Aspen Flare-net在异丙苯装置火炬管网设计中的应用

摘 要：简要介绍了Aspen Flare-net软件的主要特点和计算方法。以某装置异丙苯单元火炬管网为例，阐述该软件在设计中的应用，利用软件核算管网压力降，马赫数及安全阀背压，满足设计要求，保证系统安全。表明该软件在火炬管网设计中的应用价值。

关键词：Aspen Flare-net;火炬管网;安全阀;背压;马赫数

1 概述

火炬排放系统是石油化工及炼油装置必不可少的配套设施，也是装置的最后一道安全屏障。通过该系统可达到防止生产装置发生超压破坏以及对安全泄放出来的物质进行安全环保处理的目的。[1]

火炬系统的设计计算是石油化工工艺设计的重要内容，主要包括确定各种工况下的排放负荷和计算排放管网压降。由于火炬排放介质的可压缩性，介质压力在管道中是随着流经管道长度的变化而不断变化的，其密度也随之变化，所以介质压降和流速之间的关系不能用简单的流体阻力函数关系式表达，管线压降需反复大量计算。[1-2]随着计算机技术的发展，模拟计算软件发展很快，目前，国内外广泛使用Aspen Flare System Analyzer（以下简称Aspen Flare-net）模拟火炬管网中的水力学计算。使用该软件可节省大量人力并大大缩短设计周期，一般可节约50-60%人工时。同时可提高设计精度和设计水平。

2 Aspen Flare-net软件特点

Flare-net软件最早由英国公司与1985年开发投放市场，后由Aspen公司收购继续开发，用于油气处理、炼油厂、石油化工厂等任何有放空的领域。软件主要特点如下：

①图形用户界面直观反映整个火炬网络;②执行API-520/521标准;③可以和HYSYS，Access，Excel，XML进行数据共享;④可进行多相流和气阻计算;⑤增强了工艺过程参数（如温度、压力、流量、马赫数等）;⑥可定义多种工况，紧急排放，火灾，冷却失效，单个设备关断等;⑦系统可进行设计约束设定，如最大背压，流体流速等，设有出错报告，可以总结超出设计限制的情况;⑧管道等级可定义标准尺寸，执行项目标准;⑨软件有设计模式，核算模式和脱瓶颈模式;⑩不但能设计或核算收敛式管网系统还能核算有分支的管网系统及环网系统，模型的复杂程度没有限制。

3 Aspen Flare-net计算方法

Aspen Flare-net对于单相流模型，可以采用Isothermal和Adiabatic两种热力学模型计算管线压降。对于气液两相流模型，Beggs & Brill 方法适用于水平和倾斜管线，Orkisewski方法适用于垂直管线。

4 建立模型

使用Flare-net搭建火炬管网模型，首先需要从物性库中选取火炬气中可能存在的烃类组成，定义粗糙度，压降的计算方法和各段管道对于马赫数的要求。然后根据平面布置和配管情况搭建火炬总管、各级支管和安全阀。然后根据各种工况，定义不同工况下安全阀排放位号与个数。管道的长度和大小头、弯头根据配管专业提供的数据输入。管线的尺寸可根据工程经验定义一个初值，由软件进行核算。如果初值核算出的背压超过安全阀选型的最大允许背压要求，或者管道内的流速超过马赫数要求时，则需调整管径重新计算。采用给定初值的计算方法，可大大提高计算速度。在定义管道时，需注意尾管和总管的区别。总管中的流量是按照安全阀的需要排量计算，尾管是按照安全阀的额定排量计算，一般将安全阀后管道定义为尾管。[3-4]一般要求密闭排放的火炬总管马赫数不超过0.5，支管最高不超过0.7。

5 工程应用实例

5.1 设计基础

某装置异丙苯单元设有高压火炬系统，可处理紧急泄放的气体和正常工况再生废气以及密闭采样机泵密封及仪表阀门需密闭排放的尾气。高压火炬管网的安全阀共计18个，排放主要介质为苯，异丙苯，丙烯，丙烷，多异丙苯等。单元内火炬总管DN800，设有火炬分液罐。界外火炬总管最高背压0.2MPaG。经分析需要考虑排量叠加的工况有全场停电，停水，冷却水失效和火灾工况。火灾工况按照平面布置和API 521建议在无其他控制因素条件下着火区通常限定在230-460m2地面区域，不考虑各个区域同时火灾的情况。

根据API-520，常规安全阀的最大允许背压为整定压力的10%，平衡波纹管式安全阀为整定压力的30-50%，先导式安全阀阀门开启不受背压影响。本项目平衡波纹管式安全阀允许背压按照40%计。

5.2 核算结果

①核算各安全阀单独排放的背压均能满足安全阀选型的要求，马赫数满足管径设计要求，先导式安全阀选型合适。详见表1;

②开停车工况，排放量149.14t/h，核算PSV-025背压为0.216MPaG，马赫数0.144，满足设计要求;

③停电工况，排放量254.73t/h，为最大工况，2个排放点PSV-025（背压0.22MPaG马赫数0.142），PSV-030（背压0.245MPaG马赫数0.245）均满足安全阀选型马赫数的设计要求，总管管径满足设计要求;

④停水工况和回流故障工况均为安全阀PSV-030排放，核算结果背压0.238MPaG，马赫数0.244，满足设计要求;

⑤火灾工况分区域考虑，其中排放量最大的为PSV-050/052/053/054同时排放，PSV-050/052排放背压为0.306MPa·

G，馬赫数0.272，PSV-053/054排放背压为0.302MPa·G，马赫数0.307，背压及马赫数满足设计要求。

值得注意的是，安全阀设定压力较高时，单点安全阀排放出口管线马赫数相比多点叠加排放时的马赫数更高，例如PSV-050/052，分析原因是由于开启时进出口压差过大，大量火炬气从安全阀排出，体积急剧膨胀，在支管处产生较高的压降。若马赫数超过规定值，则需放大出口管径。因此各种工况都需核算确保满足设计要求（见表1）。

6 结论

本文介绍了Aspen Flare-net软件的特点，并以某装置异丙苯单元火炬排放管网中的设计为实例，核算管网尺寸是否能满足设计要求，同时核算安全阀的背压能否满足选型要求。借助Flare-net软件不仅能计算多种工况的管网水力学压降，还能对系统综合分析提出安全可靠的技术方案。

参考文献：

[1]薛茂梅，奚文杰，曹枫，沈红霞，张世程.ASPEN在火炬排放系统设计的应用[J].广州化工，2010，6（38）：203-204.

[2]匡顺强，张斌. Aspen flare-net在火炬管网设计中的应用[J]. 化工与医药工程，2015（2）：1-5.

[3]王珊珊.Aspen flare System Analyzer在火炬管网设计与分析中的具体应用[J].石油与天然气化工，2017（1）：111-114.

[4]姜凯.FLARENET在乙烯装置火炬管网设计中的应用[J].石油化工设计，2013（3）：42-45.

作者简介：

李维（1981- ），性别：女，民族：汉，籍贯：山东省莱州人，学历：硕士研究生;现有职称：工程师;研究方向：石油化工工程设计。