LNG扩建工程火炬系统改造设计与优化

鹿晓斌，张 芹，王江涛

（1.中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101；2.山东鸿运工程设计有限公司，山东 济南 250101）

火炬系统[1]是LNG项目（接收站或液化厂）的重要组成部分，是安全阀起跳（事故工况）之前的最后一道超压保护屏障。如果火炬系统设计能力不足，管网设计不可靠，在关键时刻安全阀无法正常起跳，形成重大安全隐患。火炬系统[2]主要由火炬管网、火炬筒体、火炬头、火炬分液罐组成，其中火炬管网和火炬头为整个火炬系统中最重要的部分，受处理能力影响较大，改造难度大。在扩建工程中，新增火炬烟筒数量或者重新改建火炬可以实现新增处理量的目标，但是施工难度和设计成本将成倍增加。从绿色设计理念出发，在安全环保的基础上，通过计算核算，工艺优化，完成对原火炬系统的优化和设计，在尽量节省投资的基础上完成扩建工程设计，这在设计上是一大难点[3]。

1 扩建工程火炬系统设计流程

由于火炬管网系统直接关系到所有接入该系统的安全阀顺利开启和储罐的压力保护，同时火炬头和火炬筒在增加处理量后，其热辐射范围和噪音范围都发生较大的改变，对设备布置和人员操作防护需重新复核，所以对于接收站扩建工程，火炬系统的最佳设计方案是尽量减少对原有火炬系统的改造。然而，随着火炬处理量的提高，火炬分液罐、火炬管网和火炬头等关键设备都需要进行重新核算和调整，通过采用Aspen HYSYS[4]、Aspen Flare System Analyzer和Flaresim等专业分析软件，从动态整体上计算火炬泄放工况和火炬系统的运行，主要设计思路如图1所示（见下页）。

首先需要重新确定泄放源，分析各泄放源发生的组合工况，确定BOG排放系统的最大泄放量；根据该最大泄放量校核火炬能力，如果不能满足，可以通过工艺设计改造降低泄放量或者增加火炬数量实现增量处理；待确定火炬泄放量后，对火炬系统噪音范围、热辐射范围和无烟操作等重新校核；结合三维模型和工艺流程图对火炬管网进行反复迭代及校核计算，并核算泄放源动背压情况[5]和管道马赫数，最终确定最优管网布置[6]。

现以国内某接收站扩建工程为例，按照上述设计流程对整个火炬系统做改造计算。该工程主要包括新增两座16万m3的LNG储罐及其相关配套设施，火炬为高架火炬，平台高度是13.5m，火炬高度是30.5m，位于海平面上，周围无遮挡物，原设计能力是80t/h。

2 新增泄放源及其参数

新增储罐及其相关设施以后，增加多处泄放源，其中主要包括2个16万m3的LNG储罐和新增的压力安全阀（PSV）及热膨胀泄放阀（TSV）。

为方便提高计算精度，安全阀泄放量可采用ASPEN HYSYS V8.6软件进行模拟计算，计算和选型方法采用API520和API521要求[7,8]。先通过静态模拟对安全阀进行初步选型，然后再利用动态模拟核算安全阀的选型规格。

图1 扩建工程火炬管网设计流程图

3 火炬能力计算和工况分析

目前LNG接收站中，引起BOG大量生成的主要原因包括大气压变化、破真空补气阀故障、BOG压缩机故障、卸船过程以及全厂停电事故等以及组合发生工况。根据多年LNG接收站运行经验分析，引起BOG量增大有表1中的几种工况组合。

通过表1的对比分析，火炬能力的确定应选用工况5（最大大气压变化和高压补气阀故障同时发生）[9]，扩建后火炬处理能力应不低于110.6t/h，而项目原火炬设计能力仅为80t/h，很明显火炬能力设计不够。由于火炬排量增加而导致火炬头处理能力不够，则需要拆除原有火炬重建或者增加火炬数量，这要求对栈桥下方支撑结构的负荷强度重新核算和施工。施工难度大，工程耗时长，投资费用高，且对现有设施生产会造成影响。因此，为了降低施工难度和工程造价，尽量减少对原火炬系统的改造，为此，对影响火炬处理能力的因素进行分析，从根源上降低最大排放量。

表1 火炬能力计算工况分析

最大大气压变化和破真空补气阀决定了火炬的处理能力，其中最大大气压变化引起的泄放量与LNG储罐的容积和数量、大气压变化速率有关，这些条件无法改变。另一项可变的是补气阀故障引起的泄放量变化，该泄放量与补气阀的流量有关，为降低火炬排放量，可将原1台补气阀更换为3台较小流量的，单台能力下降1/3，再考虑只有1台阀门出现故障的情况。经过此方法，最终扩建后火炬排放量降低至90t/h。

