乙烯裝置火炬系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析探討

熊秋思

（中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

近年來，保障裝置的安全生產(chǎn)已成為工藝設(shè)計(jì)工作中最重要的一部分，火炬系統(tǒng)作為乙烯裝置重要的安全設(shè)施，用于在試車、開停車、操作波動(dòng)或發(fā)生緊急事故時(shí)收集裝置內(nèi)各系統(tǒng)排放的可燃物料，以保護(hù)設(shè)備及人身的安全、保證裝置平穩(wěn)運(yùn)行，因此該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。乙烯裝置的火炬系統(tǒng)管網(wǎng)龐大、工況復(fù)雜、影響因素較多，需要對(duì)其進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)，以同時(shí)滿足裝置安全和項(xiàng)目投資的要求。本文以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，對(duì)乙烯裝置火炬系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討。

1 乙烯裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 火炬系統(tǒng)工藝流程

乙烯裝置通常設(shè)有2 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的排放系統(tǒng)：干（或冷）火炬系統(tǒng)和濕（或熱）火炬系統(tǒng)，其中，干火炬系統(tǒng)主要收集泄放溫度低于4 ℃的物料，濕火炬系統(tǒng)主要收集泄放溫度高于4 ℃和含水的物料[1]。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，火炬系統(tǒng)的主要流程見圖1。自上述兩個(gè)排放系統(tǒng)的物料分別送入干火炬罐和濕火炬罐進(jìn)行氣液分離，干火炬罐內(nèi)液體經(jīng)干火炬汽化器汽化，罐頂氣相進(jìn)入干火炬過熱器中被低壓蒸汽過熱后，與自濕火炬罐分離的濕火炬氣混合，經(jīng)裝置火炬總管送至界區(qū)外的火炬管網(wǎng)。濕火炬罐內(nèi)部配有低壓蒸汽伴熱盤管，用于汽化罐內(nèi)的部分烴類，未被汽化的重?zé)N及含油污水可通過罐底泵排放至界區(qū)外的污水罐或乙烯裝置內(nèi)的急冷水塔。

圖1 裝置火炬系統(tǒng)流程Fig.1 Process flow diagram of flare system

1.2 火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

新建乙烯裝置火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟主要分為以下4 部分：

（1）火炬負(fù)荷分析

分析乙烯裝置的各個(gè)泄放工況，確定干火炬系統(tǒng)和濕火炬系統(tǒng)的最大負(fù)荷；

（2）管網(wǎng)初步計(jì)算

確定火炬系統(tǒng)界區(qū)點(diǎn)處的最大背壓，利用軟件搭建初步模型，按大工況泄放量計(jì)算火炬總管及管廊大口徑干管的尺寸；

（3）工藝設(shè)備設(shè)計(jì)

計(jì)算火炬系統(tǒng)相關(guān)容器、換熱器的尺寸及參數(shù)；

（4）管網(wǎng)最終核算

根據(jù)裝置每個(gè)泄放點(diǎn)的工藝數(shù)據(jù)完善管網(wǎng)模型并優(yōu)化管徑，同時(shí)按安全閥廠家最終資料核算尾管的尺寸。

2 火炬負(fù)荷分析

乙烯裝置的火炬負(fù)荷需分析多種事故工況，如：冷卻水中斷、電力故障、壓縮機(jī)故障跳車（包括裂解氣壓縮機(jī)、丙烯制冷壓縮機(jī)和乙烯制冷壓縮機(jī)）、急冷水故障等，通常將不同工況下排放至干、濕火炬系統(tǒng)的排放量進(jìn)行疊加，得到各個(gè)工況下的排放總量。如果不考慮任何的減排措施，乙烯裝置的火炬總負(fù)荷往往較大，裝置內(nèi)火炬管線和設(shè)備的尺寸將非常巨大，導(dǎo)致占地面積、裝置投資大幅度增加。因此，乙烯裝置常設(shè)有火炬減排的安全聯(lián)鎖措施，這樣可以顯著降低火炬系統(tǒng)的總負(fù)荷[2]。

然而，如果完全按照減排聯(lián)鎖分析結(jié)果進(jìn)行火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)，一旦減排聯(lián)鎖出現(xiàn)故障，火炬管網(wǎng)的設(shè)計(jì)泄放量無法滿足實(shí)際要求，將造成安全事故。因此綜合考慮，乙烯裝置火炬系統(tǒng)某一工況下的總負(fù)荷可采取以下的設(shè)計(jì)原則：最大泄放源在減排聯(lián)鎖措施失效時(shí)的排放量，與其余各泄放源在減排措施下的排放量之和作為該工況下的火炬總負(fù)荷。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置的火炬系統(tǒng)為例，按上述火炬負(fù)荷分析原則，對(duì)停水、停電、丙烯機(jī)故障和急冷水故障四種工況進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。該裝置火炬總負(fù)荷與濕火炬負(fù)荷最大值均發(fā)生在停水工況，分別為1 413.8 t / h 和1 270.8 t / h，干火炬系統(tǒng)的最大負(fù)荷為丙烯機(jī)故障工況下的624.9 t / h。

