石化装置改扩建对火炬系统负荷影响的量化分析

王海清，刘荫，高智泉，眭文祺

（1 中国石油大学安全科学与工程系，山东青岛266580；2 中国石油独山子石化公司炼油厂，新疆独山子833699）

石化工厂在进行改扩建时，新增加的产能装置将导致排放至火炬系统的火炬气增加，从而可能会超出原火炬系统的设计负荷。但由于用地、资金和近年来日益严格的环保要求等客观因素的限制，新建和安装额外的火炬系统来处理增加的火炬载荷往往并不可行。因此需要评估现有火炬系统处理装置改造后泄放载荷的能力，并通过必要的负荷协调管理来解决火炬载荷增加的风险控制问题[1]。国际标准《泄压和减压系统》（API 521）及国内标准《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013）、《石油天然气工程设计防火规范》（GB 50183—2004）等常用的火炬系统设计标准与规范中均未明确提出石化装置改扩建时火炬系统负荷的核算方法，这使石化装置改扩建时对火炬系统安全隐患的再评估往往更多依赖于工程经验。因此提出一套明确、合理的方法用于量化石化装置改扩建后火炬系统的负荷显得十分必要。

目前眭文祺等[2]提出了一种计算火炬系统多源泄放负荷的新型算法——火炬系统中的多压力单元泄放叠加算法来评估石化装置改扩建后的火炬系统风险，并提出一个针对石化装置改扩建后火炬系统负荷的量化风险评估流程，以期能够实现在不改变原厂区火炬系统的前提下，定量分析厂区改扩建装置引起的火炬系统物性参数的变化，并确定导致安全隐患的泄放条件。

得到导致安全隐患的泄放条件后，本文进一步提出了在不改变现有火炬系统的基础上，降低火炬系统总载荷的方法。目前已有一些学者着手此方面的研究：Dinh等[3]提出了一种通用的、主动且具有成本效益的火炬最小化方法，该方法使用动态模拟来减少异常操作下的工业排放；Wang等[4]提出了一种基于工厂动态仿真的系统方法，用于在异常操作条件下针对面向安全的CPI （chemical process industry）进行FM（flare minimization）；Sohag 等[5]提出了结合故障树分析和贝叶斯网络的火炬系统动态可靠性评估方法；Fang等[6]提出了火炬事件预测的分层分布式监视方法，并成功应用；Lee 等[7]致力于使用HIPs（高完整性保护系统）降低火炬系统载荷。但是上述方法仍处于发展阶段，可靠性和实用性仍需要进一步的研究。

1 装置改扩建对火炬系统负荷影响分析

1.1 多压力单元的叠加泄放

目前火炬系统只服务于单个压力泄放源的情况在现代石化行业中比较罕见，绝大多数石化企业的情况是火炬系统需要服务于多个压力泄放系统。多压力单元泄放叠加算法能够对单一偶然事件下产生的最大负荷进行计算，其基本泄放设计场景是：某特殊工况下当火炬系统多个泄放源同时泄放时，应按照每个工艺单元依次取得100%的泄压负荷连同50%其他单元的量来计算。

API 521 中对于多个压力泄放阀的泄放问题，指出应计算可能影响任何压力泄放阀的所有偶然事件下的负荷，并未提供具体的计算方法。因此，多压力单元泄放叠加算法与API 521相比能更好地适用于本文讨论的情况。本文将使用多压力单元泄放叠加算法确定装置改扩建后火炬系统多源泄放时的泄放组合、泄放路径和泄放量。

1.2 适用场景与基本假设

火炬系统多源泄放负荷分析（analysis of multisource discharge load in flare system，AMDLF）方法适用于以下场景：某厂区已经平稳安全运行过一段时间，厂区内原有的火炬系统已经经过校核，处于安全工作状态。现在厂区内对需要泄放至火炬系统的装置进行改扩建。本文主要讨论在原有的火炬系统不发生改变的情况下，改扩建装置对火炬系统产生的影响。需要注意的是，本文提供的方法仅适用于装置改扩建阶段的火炬系统设计。

本文的研究基于以下假设。

（1）在分析泄放负荷时，通常不考虑两个不相关的偶然事件同时发生的可能性，但要保证一个偶然事件不能长时间未被发现[8]。

（2）在实际情况下，同一泄放源在不同泄放路径下的泄放量并不相同。要想得到具体可靠的数据须结合实际厂区分析得到。本文涉及的仿真案例研究旨在探究改扩建装置对火炬系统产生影响的方法，为不失一般性，假设同一泄放源在不同路径下取相同的泄放量。

