立排放管網(wǎng)系統(tǒng)圖，詳見圖1。

圖1 烯烴高壓火炬系統(tǒng)流程圖（設(shè)計(jì)工況）

（6）工藝及管道參數(shù)輸入

將排放設(shè)計(jì)條件按確定的疊加方案分工況輸入到模型數(shù)據(jù)中，管道的長度和大小頭、彎頭等管件數(shù)量由管道專業(yè)提供，管道尺寸在計(jì)算之前可以不給出，由軟件根據(jù)各工況下泄放量計(jì)算得出；也可以根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先給定一個初值，再由軟件進(jìn)行核算確定。

（7）管網(wǎng)模型計(jì)算

Aspen Flare System Analyzer 提供了三種計(jì)算模式：設(shè)計(jì)模式（Design）、核算模式（Rating）和脫瓶頸模式（Debottleneck）。新建項(xiàng)目中可以先采用設(shè)計(jì)模式計(jì)算管網(wǎng)中各管道尺寸，然后再用脫瓶頸模式重新計(jì)算，解決其中的背壓、馬赫數(shù)、噪聲等查過約束條件的問題。

6.3 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)脫瓶頸計(jì)算后，各工況下各泄放點(diǎn)背壓，各管段壓降和馬赫數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。各管段尺寸計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 可燃性氣體排放管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)束語

通過對可燃性氣體排放管網(wǎng)設(shè)置和設(shè)計(jì)一般過程的分析和總結(jié)，對設(shè)計(jì)過程中各部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并總結(jié)了國內(nèi)規(guī)范的應(yīng)用問題。最后通過項(xiàng)目實(shí)例，對可燃性氣體排放管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算全過程進(jìn)行了描述，由項(xiàng)目實(shí)例可以得出排放管網(wǎng)合理設(shè)置劃分、各工況排放量的正確疊加計(jì)算以及設(shè)置合適的約束條件和選擇適合的計(jì)算方法是成功設(shè)計(jì)全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)的關(guān)鍵。