石化厂火炬系统核算与消减技术研究

高攀龙 李供法 牛继光

摘要：本研究从火炬系统核算与消减两个方面阐述一种科学的火炬系统分析方法，遵循API 521标准，提出一整套系统化的方法和技术，从超压源头上进行科学的泄放分析，采取符合标准的方法和措施尽可能地对火炬排放量进行消减，并在此基础上对某石化厂全厂火炬系统进行优化，使全厂火炬系统满足现役及未来新建装置的使用需求。

关键词：系统化；火炬系统；核算与消减

DOI：10.12433/zgkjtz.20233044

一、火炬系统核算与消减的必要性

火炬系统是石化工厂的最后一道安全保障，在事故状态下火炬系统能否满足各装置的排放需求直接影响企业的安全生产。

对于现役工厂，由于不断扩建和改造，新老装置错综复杂，加之原料和操作条件与设计值往往有较大的偏离，又缺少可靠的泄放分析数据，很多企业已经难以确认现役火炬系统是否能满足当前的泄放要求。如果不对现役装置的实际排放需求和现役火炬的排放能力进行仔细充分的核算，盲目将新建扩建的装置并入现役火炬，将会带来很大的安全隐患。另外，生产装置改造以后火炬量增大或者在设计阶段可能会忽视某些关键工况，进而导致火炬系统处理能力不足。近年来曾发生过火炬系统不足而导致的严重事故。由于存在上述问题，可见现役工厂的火炬系统存在着较大的安全风险。

对于新建工厂而言，由于装置规模大、数量多，火炬排放总量较大，但通常专利商和设计单位只采用静态计算方法确定泄放量，导致火炬量过于保守。根据千万吨规模的炼化一体化项目经验，如果依据专利商提供的数据，火炬排放总量将高达数千到10000t/h级别，庞大规模的火炬排放需求将带来一系列的问题，如火炬总管尺寸大、数量众多、投资额大等，通常情况下会发生工程设计难以实施、用地受限、投资限制等困难。

为实现现役工厂火炬系统的安全核算以及新建工厂的火炬系统优化，需要从源头上对火炬排放量进行详细的核算，并采取符合标准的方法和措施尽可能地消减火炬量，以实现节约用地、缩减火炬放空管道和火炬处理设施的规模、节省投资等目标。

二、火炬系统核算与消减的技术

火炬气主要是被保护设备的超压泄放或紧急泄压排放而产生的气体，因而要解决火炬系统的问题必须从被保护设备的超压事故工况分析源头上着手。遵循发现问题并解决问题的思路，基于国际通行的API 521[1]标准，再采用静态和动态超压泄放工况分析相结合的系统化方法火炬系统的核算与消减。

（一）火炬系统基础泄放分析

火炬系统基础泄放分析的主要目标是用静态分析方法进行泄放分析、核算火炬量，对现役火炬系统进行校核，以检验这些系统是否有问题。其主要工作内容包括：

1.稳态模拟

泄放分析和计算必须以泄放条件下的物性为基础，因而必须建立装置的稳态模型。现役装置通常是以生产数据作为稳态模拟的基础，新建装置则以设计数据进行建模。

2.静态泄放分析

采用以API 521[1]为标准的方法，基于每个被保护设备确定适用的泄放工况及其设定条件，再根据该标准中的原则计算泄放量和物性。

3.静态分析核算

静态分析核算是整个泄放分析和火炬系统优化工作中的重要内容，其计算的主要结果是关键的安全阀工况及其泄放数据。本研究采用SimTech Relief Plus?软件进行静态泄放分析和计算。该软件计算时需将建立的稳态模型导入，根据设备的超压工况在软件中完成相应的设置，软件可自动计算出超压工况下的泄放量和泄放物料的物性数据。

4.系统化的火炬系统核算与消减

系统化的火炬系统核算与消减技术在火炬量的叠加上较现行规范有所区别。系统化的火炬系统核算与消减技术在同一个事故工况下火炬量叠加时是遵循API 521[1]的标准，即火炬总量为各排放源最大排量之和。需要指出的是，该叠加计算原则比现行的SH-3009-2013标准更严谨，也更为苛刻。

（二）动态泄放分析

动态泄放分析，即基于严格机理的动态模拟，在API 521标准的指导下对被保护设备超压工况及其泄放的动态行为进行模拟和分析。API 521标准中推荐使用动态模拟的方法进行泄放分析，动态泄放过程具有典型的动态属性，动态模拟是基于严格机理模型的，能考虑复杂的物料和热量耦合关系，因而可以更真实地再现泄放发生的实际过程。动态分析的结果通常以泄放曲线的形式展现（见图 1），其中泄放量和时间的关系曲线，即我国SH-3009-2013标准中所述的时间－流量曲线。泄放曲线的最大值将作为该设备在该工况下最大排放量。本文采用Dynsim软件作为动态模拟工具。

动态泄放分析的基础是建立严格机理的动态模型。在动态建模过程中，需要将设备的规格尺寸、实际控制方案等设置到模型中。完成动态建模之后需要将模型从冷态（即初始开工状态）开到稳态，这一过程与装置实际开工类似。当然，动态建模以及开工至稳态的整个过程工作量大且需要充分的时间。在得到稳态之后，可以根据具体的超压工况进行分析。在多数情况下，需要对分析的结果进行多个工况研究。

（三） 火炬量消减分析

消减分析方法包括工况条件复核、动态叠加分析、采取HIPS（High Integrity Protection System，高完整性超压保护联锁）和其他消减措施等。