1.3 AMDLF方法的流程设计

本文提出一种新的AMDLF 方法流程，以确定石化装置改扩建后火炬系统负荷。

（1）确定石化装置改扩建后，厂区自泄放装置至火炬系统的流程图或P&ID图。

（2）确定一个需要校核的起始事件（即特殊工况），记需要校核的起始事件为E。

（3）确定起始事件E下可能发生泄放的泄放源和每个泄放源的最大泄放量。为不失一般性，假设起始事件E 下可能发生泄放的泄放源为N（N≥2）个，泄放源编号为S1、S2、…、SN-1、SN，对应的最大泄放量为Q1、Q2、…、QN-1、QN。

（4）确定起始事件E下所有泄放组合、泄放路径和每条泄放路径下的总泄放量及各泄放源实际泄放量。

使用多压力单元泄放叠加算法确定泄放组合和每种泄放组合下的泄放量，每种特殊工况下的泄放组合按照排列组合的方式列出。因此起始事件E下可能出现的泄放组合个数X可由式(1)得出：

式中，N为起始事件E下可能发生泄放的泄放源数量；CNi为在N 个泄放源中取i 个泄放源的组合数。

按照多压力单元泄放叠加算法，每个泄放组合的泄放量应为每个工艺单元依次取得100%的泄压负荷连同50%其他单元的泄放量。因此当某泄放组合的泄放源多于一个时，此泄放组合将对应多条泄放路径。起始事件E下泄放路径的个数Y可由式(2)得出。

起始事件E下每条泄放路径的泄放量需要逐一计算。每条泄放路径下各泄放源的实际泄放量可由泄放路径内各泄放源泄放负荷所占百分比（主要泄放单元为100%，其他单元为50%）和起始事件E下各泄放源的最大泄放量确定，实际泄放量分别记为Qr1、Qr2、…、Qr(n-1)、Qrn。

以起始事件E下的一条计算路径为例：该路径下发生泄放的泄放源为n（n≥2）个，编号分别为S1、S2、…、Sn-1、Sn，这条泄放路径的总泄放量Q可由式(3)得出。

式中，Qri为第i个泄放源在这条泄放路径下的实际泄放量；k为计算系数，可由式(4)确定。

（5）计算每条泄放路径的物性参数，比较厂区的要求与计算得到的物性参数，得到存在安全隐患的泄放组合。

（6）其他起始事件的核算重复步骤(2)～(5)，直到所有起始事件核算完毕，即可得到所有起始事件下存在安全隐患的泄放组合。

AMDLF方法流程如图1所示。

图1 AMDLF方法流程

对上述方法步骤做以下补充。

（1）根据SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》，可能引起装置泄放的特殊工况有：工艺装置开、停工；火灾事故；停水、停电及蒸汽、仪表空气供应中断等工程事故；其他事故[9]。在具体应用过程中，应根据厂区的实际情况选取可能发生的起始事件。

（2）泄放组合的物性参数的计算可以使用API 521 提供的计算方法，也可以使用软件计算。Aspen Flare-net 是一款专门用于稳态网状泄放系统的专业计算软件，可以对集中、发散或环形等各类火炬管网进行模拟。本文将使用Aspen Flare-net 软件对火炬系统的物性参数进行计算，通过计算的数值来判断厂区改扩建装置对火炬系统负荷的影响和验证提出的解决方法是否有效。

2 案例

本文以某石化工厂的一联合单元为例，使用上述方法得到装置改扩建后火炬系统的负荷。结合工程实际需求，以安全阀阀后背压、噪声、下游马赫数等参数作为判断火炬系统是否风险可控的标准；其中，安全阀阀后背压为重要判断基准。通过比较新增装置前后厂区内各装置的安全阀阀后背压、噪声、马赫数，定量评估新增装置对火炬系统和厂区的风险影响。

2.1 新增装置前火炬系统仿真计算

某石化厂一联合单元共有三套装置简记为A、B、C，对应的安全阀编号分别为1、2、3。这3套装置均泄放至同一火炬系统。原厂区流程如图2所示。其中包含的部件有：安全阀1、安全阀2、安全 阀 3 （ 分 别 对 应 图 2 中 ReliefValve1、ReliefValve2、ReliefValve3）；排气管1、排气管2、排气管3（分别对应图2 中Tailpipe1、Tailpipe2、Tailpipe3）；管道1、管道2 （分别对应图2 中Pipe1、Pipe2）；三通1、三通2（分别对应图2 中Tee1、Tee2）；火炬管（对应图2中Stack）、火炬头（对应图2中FlareTip）。

（1）各部件参数

安全阀参数见表1。管道参数见表2。

在该厂区可能发生的特殊工况有火灾、冷却失效、局部停电等，本节选择火灾工况进行分析。本仿真案例中，火灾特殊工况的限制参数为各管道的马赫数不大于0.7，噪声不大于110dB。

（2）泄放组合和泄放路径求解

火灾工况下泄放装置A、B、C 均可能泄放，根据式(1)得到的泄放组合共有7种，分别是：A装置单独泄放、B 装置单独泄放、C 装置单独泄放、AB 装置同时泄放、AC 装置同时泄放、BC 装置同时泄放、ABC 装置同时泄放。根据式(2)可得泄放路径共有12 条。火灾工况的泄放组合和泄放路径见表3。