表1 裝置火炬負(fù)荷Tab.1 Flare load summary

3 管網(wǎng)初步計(jì)算

3.1 界區(qū)點(diǎn)處的背壓選取

界區(qū)點(diǎn)處的火炬背壓決定了火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)中2個(gè)重要參數(shù)：馬赫數(shù)和安全閥背壓。界區(qū)點(diǎn)處的火炬背壓取值越低，管道內(nèi)泄放介質(zhì)的馬赫數(shù)越大，所需火炬總管的管徑越大，導(dǎo)致投資的增加；界區(qū)點(diǎn)處的火炬背壓取值越高，安全閥背壓越高，安全閥的選型越苛刻。

通常情況下，乙烯裝置的火炬氣將在界區(qū)外與其他裝置的火炬氣匯合送至全廠的火炬頭燃燒。由于全廠的火炬頭壓力一定，因此乙烯裝置火炬系統(tǒng)界區(qū)點(diǎn)處的背壓取決于界區(qū)外火炬管道的壓降。裝置在停水、停電等大工況下的泄放量較大，而在設(shè)備火災(zāi)、出口閥關(guān)閉等單點(diǎn)排放工況下的泄放量通常較小，導(dǎo)致不同工況泄放時(shí)在界區(qū)外火炬管道中的流動(dòng)阻力降相差較大。因此，采用同一個(gè)界區(qū)點(diǎn)背壓來計(jì)算不同工況下的火炬管網(wǎng)，顯然是不合適的。建議可根據(jù)裝置內(nèi)的火炬氣排量的量級(jí)，采用幾個(gè)不同的界區(qū)點(diǎn)背壓值作為各工況下火炬系統(tǒng)的計(jì)算基礎(chǔ)。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，根據(jù)大工況和單點(diǎn)排放工況下各自的最大排放量，估算裝置界區(qū)外火炬管線的壓降，并結(jié)合全廠火炬設(shè)施邊界壓力要求，分別采用0.15 MPa 和0.065 MPa 兩個(gè)界區(qū)點(diǎn)背壓進(jìn)行裝置內(nèi)火炬管網(wǎng)的計(jì)算。

3.2 搭建初步模型

乙烯裝置火炬管網(wǎng)較為龐大復(fù)雜，其設(shè)計(jì)工作常通過專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件來完成，如Aspen Flare System Analyzer（原Aspen FLARENET）。此類專業(yè)軟件不僅可用于火炬管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與核算，還可用于安全閥的預(yù)選型。該軟件采用逆向求解，根據(jù)各泄放源的排放條件，從火炬頭開始反算到泄放源。

由于乙烯裝置火炬氣總管及干管的管徑較大，其管線的路由對(duì)配管專業(yè)的設(shè)計(jì)工作具有重大影響。因此在設(shè)計(jì)初期，為了同時(shí)滿足項(xiàng)目施工進(jìn)度要求和保證管網(wǎng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，宜首先根據(jù)設(shè)備布置圖規(guī)劃出火炬氣管線路由，然后按火炬分析負(fù)荷表搭建大工況模型，計(jì)算出可滿足所有工況火炬負(fù)荷的火炬總管、干火炬總管和濕火炬總管尺寸。

某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置通過Aspen Flare System Analyzer 軟件搭建的大工況泄放模型見圖2。

圖2 裝置火炬管網(wǎng)大工況泄放模型Fig.2 Flare relief network model for large common cause failures

3.3 計(jì)算總管管徑

使用Aspen Flare System Analyzer 軟件搭建模型后，可根據(jù)大工況火炬負(fù)荷計(jì)算火炬系統(tǒng)各總管及部分管廊支管的管徑。在模型中輸入各泄放源泄放介質(zhì)的分子量、泄放溫度和實(shí)際泄放量后，建議先根據(jù)安全閥的定壓與火炬界區(qū)點(diǎn)壓力初選安全閥型式并輸入安全閥的定壓、超壓百分?jǐn)?shù)和閥后允許背壓，選擇額定排量大于實(shí)際泄放量的安全閥口徑作為安全閥的預(yù)選型結(jié)果。

為提高設(shè)計(jì)效率，建議根據(jù)設(shè)備布置圖及工程經(jīng)驗(yàn)輸入預(yù)設(shè)的管道長(zhǎng)度和管件數(shù)等，通過軟件的管網(wǎng)核算功能對(duì)預(yù)估的總管尺寸進(jìn)行試算。

