国外某油田中心处理站火炬管网的设计

肖飞

（胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营257026）

国外某油田中心处理站火炬管网的设计

肖飞

（胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东东营257026）

根据装置紧急泄放的要求，国外某油田中心处理站需要布置完善的火炬系统，以满足装置区域内的应急工况。文章通过对站内火炬管网的设计计算，总结出火炬管网的设计计算流程，并对安全泄放装置泄放量的计算、火炬管网的分析和校核重点、对设计的优化等进行了讨论。

火炬管网；设计；校核；优化

0 引言

国外某油田中心处理站位于波斯湾西北部，其一期建设规模产油量为750万t/a，产气量为500万m3/d。中心处理站主要功能包括进站段塞流捕集、油气水三相分离、原油脱盐及稳定、原油储存以及外输、天然气增压及脱水、天然气外输以及气举增压等。中心处理站生产装置根据原油密度不同分为重油和轻油生产列，其中重油1列，轻油2列。重油和轻油在分别进行三相分离、原油脱盐以及稳定之后，经泵增压外输。重油分离区和轻油分离区分出的天然气汇合之后经过两级增压、脱水，一部分用于站内自用，一部分用于气举，其余部分外输。

根据装置紧急泄放的要求，中心处理站需要布置完善的火炬系统，用于当装置区域内出现应急工况时（如火灾、泄漏或者设备检修）对系统进行泄压，泄放出来的气体经过火炬管网在火炬头上燃烧，保证装置安全生产，减小对环境的影响。

1 火炬系统组成

火炬系统由安全泄放装置、火炬管网、火炬分液罐以及火炬塔等组成。安全泄放装置通常包括安全阀、蒸气减压阀（BDV）、容器分程调节阀（用于容器需要保持在某一特定压力时多余气体的放空）。火炬管网包括安全泄放装置的出口尾管、每列装置的汇管以及全厂的泄放总管。根据设计准则要求，火炬总管的流速要求低于0.2马赫，火炬分支汇管的流速要求低于0.5马赫，安全阀尾管的流速要求低于0.7马赫。

为了保证低压容器的安全阀背压在高压设备泄放时不会超过允许的背压要求，站内火炬管网分为高压和低压两个火炬管网。设计压力高于1 MPa的设备安全阀、BDV阀门和调节阀放空全部排进高压火炬系统，低压火炬系统接收设计压力低于和等于1 MPa的设备安全阀、BDV阀门和调节阀放空。高低压火炬系统均设计有各自的火炬分液罐、火炬点火系统、火炬塔等，在工况分析中也是对高、低压系统分别进行分析和计算。

火炬分液罐用于分离放空气体中携带出的液滴和闪蒸气低温冷凝出的液体。通常火炬分液罐能分出直径300~600 μm液滴，并且能分离持续释放20~30 min携带出来的液体。

火炬塔的高度是根据火焰产生的辐射热强度来确定的，同时该高度也会影响到安全阀的背压。火炬塔高度计算时需要对两个火炬系统的热辐射强度进行叠加，以此来判断在该辐射强度下人能忍受的时间。火炬头尺寸必须要满足流速要求，流速太高容易引起燃烧不充分，流速太低容易引起火炬头过热和腐蚀损坏。火炬头带有分子封以防止空气进入，同时在火炬主管尾部引入吹扫气来防止逆燃。

火炬管网的设计是整个火炬系统设计中最复杂的部分，需要经过多次的反复迭代以及校核计算来确认。在本项目中，火炬管网的设计按照图1的流程进行计算和校核。

图1 火炬管网设计流程图

2 安全泄放装置泄放量计算

安全泄放装置泄放量计算是整个管网计算的基础。

2.1 安全阀泄放量计算

引起设备超压的三个主要原因，一是火灾，二是操作故障，三是动力故障。安全阀的泄放量应视工艺过程的具体情况进行确定，对容器超压的各种可能性进行分析，并对可能发生的工况分别计算，以确定最大泄放量，但不应将各种不利的情况考虑在同一时间发生。