4 火炬能力复核

利用项目已有火炬头数目、火炬烟筒高度和直径、火炬平台高度等数据，使用火炬专业分析软件——Flaresim核算火炬排量为90t/h下的辐射范围、噪音范围等。在计算中选择的是单点源和多点源结合的火焰计算模型——Mixer模型。

4.1 火炬处理能力复核

通过Flaresim仿真火炬专业分析软件计算，项目扩建后，火炬处理能力增加到90t/h时，火炬出口流速是46.8m/s，马赫数是0.177。满足规范SH3009-2013[10]中对最大马赫数0.5以下的要求，也满足正常无烟排放马赫数一般为0.2的要求。绝热火焰温度达到1760℃，火焰长度是67.45m，在最大泄放量和最大风速（12m/s）的情况下，火焰燃烧三维形状如图2所示。

图2 火炬燃烧形状（3D）

4.2 火炬热辐射范围复核

对原火炬在90t/h泄放量下的热辐射强度进行模拟计算，结果如表2和图3所示。

表2 热辐射范围表

图3 火炬热辐射强度计算结果

该项目中火炬分液罐等区域距离火炬的水平位置300m，根据辐射值计算结果显示在海平面距离火炬300m处最大热辐射值是1.116kW/m2（包含太阳辐射强度），符合规范SH3009-2013中火炬设施分液罐等区域热辐射值要小于9.0kW/m2的规定。该扩建工程中火炬距陆域（所有的生产装置都在陆域）距离是120m，其最大热辐射值是2.688 kW/m2，满足SH3009-2013中要求“石油化工厂内部的各生产装置的允许热辐射强度应小于等于3.2 kW/m2”。

4.3 火炬头噪音复核

图4 噪音强度(dB)计算结果

火炬处理量增加，Mach值随之增加，相应的噪声也会增大。在正常条件时，低流量燃料气确保火炬微正压，地面噪声值非常低。但是在火炬最大量排放时，会出现很大噪音，通过对扩建后火炬头的复核计算得到噪声图，如图4所示。通过模拟计算发现在距离火炬120m（陆域装置）位置噪音是97dB，满足SH3009-2013中规定的“在全厂紧急事故最大排放工况时小于等于115dB”。

综上所述，在采用3台小流量补气阀替换原1台大流量补气阀的方案基础上，通过对火炬处理能力、热辐射范围、噪声的复核计算，原火炬可以满足扩建工程的需要，无需再重新增加火炬设施。

5 火炬管网的计算

在LNG项目中，火炬管网主要用于收集安全阀泄放和LNG储罐超压排放的BOG。因此，在火炬管网设计时需要考虑火炬管网的压降能否满足储罐达到设计压力时的安全泄放。这个过程需要不断的核算，选出成本较低且安全合适的管网布置，优化火炬管网[11]。

本扩建项目由于火炬处理量增加，火炬管网的阻力降需要重新计算。与传统计算方法[12]相比，采用专业火炬管网计算软件Aspen Flare System Analyzer[13]计算更为精确，计算成本时耗更低。经对火炬气排放管网方案的不断对比和核算，选出经济可行的陆域管网布置。

图5 火炬管网计算模拟模型图

如图5所示，扩建项目需要新增1条BOG总管和1个火炬分液罐，下面对新增BOG总管的管径及接口方案进行对比计算，选出最佳方案确保任何一个LNG储罐达到26kPa(G)时能安全泄放。主要对比表3中的三个方案。

表3 火炬管网方案对比

采用Aspen Flare System Analyzer火炬管网专业分析软件，假设火炬头压力为0kPa(G)，反算得到各方案下各个储罐的压力如表4。

表4 各对比方案下储罐压力表

结合储罐的设计压力和操作压力，以及管路的安全经济性，最终选择的是方案三。

6 总结

本文以某接收站项目为例，重点讨论了扩建工程火炬处理系统优化的计算方法。通过ASPEN HYSYS、Flaresim 和 Aspen Flare System Analyzer专业分析软件，结合工程经验在不增加火炬筒数目和改造火炬基础设施的情况下，完成扩建工程火炬管网和火炬系统的设计。并且提供了LNG项目对火炬系统改造的设计思路和方法，本设计思路已用于国内某LNG接收站项目的施工图设计，可以为今后扩建项目火炬系统的设计和核算提供参考。

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