火炬管道的管徑受流速和最大允許背壓的限制，火炬總管的管徑通常由最大允許背壓決定，安全閥出口尺寸大多受馬赫數(shù)的限制?；鹁嫦到y(tǒng)管道的馬赫數(shù)要求一般為：火炬總管及各管廊干管的馬赫數(shù)不超過0.5，安全閥尾管的馬赫數(shù)不超過0.7[3]。若軟件核算結(jié)果顯示管道馬赫數(shù)超過規(guī)定值，則需調(diào)整該段管道的管徑；若核算結(jié)果顯示安全閥計(jì)算背壓超過設(shè)定的閥后允許背壓，則需在確認(rèn)管網(wǎng)各管徑較為合適后調(diào)整安全閥的選型。此外，考慮到安全閥泄放的瞬時(shí)排量有可能很大，建議使用額定排量計(jì)算泄放安全閥的尾管尺寸。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，表1 中急冷水塔和丙烯制冷壓縮機(jī)火炬氣排量較大，其所在分區(qū)管廊干管的管徑可在此階段基本確定，其余分區(qū)泄放源的火炬氣排量相對(duì)較小，其所在管廊干管的管徑需待單點(diǎn)泄放工況的排量確定后再進(jìn)行完善。由以上步驟計(jì)算的火炬總管及部分管廊干管結(jié)果見表2。

表2 裝置火炬管網(wǎng)大工況計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results for large common cause failures

4 工藝設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1 火炬分液罐

火炬氣在送出界區(qū)之前需在火炬分液罐內(nèi)分離掉夾帶的直徑較大的液滴。

乙烯裝置內(nèi)的濕火炬罐和干火炬罐一般為臥式罐，這是因?yàn)樵趦?chǔ)存大量液體且氣體流速較高時(shí)，臥式罐往往更為經(jīng)濟(jì)。一般而言，通常采用標(biāo)準(zhǔn)API 521—2014 或SH 3009—2013 中的方法來計(jì)算上述設(shè)備的尺寸。

例如，某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置采用標(biāo)準(zhǔn)SH 3009—2013 中臥式分液罐的計(jì)算方法[3]：通過假定罐的直徑Dk并根據(jù)式（1）進(jìn)行試算，當(dāng)試算結(jié)果Dsk≤Dk時(shí)，Dk即為臥式分液罐的最終直徑，所得直徑需按照式（2）進(jìn)行核算，同時(shí)罐內(nèi)最高液面之上氣體流動(dòng)的截面積應(yīng)大于或等于入口管道橫截面積的3 倍。采用上述計(jì)算及核算方法，該裝置干火炬罐和濕火炬罐的計(jì)算參數(shù)及最終設(shè)備尺寸見表3。

表3 裝置火炬分液罐計(jì)算參數(shù)及最終設(shè)備尺寸Tab.3 Flare knock-out drum sizing parameters and final equipment dimensions

式中Dsk——試算罐直徑，m；

a——罐內(nèi)液面高度與罐直徑比；

qv——入口氣體流量，Nm3/h；

b——罐內(nèi)液體截面積與罐總面積比值；

p——操作條件下的氣體壓力（絕壓），kPa；

φ——系數(shù)，宜取2.5～3.0；

Uc——液滴沉降速度，m/s。

式中q——操作狀態(tài)下入口氣體體積流量，m3/s；

Vc——臥式分液罐內(nèi)氣體水平流動(dòng)的臨界速度，m/s；

ql——分液罐內(nèi)儲(chǔ)存的凝結(jié)液量，m3。

4.2 干火炬汽化器

乙烯裝置內(nèi)的干火炬汽化器通常采用低壓蒸汽直接加熱汽化干火炬罐內(nèi)液體，或利用甲醇作為中間介質(zhì)采用低壓蒸汽間接加熱汽化的方法。由于干火炬罐僅在事故工況、停車倒料或液相排污等情況時(shí)才會(huì)存在液相物料，干火炬汽化器的設(shè)計(jì)能力一般需滿足汽化干火炬系統(tǒng)的最大液相負(fù)荷，并需考慮一定的設(shè)計(jì)裕量。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，其干火炬汽化器利用甲醇作為中間介質(zhì)、采用低壓蒸汽間接加熱汽化法。該汽化器的設(shè)計(jì)能力可將50 t/h、-103.5 ℃的液相乙烯完全汽化。

