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石油化工裝置火炬系統設計負荷的確定
發(fā)布時(shí)間:
2023-06-16 17:12
石油化工裝置的原料和產(chǎn)品多為易燃 、 易爆或有毒的介質(zhì) , 危險性大 , 如何使其安全運行非常重要 。 而火炬系統則是為處于超壓 、 減壓 、 開(kāi)停車(chē)和事故 ( 非正常工況 ) 時(shí)的石化裝置緊急排放可燃性介質(zhì)的快速處理設施;高可靠性的火炬系統可有效保證裝置安全生產(chǎn)和減少環(huán)境污染 。
火炬系統的設計負荷 , 即火炬最大排放量 , 是火炬系統設計的基礎參數 。 對裝置可能出現的超壓工況進(jìn)行分析 , 得到每個(gè)超壓工況時(shí)的排放量,并確定火炬系統的設計負荷 , 是工程設計中的一項不容忽視的工作 。
1 確定火炬系統設計負荷的基本原則
確定火炬系統的設計負荷 , 首先要按照 3 個(gè)準則進(jìn)行超壓工況的分析 : 1)任何單個(gè)事件是可信的;2)2 個(gè)順序發(fā)生的相關(guān)事件是可信的;3)同時(shí)發(fā)生的 2 個(gè)或 2 個(gè)以上不相關(guān)的獨立事件是不可信的 。 因為 2 個(gè)或 2 個(gè)以上不相關(guān)的事件同時(shí)發(fā)生的概率很小,所以不予考慮 , 其排放量也不需要疊加 。 一般認為 , 如果引起超壓的事件之間不存在工藝 、 機械或電氣之間的聯(lián)系 , 或可能相繼發(fā)生超壓的原因所間的時(shí)間很長(cháng) , 那么這些事件就是不相關(guān)的 。 例如: 停電和塔回流中斷一般是相關(guān)的 , 同時(shí)發(fā)生是可信的 ; 火災和換熱管破裂是不相關(guān)的 , 同時(shí)發(fā)生是不可信的。
2 不同工況火炬排放量的確定
火炬系統的設計負荷主要考慮公用工程故障 、 火災 、 化學(xué)反應失控 、 緊急減壓工況和發(fā)生單項事故時(shí)最大排放量中的最大者,排放量最大的工況也稱(chēng)為主導工況 。 進(jìn)行火炬系統水力學(xué)計算時(shí) , 設計負荷不一定是所有事故中的最大質(zhì)量流量 , 而是流經(jīng)整個(gè)火炬系統時(shí)將產(chǎn)生最大壓力損失的流量 , 比如: 溫度 150℃ 、 平均分子量 16 、 流量100t/h 的氣體與溫度30 ℃ 、 平均分子量 28 、 流量150t/h 的氣體 , 應選用前者(150 ℃ 、 平均分子量16 、 流量 100t/h ) 進(jìn)行火炬系統的水力學(xué)計算 。
2.1外部火災事故
出現外部火災事故時(shí) , 并不是全裝置同時(shí)發(fā)生火災 , 也不是所有的安全閥都會(huì )起跳 。 根據API521 標準: 在缺乏任何控制因素的條件下 ,火災事故的影響范圍一般認為局限在 230m 2-460m 2 , 相當于直徑為 17m-24.2m 的火圈 , 火焰的高度為從可積液的地面或平臺以上 7.62m 。但在實(shí)際設計中 , 要綜合考慮可燃介質(zhì)的數量和種類(lèi) 、 設備布置 、 圍堰的高度 、 地面排水系統 、 自然地形和屏障以及平臺的型式等 , 以便劃分火災的影響范圍。
在確定火災事故的火炬排放量時(shí) , 先劃分火災影響范圍;再對劃分的每個(gè)火災影響區計算其中每臺設備的排放量 , 取其加和作為該火災影響區的總排放量;找出所有火災影響區中排放量最大者作為該裝置發(fā)生火災時(shí)的火炬排放量 。
2.2 公用工程事故
公用工程事故主要是指電力故障,冷卻水 、 儀表空氣以及蒸汽的中斷等 。 公用工程事故的火炬排放量 , 原則上按整個(gè)裝置出現公用工程事故時(shí)各點(diǎn)排放量的總和進(jìn)行計算 。