对于火灾工况，首先要根据暴露在火中的容器尺寸以及液位（通常选择高液位）来计算容器的湿润面积，再计算火灾工况下吸收的热量。根据容器内液体的组分可以确定汽化潜热（随容器内液体的组分变化而变化），然后可以计算得到在某一时间段内火灾状态下的安全阀泄放量。将所有时间段内的泄放量与时间的关系画成曲线图，就可以求得安全阀泄放的峰值，以此作为安全阀泄放量的设计值。

堵塞工况则是由在容器出口处阀门误操作关闭或者阀门出现问题造成的，此时需要泄放的量为进入设备的物料总量。

动力故障发生时比如电力中断造成的冷却水循环泵和空冷器等停运，则安全阀的泄放量需要通过对比各种不利工况，从中选择最严格的工况来确定。当空冷器停运时，空冷器靠空气自然对流仍能担负一部分负荷，在计算中确定热源时需要减掉空气自然对流的负荷。

水力膨胀也是常用到的工况之一，由于温度的升高而引起体积的增加。水力膨胀通常发生的工况有：换热器的冷流被堵而热流继续流动，体积膨胀量需要释放；管道或容器在充满液体的时候被堵，并受到日光的直接照射，液体体积膨胀量需要释放。对充满液体的两个截断阀之间的容积超过0.6 m3的管段，需要在该管段上设置泄放阀。泄放阀的泄放量需要根据体积膨胀系数计算。

2.2 蒸气减压阀泄放量计算

当金属材料的温度由于火灾或者失控的工艺反应而增加甚至超过容器的设计温度时，金属材料有可能处于应力破坏的状况。使用蒸气减压是避免这种现象的一种办法，可以在较短的时间内将压力降到安全的水平。通常情况下，蒸气减压阀是和孔板联合使用的，阀门主要用于泄放管路的开关，孔板用来分担压降，减小对阀门的冲刷。蒸气减压阀（BDV阀）以及孔板孔径的大小需满足在15 min内将容器的内部压力减小到设计压力的一半或者其与0.69 MPa两者之间的较小值。

蒸气减压的泄放量通过HYSYS软件进行计算。首先需要计算泄放容器以及相连管路的容积和确定与气液相接触的设备及管道的质量，而后在HYSYS中对容器泄压进行模拟（见图2）。

图2 蒸气减压泄放计算输入界面示意

在模拟蒸气减压过程中，设计准则要求减压泄放初始压力按照容器的设计压力计算，热辐射按照API 521 2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems的火灾工况计算，以确定BDV阀门的最大泄放量（见图3）和孔板的额定流量Cv值（见图4）。

根据软件计算得到的峰值泄放量（作为该蒸气减压阀的泄放量），计算得到孔板的Cv值来确定孔板的孔径。

3 火炬管网计算

3.1 工况分析

火炬管网尺寸要满足在任意工况下泄放系统泄放量总和的要求，所以在火炬管网的计算中要对多种工况进行比较，选择泄放量最大的工况作为设计工况。在确定火炬管网泄放量时，应综合考虑生产设施的类型、总图布置、火区划分以及泄放装置的泄放工况。火炬管网的分析计算采用专业软件进行。

3.1.1 泄放系统泄放量分析原则

（1）不考虑两个火区同时发生火灾。

（2）在发生火灾的区域内不考虑同时有其他事故发生。

（3）根据设计准则要求，着火的火池面积可看作直径为24 m的圆周面积，暴露在火池中的设备从容器的设计压力开始泄放。

（4）火区面积较大时，应考虑火灾对同一火区内其他装置的影响。在某一火区内确认发生火灾后，该火区内未暴露在火池中的其他设备的泄放阀根据紧急泄放的要求会打开进行泄压，该部分设备泄压的初始压力按照正常操作压力考虑。

（5）对压缩机装置，泄放压力通常按照压缩机进出口截断阀之间所有设备的平衡压力来考虑。

3.1.2.四种主要工况

在工况分析中，主要对ESD-0全厂性泄放、天然气外输放空、局部火灾以及公用系统失效等各个工况进行分析。

（1）ESD-0级泄放是由全场突发性事故引起的，为应对事故，由操作人员手动按钮关断井口阀门以及进出站管道阀门，并同时打开全厂所有的BDV阀门进行全厂性泄压。此种工况泄放总量可由所有的BDV阀门的泄放量累计计算得到。如果火炬管网的设计规模也包括二期，预留设备的泄放量也需要计算出来并累计到全厂泄放总量中。

