大型石化企业火炬系统设计泄放量的确定

赵 斌

（连云港沃利帕森工程技术有限公司南京分公司，南京 210019）

火炬是用来处理石油化工厂、炼油厂、化工厂及其他工厂或装置无法收集和再利用的可燃性气体或蒸汽的特殊燃烧设施，是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要设施。火炬系统是由火炬气排放管网和火炬装置（简称火炬）组成的。其中火炬装置包括火炬头、火炬气上升管、长明灯、自动点火系统、火炬塔架、分液罐、水封罐和密封器等组成[1]。大型石化企业一般会设置多个火炬，方便同时检修，总图布置比较集中的生产装置可共用一个火炬以节约基建投资，减少操作和维护费用。

火炬系统设计泄放量，即火炬系统负荷，是确定火炬系统设计的关键因素，是火炬系统设计的基础，确定火炬系统负荷是火炬系统及相关生产装置安全运行的保障，可以为总图布置提供合理设计依据，节省投资，减少操作及维护运行费用。对于单个装置所用的火炬系统而言，装置正常生产、开车、停车及各种事故工况下最大排放量可作为火炬系统的设计泄放量；对于多个装置共用的火炬系统而言，火炬系统泄放量的确定就是要对不同装置可能出现的各种事故工况进行逐一分析，并对各种事故工况的泄放量进行计算，然后取泄放量最大值作为火炬系统的设计泄放量。

1 火炬系统设计泄放量的确定原则

1.1 火炬气的来源

通常情况下，火炬气的来源主要有：生产装置无法利用而必须排出的可燃性气体；事故泄压或安全阀排出的可燃性气体；开停车及检修时排出的可燃性气体；液化石油气泵等短时间间断排放的可燃性气体[2-3]。对于热值低于7 880 kJ/Nm3气体，在送入火炬之前，需要进行热值调整。

1.2 各生产装置可燃气体的排放条件

一般来说，各生产装置可燃气体的排放条件包括下列工况：装置开车、停车；火灾工况；停水、停电及蒸汽、循环水、仪表风供应中断等公用工程事故；操作失误、控制阀故障等其他事故[3]。

1.3 事故工况的分析原则

在进行事故分析时，人们需要考虑如下原则：必须坚持单一事故理念，不考虑同时发生两种事故，即不考虑两种或两种以上不同事故在同一区域内发生，也不考虑两个不同区域同时发生两种不同事故；相关联的事故需要考虑叠加，如停电引起循环水或仪表风中断供应等；同一事故引起几个装置排放时，应对各装置的排放“流量-时间曲线”进行叠加，取最大值为该事故时的最大排放量[3]。

无排放流量-时间曲线时，火炬系统设计泄放量需按照如下原则进行确定：

不考虑所有装置均同时最大量排放；每个排放系统在同一事故中的最大排放量，按影响排放系统尺寸最大的某个装置排放量的100%与其余装置排放量的30%之和计算（体积流量），但不应低于该系统中两个不同装置最大单点排放的总量；按上述原则对不同的事故排放量分别叠加后，应取其中总排放量的最大值为该排放系统的设计排放量；排放量最大装置排放量的100%与其余装置排放量的30%之和（质量流量）作为确定火炬高度及火炬安全区域的设计排放量；按上述叠加原则对应的加权平均温度、加权平均分子量及加权平均组成作为火炬及排放管道系统工艺设计的其他设计参数。

2 工程实例分析

根据以上火炬系统设计泄放量的确定原则，笔者对某一大型石化企业，新建的区域性火炬系统Flare 00的设计泄放量进行分析。

该火炬系统Flare00的火炬气来自于4套生产装置，分别为N1装置、P1装置、A1装置及D1装装。火炬气的来源为安全阀的事故泄放，笔者就每个装置引起安全阀开启的事故进行逐一分析，最终得到Flare00的设计泄放量，分析过程如下。

2.1 外部火灾

根据API521，不考虑几个装置同时发生火灾，一个装置外部火灾也不会引起所有安全阀同时开启，而是在局部范围地面以上，火灾事故影响范围介于230～460 m2；工程实践中常采用直径24 m作为火灾圈，约合火灾范围为452 m2；以某点为中心，画个以12 m为半径的圆圈，以此圈内的面积为考虑外部火灾事故范围的基础。分析时，人们要考虑可燃物的数量和位置、地面排水系统的情况及自然地形和屏障对火灾的影响。当遇到多层框架时，如楼面为混凝土或者封闭楼板，需要按照不同楼层单独考虑火灾影响区内的设备的火灾泄放量；如果为格栅板楼面时，只需考虑一层楼面地面以上的火灾影响区内的设备的火灾泄放量。