确定泄放组合和泄放路径后，分别计算每条泄放路径下各安全阀的背压。本文使用Aspen Flare-net 软件作为计算工具。计算结果在2.3 节中展示。

2.2 新增装置后火炬系统仿真计算

在上述联合单元的基础上增加泄放装置D，对应安全阀编号为4。新增装置后厂区流程如图3所示。

（1）新增装置参数 在流程中增加的部件有：安全阀4（对应图3中ReliefValve4）、排气管4（对应图3 中Tailpipe4）、管道3（对应图3 中Pipe3）、三通3（对应图3 中Tee3）。其他部件与图2 相同。增加的管道部件信息见表4，其他部件保持不变。增加的安全阀4的参数见表5。

图2 新增装置前厂区流程

表1 安全阀参数表

表2 管道参数表

表3 新增装置前泄放组合及泄放路径表

表4 新增管道部件参数表

表5 安全阀4参数表

（2）泄放组合和泄放路径求解 根据式(1)和式(2)可得火灾工况下有以下15种泄放组合和32条泄放路径，见表6。

表6 新增装置后泄放组合和泄放路径表

确定泄放组合和泄放路径后，使用Flare-net软件计算每条泄放路径下各安全阀的背压、噪声和马赫数。计算结果在2.3节中展示。

图3 新增装置后厂区流程

2.3 计算结果与分析

根据每条泄放路径下各泄放源泄放负荷所占百分比和火灾工况下各泄放源的最大泄放量可得各泄放源的实际泄放量；根据式(3)和式(4)可得每条泄放路径总泄放量。由各泄放源的实际泄放量和每条泄放路径总泄放量，使用Aspen Flare-net软件计算得到厂区火灾工况下新增装置前每条泄放路径下各安全阀的背压见表7。

表7 新增装置前安全阀阀后背压计算结果

同理，计算得到厂区火灾工况下新增装置后泄放路径下各安全阀背压如表8所示。

表8 新增装置后安全阀阀后背压计算结果表

噪声和下游马赫数的计算按照相同的方法进行。经过计算，在本文的仿真案例中火炬系统的各部件噪声、马赫数在新增装置前和新增装置后均处于厂区要求的范围内。具体计算数值由于篇幅原因在此不做展示。

对比火灾工况下新增装置前后的安全阀阀后背压、噪声和下游马赫数的计算结果可以得到如下结论。

（1）新增装置前各安全阀的阀后背压均小于安全阀的最大允许背压3.808×105Pa。新增装置后，各个安全阀的阀后背压均有升高。其中泄放路径5、6、17、18、20、21、29、30（即泄放组合AB、ABC、ABD、ABCD）均有安全阀的阀后背压超过了最大允许背压；其他泄放路径下的阀后背压有一定程度的升高，但并未超过最大允许背压3.808×105Pa。因此在火灾特殊工况下，只要泄放装置A、B同时泄放就会导致部分安全阀的阀后背压超高。

（2）新增装置前各泄放路径下各部件的噪声均不超过噪声最大允许值110dB。新增装置后各泄放路径下各部件的噪声有不同程度的增大。但仍不超过噪声最大允许值110dB。因此，不存在噪声超高的安全隐患。

（3）新增装置前各泄放路径下各部件的下游马赫数均不超过马赫数最大允许值0.7。新增装置后各泄放路径下各部件的下游马赫数有不同程度的增大。但仍不超过马赫数的最大允许值0.7。因此，不存在下游马赫数超高的安全隐患。

因此，得到新增装置后具有安全隐患的泄放组合为：泄放装置A、B同时泄放。

冷却失效、局部停电等其他特殊工况下新增装置对火炬系统的影响可以使用同样的方法得到。

3 结论

（1）本文提出了石化装置改扩建情况下量化火炬系统负荷的计算流程与方法，解决了当前国内外火炬系统设计标准在此方面未明确给出新增泄放负荷及其关键指标核算的问题。

（2）本文提供的方法不仅能够得到火炬系统负荷的量化结果，还能得到导致安全隐患的泄放组合。这对后续提高火炬系统处理能力具有指导作用。

（3）本文提供的方法应用了计算火炬系统负荷的新方法——火炬系统中的多压力单元泄放叠加算法。案例分析表明该方法在火炬组合泄放负荷计算方面能够提供更高的准确性，因此对设计石化装置改扩建情况下火炬系统负荷管理对策具有一定指导意义。

（4）关于如何解决装置改扩建后可能出现的安全隐患，秉承尽量节约成本的思想，可以选择在不改变原有火炬系统的基础上寻找可能导致安全隐患的泄放组合（如上文所示），并根据工况采用多种措施阻止这些泄放组合的出现，包括设计恰当的安全联锁SIF回路进行泄放负荷管理等，这些措施的具体应用还需要进一步的研究。