2.2.1 電力故障
裝置一旦發(fā)生電力故障 , 其所有電驅動(dòng)的設備都會(huì )停止工作 , 如泵 、 壓縮機 、 空冷器等 。 最常見(jiàn)的影響是塔失去回流或者空冷器風(fēng)扇停轉 , 從而引起塔的超壓 。 對空冷器而言 , 當風(fēng)扇停轉時(shí) , 因自然對流效應 , 空冷器仍有部分冷凝功能 ,風(fēng)扇停轉時(shí)的冷凝量為正常負荷的 20%-30%;所以其泄放量可按 70%-80% 的塔頂蒸氣量取值 。
電力系統發(fā)生故障時(shí) , 有可能幾臺塔同時(shí)超壓,這些塔的安全閥亦同時(shí)開(kāi)啟 , 因此需要將此工況下開(kāi)啟的所有安全閥的排放量進(jìn)行加和得到火炬的排放量 。
如果裝置內設置了電驅動(dòng)的冷卻水增壓泵或者冷凍水泵 , 當發(fā)生電力故障時(shí) , 冷卻水或冷凍水泵也將同時(shí)中斷 , 計算火炬排放量時(shí)還需要加上由此引起的排放量 。
2.2.2冷卻水中斷
裝置冷卻水中斷 , 會(huì )造成所有以冷卻水為冷卻介質(zhì)的換熱器失去冷卻能力 。 此時(shí)塔器的塔頂氣體不能被冷凝而滯留其中無(wú)法及時(shí)排出 , 引起塔系統超壓 。 同時(shí) , 由于塔頂氣體不能被冷凝 , 一段時(shí)間后塔也會(huì )失去回流 , 同樣導致塔內超壓 。冷卻水中斷時(shí) , 有可能幾臺塔同時(shí)超壓 , 這些塔的安全閥同時(shí)開(kāi)啟 , 則與出現電力故障時(shí)類(lèi)似 , 將此工況下開(kāi)啟的所有安全閥的排放量進(jìn)行加和得到火炬的排放量 。
電力故障或冷卻水中斷通常為主導工況。
2.2.3 儀表空氣中斷
儀表空氣中斷的直接后果是所有氣動(dòng)的調節閥和開(kāi)關(guān)閥都停到了氣源故障位置 , 即開(kāi) 、 關(guān)或保持原位 。 通常系統設置有儀表空氣緩沖罐 , 當外供儀表空氣中斷時(shí) , 會(huì )有 20-30min 的緩沖 , 同時(shí)裝置也會(huì )借助設置的 UPS 電源 , 維持儀表繼續工作一段時(shí)間 。 這段時(shí)間足夠操作人員對此突發(fā)工況進(jìn)行緊急處理 , 所以全裝置設備超壓的可能性不大, 一般只計算單點(diǎn)儀表空氣中斷引起的超壓排放 。
2.2.4 蒸汽中斷
蒸汽通常是作為加熱介質(zhì) , 蒸汽中斷不會(huì )引起系統超壓 。 裝置內如果有蒸汽驅動(dòng)的泵或壓縮機 , 則需要根據具體情況確定蒸汽中斷時(shí)是否會(huì )引起超壓 。 因為蒸汽透平由失汽到完全停止需要一定的時(shí)間 , 如果在此期間操作人員能進(jìn)行正確處理或能及時(shí)啟動(dòng)備用系統,就不會(huì )引起超壓 。
2.2.5 化學(xué)反應失控
化學(xué)反應失控有時(shí)會(huì )成為確定火炬負荷的主導工況 。 計算化學(xué)反應失控引起的排放量的難度較大 。 通常需要先根據小型模擬實(shí)驗的數據 , 確定系統特征 , 如調合型 、 氣態(tài)型或混合型,再根據系統特征選擇適用的計算公式 。 系統特征分類(lèi)有 : 1)調合型: 反應失控產(chǎn)生的壓力完全是由于反應體系中的蒸氣壓產(chǎn)生 , 在熱失控時(shí)系統內壓力隨著(zhù)反應體系溫度的增加而增加 。 2)氣態(tài)型: 反應失控產(chǎn)生的壓力完全是由于化學(xué)反應過(guò)程中放出的不可凝性氣體所致 。 3)混合型: 隨反應體系溫度的升高,系統內壓力是由反應過(guò)程產(chǎn)生的氣體和蒸氣共同作用的結果 。