（2）天然气外输放空的原因可能是由于天然气外输出口的阀门误操作关闭，或者是外输气未能达到外输质量要求，也有可能是因为外输管道泄漏造成的。此时天然气外输管道出口阀门关闭，泄放量为全部的外输天然气流量。

（3）局部火灾状况只考虑在全厂内某一区域发生火灾。中心处理站内共划分为29个火区，其中有可能发生火灾的区域共有15个。在有可能发生火灾的区域，当装置内部的火气探头检测到火灾发生后，该区域内部所有设备的BDV阀门会自动打开泄放。在计算该区域发生的泄放量时，暴露在火池中的设备初始泄放压力按照设计压力考虑，没有暴露在该火池中的其他设备的初始泄放压力按照操作压力考虑，对该区域中所有设备的泄放量进行累计就可以计算出该区域发生火灾时的泄放量。

（4）公用系统失效。比如仪表风等系统失效，全厂内的关断阀会关闭，BDV阀门会打开泄放，此时所有的BDV阀门泄放的初始压力按照操作压力计算。

相对于以上几个工况，单个安全阀或者减压阀的泄放量通常都会远远小于以上四种工况，所以，通常在确定管网的设计参数时不考虑单个阀门的泄放量，单阀泄放仅用于计算安全阀的背压，以判断是否满足背压要求。

3.2 模拟计算

首先根据总图布置、管网尺寸以及ISO图中管道长度以及管件数量建立模型，在模型定义中输入当地的环境参数以及管道壁厚等基础数据，并录入管道流速、噪音等限定条件。其次根据分析的各种工况建立模型，最后在各个可能发生的泄放工况中分别输入每一个阀门的泄放量、泄放温度、安全阀的计算尺寸等。本项目建立的火炬管网计算模型如图5所示。

高压火炬共计算了36个工况，低压火炬共计算了21个工况。在每一个工况中都需要对安全阀背压、管道内气体流速、噪音等进行校核，对某些超出限定值的节点或者管段要重新调整管径，甚至调整某些设备的布局，直到所有参数都在允许的范围内。

4 优化分析

在本项目的火炬管网设计中，由于受设计准则的限制，计算中有些过程比较保守，导致计算结果偏大、火炬塔高度偏高，从而造成费用增加。在整个管网计算中尚有优化的空间，为以后的设计提供借鉴。

（1）在火炬管网设计中计算BDV阀门的泄放量时，暴露在火灾中的容器按照在设计压力条件下进行计算，但是本项目中工艺装置区内布置有非常完善的火气检测系统，通常在发生火灾几秒钟内火区内部的BDV阀门会全部打开泄放，而此时容器内部的压力还不会达到设备的设计压力，所以即使该设备暴露在火池中，初始泄放压力也可以按照操作压力进行计算。

（2）根据设计准则的要求，在计算BDV阀门的泄放量过程中，热辐射都要按照API 521的火灾工况来计算。对于暴露在火池中的容器，热辐射计算可按照文件规定执行，但是没有暴露在火池中的设备则无需按照API的火灾计算公式计算，因为没有暴露在火灾中的容器没有受到火灾的热辐射，泄放时热力学计算应该按照绝热膨胀来处理，所以对于此部分设备的热辐射可以按照绝热公式进行计算。

[1]倪浩，王磊，曾树兵，等.海上生产设施火炬管网的分析[A].2009年度海洋工程学术会议论文集（下册）[C].厦门：中国造船工程学会近海工程学术委员会，2009.110-114.

[2]SY/T 10043-2002，泄压和减压系统指南[S].

[3]黄汉京.石油化工可燃气体或蒸气排放系统的消防安全设计[J].石油工程建设，2006，32（6）：16-19.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.006

肖飞（1981-），男，湖南洞口人，工程师，2002年毕业于石油大学（华东），主要从事油气集输设计工作。

2011-08-03