HIPS是一种API 521推荐并被广泛采纳的火炬量消减方法。常见的HIPS应用是用高完整性（如SIL-2或SIL-3）的压力高联锁切断再沸器热源或重沸炉燃料气，HIPS的分析工作通常还包括量化的HIPS可靠性分析，以确定消减后的全厂火炬总量。

泄放分析中需要基于静态和动态泄放分析的结果，选择适合的被保护设备。在动态模型上对专利商已经采用的HIPS或建议新增的HIPS的应用进行分析，包括HIPS的消减效果、HIPS设定点分析、HIPS的失效概率和可靠性分析等。

（四）火炬系统核算选型

在完成火炬系统火炬量的叠加汇总之后，对现役或新建工厂均可建立火炬系统管道水力学模型进而可对火炬系统进行水力学计算。水力学计算的结果包括各生产装置边界处背压、火炬总管的马赫数等。模型的起点边界通常是装置火炬和全厂火炬的边界点，而终点边界则通常是火炬设施。模型将包括管道、分液罐和火炬筒等。本文采用Visual Flare软件进行建模。

三、案例研究

（一）背景介绍

某石化现役火炬系统设有高压和低压等总管，用于处理老区和太平村厂区厂区现役各装置排放的火炬气。火炬系统建成后，陆续有几套生产装置并入，现阶段无法明确现役火炬系统能否满足排放的需求。根据某石化的规划要求，新建某装置。如果新建装置能利用现役的火炬系统，将有效降低新建路由的实施难度并能节省不少的投资。故需采用系统化的火炬系统核算和优化技术，对现役火炬系统进行核算和优化，并检验新建某装置利用现役火炬系统的可行性。

（二）核算和优化的结果说明

在考虑新建某装置火炬气并入的情况下，对现役火炬系统进行基础泄放分析、动态泄放分析以及消减分析。以现役火炬系统火炬总量原设计数据为100%，各个分析阶段的火炬总量如图1所示。

经对现役火炬系统进行系统化的核算与优化后，在新建某装置并入现役火炬系统的情况下，有如下结论：

（1）全厂停电工况为控制性工况，考虑热辐射时优化后的火炬总量比原设计火炬总量减少了38%，消减效果显著。

（2）对于现役高压和低压火炬系统分别进行了水力学核算，全厂性工况背压均不超设计背压。

由此可知，采用科学、系统的泄放分析方法对火炬系统进行一次彻底、详细的核算，对火炬系统现阶段的负荷情况有明确的量化认识。通过采取一系列优化措施后，在提高现役火炬系统安全性的同时实现了新建装置火炬气并入现役火炬系统的目标，为生产企业节省了投资。

1. 老区低压火炬放空系统

老区低压火炬放空系统1、2的全厂停电工况核算背压均不超原设计背压。此时核算背压为0.098MPaG，没有超过安全阀允许值。

2. 新区现役高压和低压放空系统

新区现役高压放空系统全厂停电工况及最大单事故工况核算背压均不超原设计背压。新区现役低压放空系统全厂停电工况核算背压不超原设计背压，最大单事故工况核算背压与设计背压基本一致。

3. 新区现役低低压放空系统

新区现役低低压火炬系统的全厂停电工况核算背压不超按火炬量设计数据核算的背压。

四、消减措施

（一）催化裂解装置富气压缩机两台润滑油泵电机增设应急电源

为避免全厂停电工况发生时富气压缩机直接跳车后，发生放火炬阀打开排放，反应沉降器顶压力因装置边界处背压升高而升高的情况，催化裂解装置富气压缩机两台润滑油泵电机应增设应急电源，而且应急电源容量按至少维持电机运转10min考虑。

（二）催化裂解装置增强应急响应

为消减低压火炬系统全厂停电工况下的排放量，需提高催化裂解装置于停电工况下的应急响应能力，要将下列操作作为应急操作步骤并程序化：

（1）停电后，操作人员迅速切断稳定塔第二重沸器蒸汽热源。

（2）停电后，操作人员需密切注意轻重汽油分离塔压力变化，如压力持续上升，需及时关闭进料控制阀FV-30401。

上述措施的目的是确保稳定塔、轻重汽油分离塔在停电事故下不超压泄放。

通过此次系统化核算，得到了现役火炬系统各装置全厂性工况和控制性单事故工况下的火炬量详细的分析过程和结果数据。

五、结论

（1）火炬系统核算与消减的技术研究既有助于详细核算现役火炬系统，也可核实现役火炬系统的处理能力，还能排查出火炬系统的潜在风险。

（2）火炬系统核算与消减的技术采用科学、系统的消减措施，可有效优化全厂火炬总量。

（3）火炬系统核算与消减技术的成果可为将来某石化改扩建项目及技术改造项目实施后火炬系统方案的确定与优化提供坚实的数据基础。

（4）应推广火炬系统核算与消减技术，这将极大提高整个行业对火炬系统核算和优化的重视，促进相关标准的建立、升级和完善，从而推动整个石化行业的进步。

参考文献：

[1]API Standard 521， Pressure-relieving and Depressuring System， Sixth Edition， January 2014.

[2]石油化工行业标准. 石油化工可燃性气体排放系统设计规范：SH 3009-2013[S].2013.

[3]Xie， C.L. et. al.， Optimize relief loads by dynamic simulation[J]. Hydrocarbon Processing， December 2013.

[4]P. L. Nezami， et. al.， Distillation column relief loads-Part 1[J]. Hydrocarbon Processing， April 2008.

[5]P. L. Nezami， et. al.， Distillation column relief loads-Part 2[J]. Hydrocarbon Processing， May 2008.

[6]C. Depew et. al.， Dynamic simulation improves column relief load estimates[J]. Hydrocarbon Processing， December 1999.