以N1装置为例，装置为两层框架式结构，楼面为格栅板，其外部火灾只需考虑一层火灾即可。由图1可知，在452 m2火灾影响区内有6个安全阀，外部火灾的泄放总量为8 029 kg/h，如表1所示。其他装置做相似分析，分别得到各个装置火灾泄放量的最大值，它们可作为对应装置发生外部火灾时的泄放量，如表2、表3、表4所示。本文所选取的装置规模较小，一个火灾影响区几乎可以覆盖所有在发生外部火灾时会超压的设备。在设计工程项目中，人们通常会根据实际装置情况划分多个火灾影响区，分别计算各个火灾影响区内的火灾泄放量，取最大值作为该装置发生外部火灾时的安全阀泄放量。

图1 N1装置火灾影响区分析

2.2 电力故障

电力故障可能会对工厂的生产有多方面的影响。所有的电驱动设备都会停止工作，如泵、压缩机、空冷却等。此外，工厂的冷却水系统、仪表风系统等也可能受到影响，因此对于电力故障人们要做具体分析。

《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）指出，因地区大电力网在主网电压上部是并网的，用电部门无论从电网取几回电源进线，也无法得到严格意义上的两个独立电源。所以，双重电源可以是来自不同电网的电源，或者来自同一电网但在运行时电路相互之间联系很弱，或者来自同一个电网但其间的电气距离较远，一个电源系统任意一处出现异常运行时或发生短路故障时，另一个电源仍能不中断供电[4]。这样的电源都可视为双重电源。

从该大型石化企业的供电系统设计来看，除了有两路电源（220 kV）来自外部供电局电网之外（可以视为两个独立电源），工厂还有自备柴油发电机、发电机组等。可以说，除了特殊非预见性的事故（如战争、大地震、特大洪水等）之外，该火炬系统的4套生产装置，其循环水站、仪表风系统供电分别来自不同的变电所，所以4套装置全部停电的可能性几乎是没有的，装置停电同时冷却水及仪表风中断也几乎不可能。因此，对于电力故障的安全阀的泄放量，人们只考虑各个装置停电引起安全阀开启的泄放总量即可（见表1、表2、表3和表4），不考虑4套装置同时停电且同时循环水及仪表风中断供应，此工况不做叠加。

2.3 冷却水故障

冷却水故障会造成所有以水来冷却的换热器失去冷却能力，可能会引起几个设备同时超压，几个安全阀同时开启，各装置循环冷却水故障泄放量需要将有此工况的安全阀的泄放量加和，如表1、表2、表3和表4所示。

4套装置的冷却循环水均来自于一个循环水站，一旦此循环水站出现故障引起循环水供应中断，4套装置的相关设备均会超压排放，因此此工况的总泄放量需要叠加计算，具体方法为：取冷却水故障最大的N1装置的泄放量的100%与其余装置泄放量的30%之和计算，如表5所示。

2.4 仪表风故障

仪表风故障的直接反应是所有气动仪表停止工作和气动阀停在开、闭位置或保持原位。该大型石化企业设计时设置了几个事故仪表风缓冲罐，同时为气动仪表设置UPS电源，可维持仪表一定时间的工作，让装置操作人员进行紧急处理。因此，仪表风故障引起设备超压可能性不大，此工况无排放。

2.5 其他事故工况

操作失误、控制阀失效、换热管破裂等均会引起设备超压，这些工况仅限于某一个装置的某一个安全阀，不会同时引起几个安全阀同时开启，这些工况安全阀的泄放量可能会影响安全阀的额定泄放量的选取。在做安全阀汇总时，人们应将其列出作为采购安全阀的参考，具体情况如表1、表2、表3和表4所示。

表1 N1装置安全阀汇总表

表2 P1装置安全阀汇总表

表3 A1装置安全阀汇总表

表4 D1装置安全阀汇总表

表5 Flare00设计泄放量汇总表

由表1～5可知，火炬系统Flare00的设计泄放量为8 029 kg/h（N1装置的外部火灾），释放温度为148℃，平均分子量为75.5。

3 结语

火炬系统的设计关系到工厂的安全生产，安全是相对的，投资与安全永远是对立统一的，现行的标准规范是衡量尺度。因此，合理地理解和运用标准规范，并对工程实际情况进行具体分析，是火炬系统设计泄放量的基础。本文只涉及四个生产装置，每个装置列出的安全阀数量较少，仅为了说明问题，实际项目情况要复杂得多。本文采用的方法亦可用于多套生产装置、多个安全阀的分析，这样可以大大提高工作效率，保障设计数据的准确性。

1 王松汉.石油化工设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

2 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50160-2008 石油化工企业设计防火规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

3 中华人民共和国工业和信息化部.SH3009-2013石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].北京：中国石化出版社，2013.

4 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50052-2009 供配电系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.