系统化的泄放分析在催化裂化装置的应用研究

陈中民1 王志刚2 秦士江3 秦云锋3

1.中国石油集团工程股份有限公司 北京 100029；2.中石油华东设计院有限公司 山东 青岛 266071；3.圣泰智科（上海）软件科技有限公司 上海 201203

超压泄放和火炬系统是炼化企业的最后一道安全保障，在设计阶段采用科学可靠的方法进行超压工况的泄放分析和泄放量的计算对被保护设备的安全极其重要。但超压工况分析和泄放量计算是一个复杂的过程，一方面要确保系统安全，另一方面泄放系统也不能过于庞大。由于国内设计规范的不完善，以及重视程度不足等原因，传统的泄放分析存在诸多缺陷，比如遗漏重要的超压工况、泄放量计算不正确、没有充分考虑设备间的相互影响等，造成安全阀和火炬系统存在重大安全隐患。以下以催化裂化装置为例对此予以说明。催化裂化技术在国内经数十年的发展，技术水平已居世界前列[1]。但笔者在多年的泄放分析工作中发现，催化裂化装置在泄放分析、泄放量计算及装置火炬系统的设计中仍有许多不足之处，主要体现在以下方面：

（1）超压工况的分析不全面。以分馏塔为例，部分设计单位在分析超压工况时，仅分析停电工况、循环水停工况和富气压缩机停工况，且停电工况未明确区分全厂停电和局部停电工况。超压工况的分析不全面，极易忽略可能存在的泄放量更大的工况。

（2）超压工况的泄放量计算粗放。同样以分馏塔为例，发现部分设计单位在泄放量计算时，简单地以塔顶气相量作为停电工况的泄放量。通过严格的泄放量计算可以发现，实际的泄放量和组成与这种简单估算的结果相差甚远。

（3）对于存在热集成的工艺流程，仅通过静态的分析计算极易忽略在超压工况发生后设备间的互相影响。因存在热集成，超压工况发生后，部分换热器负荷或增或减，将对泄放量产生影响。仅通过静态的分析计算，无法定量确定超压工况发生后换热器负荷的变化，计算得到的泄放量数据与实际情况相比可能存在较大偏差。

上述问题将导致装置的泄放系统存在诸多安全隐患。为此，以300 万t/ a 催化裂化装置为例，阐述系统化的泄放分析方法，以期对泄放系统设计和工业生产中确保装置安全提供有价值的参考。

1 系统化的泄放分析方法

火炬气的主要来源是被保护设备的超压泄放或紧急泄压排放，因而泄放分析必须从被保护设备的超压事故工况分析这个源头上着手。如上所述，泄放分析和计算是一项复杂的工作，既要保证安全又不能过于保守。系统化的泄放分析方法是严格遵照API Standard 521[2]标准，结合流程模拟、静态泄放分析、动态泄放分析和泄放量消减分析等手段，对被保护设备泄放量、装置及全厂总泄放量进行系统性分析的方法。整个分析过程分三个部分完成，分述如下：

（1）第一阶段进行静态泄放分析，基本宗旨是采用API 521 的原则和方法，根据对工艺流程和控制系统的分析，基于每个被保护设备确定适用的泄放工况及其假设条件，并计算泄放量。典型超压工况如表1 所示[1]。此项目中采用SimTechRelief 软件进行泄放分析和计算。

表1 典型超压工况

（2）第二阶段进行动态泄放分析，即采用基于严格机理的动态模拟方法，在严格遵照API 521 标准的前提下，对被保护设备超压工况及其R泄放的动态行为进行模拟和分析。动态模拟是目前进行泄放分析最佳的技术手段，也是API 521 标准中推荐的方法。关于该方法还可以参考文献[3- 6]。以下采用SimSci 公司（现率属于AVEVA 公司）的Dynsim 软件作为动态模拟工具。

（3）第三阶段则侧重泄放量的消减，即根据实际条件，采用工艺和设备变更和高完整性超压保护联锁（HIPS）等措施，消除或减少超压事故时的排放，从而达到消减泄放量的目的。