4.3 干火炬過熱器

干火炬過熱器通常采用低壓蒸汽直接將干火炬氣過熱至4 ℃以上，其作用是避免自濕火炬系統(tǒng)的含水較多的物料與低溫干火炬氣混合后，因溫度降低發(fā)生凍結(jié)或形成水合物而堵塞火炬總管，同時(shí)保證干、濕火炬氣混合后的溫度在普通碳鋼的適用范圍內(nèi)，以節(jié)省火炬總管管材的投資[4]。管道材質(zhì)的選取主要取決于火炬氣可能達(dá)到的最低溫度。因此，干火炬過熱器的設(shè)計(jì)需滿足干火炬系統(tǒng)最大負(fù)荷下的過熱要求并需適當(dāng)考慮裕量，確保過熱器出口溫度以保證下游管道和系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，其干火炬過熱器采用倒釜式管殼換熱器，利用低壓蒸汽將干火炬氣過熱。該過熱器的設(shè)計(jì)能力可滿足在干火炬系統(tǒng)的最大負(fù)荷下，將干火炬氣過熱至5 ℃。

5 管網(wǎng)最終核算

5.1 搭建最終模型及管網(wǎng)優(yōu)化

待乙烯裝置內(nèi)各泄放源單點(diǎn)泄放工況下的排量確定后，需要對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行完善。在管網(wǎng)進(jìn)行最終核算時(shí)，模型中所有泄放源的位置和管道長(zhǎng)度等均要與裝置的實(shí)際配管布置一致。根據(jù)全裝置各泄放源單點(diǎn)泄放工況的排量，在滿足安全閥背壓和馬赫數(shù)要求的前提下，確定并優(yōu)化各分區(qū)管廊的干管尺寸以降低投資。

以某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置為例，根據(jù)實(shí)際配管布置所更新的火炬管網(wǎng)最終模型見圖3。對(duì)全裝置所有泄放源的單點(diǎn)泄放工況進(jìn)行計(jì)算后，確定得出全裝置干、濕火炬管網(wǎng)各分區(qū)管廊干管的管徑，并對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)一步優(yōu)化。例如，在裂解氣壓縮機(jī)出口閥關(guān)閉工況下，壓縮區(qū)濕火炬氣干管的管徑需為42"，但由于壓縮區(qū)其余泄放源單點(diǎn)泄放排量均較小，因此位于裂解氣壓縮機(jī)泄放源上游的濕火炬氣干管管徑可由42"縮小為20"。該裝置優(yōu)化后的火炬管網(wǎng)路由見圖4。

圖3 裝置火炬管網(wǎng)最終模型Fig.3 Final flare relief network model

圖4 裝置火炬管網(wǎng)路由及管網(wǎng)最終尺寸Fig.4 Piping routes and final pipe diameters of flare relief network

5.2 核算尾管尺寸

由于制造廠最終訂貨的安全閥實(shí)際額定排放量與軟件計(jì)算值存在一定偏差，因此需要根據(jù)廠家最終的安全閥資料，核算模型中尾管尺寸與安全閥后背壓的計(jì)算結(jié)果是否合適，并確保尾管管徑不小于安全閥出口直徑[5]。

某百萬噸級(jí)新建乙烯裝置部分安全閥廠家返回資料與Aspen Flare System Analyzer 軟件的選型結(jié)果對(duì)比見表4。通過比較可發(fā)現(xiàn)，雖然兩者的安全閥型號(hào)不完全一致，但額定排量差別較小。經(jīng)管網(wǎng)核算后，該裝置的安全閥尾管尺寸無需再進(jìn)行調(diào)整。

表4 裝置安全閥軟件選型結(jié)果與廠家資料對(duì)比Tab.4 Comparisons of pressure relief valve selections between software and vendor

6 結(jié)束語

目前單套乙烯裝置的最大設(shè)計(jì)規(guī)模已達(dá)到1 500 KTA，隨著裝置規(guī)模的增大，其火炬系統(tǒng)管網(wǎng)的泄放量、排放工況的復(fù)雜程度也隨之增加。火炬系統(tǒng)是裝置的最后一道安全防線，必須要給予足夠的重視。在大型乙烯裝置的火炬管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有必要采取合理的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化措施，以達(dá)到既安全可靠、又不過度設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在現(xiàn)階段，火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大都基于穩(wěn)態(tài)計(jì)算，通過負(fù)荷分析、穩(wěn)態(tài)模型和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行逐步優(yōu)化，是可以滿足裝置安全運(yùn)行需求的。但是，穩(wěn)態(tài)分析難以準(zhǔn)確模擬裝置實(shí)際泄放過程中的動(dòng)態(tài)變化，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致某些區(qū)域的設(shè)計(jì)余量較大。因此，尋找可靠的動(dòng)態(tài)模擬分析方法，在不同工況下獲得更加準(zhǔn)確的泄放數(shù)據(jù)，并以此進(jìn)行火炬負(fù)荷分析和工藝計(jì)算，將是未來大型乙烯裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向。