化學(xué)反應失控的排放量可以用美國緊急泄放系統設計協(xié)會(huì ) ( DIERS ) 推薦的方法進(jìn)行計算 ,調合型化學(xué)反應失控的排放量也可以按照 SH/T3210 — 2020 ( 石油化工裝置安全泄壓設施工藝設計規范 》 規定的方法計算。
2.3 緊急減壓
裝置的緊急減壓也有可能成為確定火炬負荷的主導工況 。 計算緊急減壓的排放量時(shí) , 應該假設減壓閥是全開(kāi)的,減壓閥上游為被保護設備在排放時(shí)的最高壓力 。 根據工藝需要 , 最高壓力可能是最高操作壓力,也可能是設計壓力加上積聚壓力 。 如果系統中同時(shí)設置了安全閥和減壓閥,一般考慮取兩者中排量較大者作為火炬系統的排放量 , 不考慮同時(shí)排放 。
2.4 單事故
操作人員誤操作 、 調節閥故障 、 換熱管破裂,液體熱膨脹等 , 均會(huì )引起系統超壓 。 但這些工況引起的超壓排放 , 僅會(huì )導致相應系統的一個(gè)或多個(gè)安全閥開(kāi)啟 , 不會(huì )引起多個(gè)系統的安全閥同時(shí)開(kāi)啟 , 所以一般不作為主導工況 。
3 減少火炬排放量的措施
隨著(zhù)裝置規模的日益擴大 , 火炬系統的排放量也相應增大 。 通過(guò)直接或間接的方法,減少火炬的排放量 , 對于節省工程投資和占地 、 減少操作和運行費用,有極其重要的意義 。
3.1 采用防火保溫
防火保溫是指有完整的絕熱保溫層 , 外保護層用不銹鋼板 , 捆扎帶用不銹鋼帶 , 在火災發(fā)生時(shí) , 絕熱材料在 904 七仍能起有效作用且 2h 內不會(huì )被燒毀脫落 , 在消防水的沖擊下不會(huì )脫落 。采用防火保溫 , 可以大幅降低由外部火災引起的火炬排放量 。
3.2 采用水噴淋
根據 GB/T150.1 — 2011( 壓力容器 》 : 當容器置于大于 10L/(m 2•min) 的噴淋裝置下時(shí) ,泄放減低系數為 0. 6 , 因此設置滿(mǎn)足要求的水噴淋,可以顯著(zhù)降低由于外部火災引起的火炬排放量 。
3.3 調整工藝流程
通過(guò)調整工藝流程 , 使排放因系統特性的改變而得到降低 , 從而減少火炬的排放量 。 譬如 , 再沸器的熱源是由電動(dòng)泵輸送的熱油 , 當發(fā)生電力故障時(shí) , 塔回流因為回流泵停電而中斷 , 但此時(shí)塔底再沸器的熱源也因為停電而中止 , 比再沸器熱源采用蒸汽時(shí)的排放量要少;或者提高設備的設計壓力 , 也會(huì )減少火炬排放量
3.4 通過(guò)動(dòng)態(tài)分析減少火炬排放量
事故發(fā)生時(shí) , 裝置內的所有系統不可能同時(shí)達到超壓狀態(tài) , 安全閥也不可能同時(shí)全部排放或在排放周期內不可能以恒定的流量排放 。 根據對工藝流程的動(dòng)態(tài)分析 , 得到 “ 排量-時(shí)間 ” 曲線(xiàn) , 可以得到火炬排放系統的峰值 , 以此進(jìn)行火炬系統的設計 , 比所有系統排放量簡(jiǎn)單疊加得到的排放量要少 。
3.5 采用高完整性保護系統 ( HIPS) 減少火炬排
放量采用 HIPS 可以減少裝置內各壓力系統同時(shí)排放的概率 , 從而減少火炬的排放量 。 如冷卻水中斷時(shí) , 多個(gè)塔同時(shí)失去塔頂冷凝能力 , 此時(shí)塔釜再沸器的熱源供給還在繼續 , 塔仍然有超壓的可能 。 可以設置 HIPS, 當冷卻水流量低或塔系統壓力高時(shí)聯(lián)鎖切斷再沸器的熱量供給 , 消除因冷卻水故障而超壓的工況 , 從而減少總的排放量 。
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