严格依照API 521 标准，通过系统化的泄放分析方法，既保证被保护设备和火炬系统安全，又尽量缩减泄放系统的规模。

2 催化裂化装置的泄放分析

典型的催化裂化装置分馏塔流程示意图如图1 所示。

图1 催化裂化装置分馏塔流程示意图

2.1 静态泄放分析

根据API 521 分析原则，分析催化裂化装置分馏塔可能存在的超压工况，详见表2。

表2 分馏塔超压工况

完成泄放工况的确定后，需建立分馏塔正常操作工况的稳态模拟模型（以下采用PRO/ II），并采用SimTech Relief 软件对每个工况的泄放量进行计算。

分馏塔主要超压工况泄放量计算结果汇总如表3。从表3 数据可以看到，不同事故工况下排放量差别非常大，单纯取塔顶气相量作为分馏塔的最大泄放量存在很大的缺陷：

表3 分馏塔超压工况的静态分析结果

（1）全厂停电后提升管反应器联锁注入事故蒸汽，分馏塔安全阀最大泄放量为159t/ h，明显低于正常生产时塔顶气相量285t/ h。如果以285t/ h 作为全厂停电工况泄放量，这将使全厂停电工况下叠加后的装置和全厂的火炬量明显偏大。

（2）全厂停电工况下，分馏塔顶安全阀泄放或者富气压缩机入口放火炬阀排放的火炬气中，水蒸气含量明显高于塔顶气相中水蒸气含量。

2.2 动态泄放研究

采用Dynsim 对催化裂化装置的超压和泄放行为进行动态研究。

2.2.1 分馏塔全厂停电工况

对全厂停电工况分馏塔的超压泄放进行了动态研究。在实际生产过程中，当富气压缩机跳车后，会联锁打开富气压缩机入口放火炬阀，塔顶油气经放火炬阀排至火炬，整个过程安全阀不起跳。因此，确定火炬量时必须分析全厂停电工况经富气压缩机入口放火炬阀排放和经安全阀泄放两种情况，分析结果详见图2 和图3。

图2 分馏塔全厂停电工况动态泄放曲线（控制阀排放）

图3 分馏塔全厂停电工况动态泄放曲线（安全阀泄放）

经动态研究可以发现，全厂停电后，塔顶冷凝冷却系统、各中段取热系统及富气压缩机停止，提升管联锁注入事故蒸汽，塔顶压力快速升高。经过放火炬阀排放与经过安全阀泄放的动态曲线不同，但排放量的峰值约为160t/ h，相差不大。

2.2.2 分馏塔局部停电工况

局部停电（即停低压电）后，塔顶空冷、回炼油泵和富气压缩机停止，反应油气不停，塔顶压力快速升高。安全阀于工况发生后1min 后起跳，分析时间段内峰值泄放量为408t/ h（分子量为61.6），动态泄放曲线如图4 所示。

图4 分馏塔局部停电工况动态泄放曲线（安全阀泄放）

因分馏塔一中段油至稳定塔底重沸器供热，局部停电后稳定塔顶空冷、回流泵同时停止；稳定塔顶压力持续升高，塔压升高后造成塔釜温度升高，塔底重沸器换热负荷因有效传热温差降低而减小，从而引起分馏塔一中段油取热减少。这部分减少的热量积聚在分馏塔中，导致分馏塔最大泄放量高达408t/ h，远高于静态分析的249t/ h。

静态泄放分析是基于单个被保护设备的分析，极易忽略这种复杂的热耦合关系造成的相互影响，不通过严格的动态模拟手段难以分析出整个超压和泄放发生过程中的相互作用和相互影响。

该局部停电工况不仅是分馏塔的控制性工况，也是整个催化裂化装置的控制性工况。若忽略该工况或分析不准确，将直接导致分馏塔安全阀选型偏小和装置火炬系统排放能力不足，这将遗留非常大的安全隐患。

2.3 泄放量消减措施分析

不同催化裂化装置吸收稳定系统的工艺流程会有所不同，尤其是解吸塔和稳定塔的热源不同。本例中由于动态研究后解吸塔和稳定塔的泄放量较小，增设火炬量消减措施的必要性不大。但其他催化裂化装置吸收稳定系统还是有可能需要考虑HIPS 等消减措施的。

特别需要指出的是，很多催化裂化装置和气体分馏装置属于联合装置，这两套装置的泄放量都比较大，需要特别注意局部停电工况下的排放总量，以及配电方案对局部停电工况总排放量的影响。

3 结论

（1）泄放分析工作必须做全面、完整和详细的超压工况分析，不仅要分析泄压设备泄放，还要考虑通过调节阀的排放，否则极易忽略重要的超压工况，从而遗留巨大的安全隐患。

（2）泄放量的确定一定要采用科学、可靠的计算和分析方法，绝不能凭经验或简化计算。与之相反，必要时还要采用更复杂的动态模拟方法进行详细的分析。泄放量计算的偏差将直接导致泄压设备不能充分保护设备，并导致火炬系统排放能力不足。

（3）非常有必要推行系统化的泄放分析工作，从而使计算的泄放量既充分保证安全又不过于保守。