石化项目可燃性气体排放管网系统设置和设计

郭 峰

（众一伍德工程有限公司，上海 200235）

可燃性气体排放系统是石油化工生产中重要的安全环保设施，主要用于处理工艺装置在开停工和事故状态下排放的大量可燃气体。随着装置规模大型化、复杂化，以及临氢装置能力的增加，紧急情况下进入可燃性气体排放系统的燃料气大幅提高。为了保证全厂各装置的安全正常运行，合理正确的设置和设计全厂可燃性气体排放管网系统，已成为石油化工工程项目中尤为重要的全厂性设计工作。

1 全厂可燃性气体排放系统管网的设计过程

1）根据不同排放工况，收集全厂各排放点设计排放条件。

2）根据各装置划分的排放系统、排放压力、组分及回收情况等因素，综合考虑设置划分全厂可燃性气体排放系统。

3）根据排放系统设置情况及各排放点工艺条件，按照《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013）中多套工艺装置可燃性气体排放量叠加原则，确定各管网系统的设计排放量和其他设计参数。

4）完成初步的全厂可燃性气体排放管网系统图，并提供管道专业进行管网布置规划。

5）根据管道和材料专业提供的全厂可燃性气体排放系统管网规划图和材料等级规定，确定各排放管网系统的管道设置参数（如管道长度、材质、管件种类及数量等）。

6）结合以上收集数据，应用Aspen Flare System Analyzer软件计算各系统管网尺寸，以及不同工况下的管网压降、马赫数和排放点处的背压等参数，并不断优化最终确定各系统管网尺寸。

2 排放条件收集

合理正确的设置和设计全厂可燃性气体排放管网的前提是收集到各排放点必要准确的工艺排放数据。大型石化项目装置多，各装置往往是由不同的工程公司或设计院负责，因此排放条件的数据和形式不同，这就需要进行全厂系统工程设计的工程公司或设计院对各装置的输出条件进行统一。由于各装置各类工况一般不会同时发生，且各工况排放气数据不同，因此全厂可燃性气体排放条件也应分工况进行收集汇总。

3 排放系统设置

全厂可燃性气体排放系统管网主要依据《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013）的原则和要求进行设置和划分，根据不同事故工况的排放特点，进行技术经济比较和装置排放安全分析，最终确定设置几个可燃性气体排放系统。

大型石化企业的装置数量较多，且装置处理能力大，各装置的排放压力差别也较大，可按照装置的允许排放背压分别设置高压和低压系统。高压火炬总管其背压较高，允许火炬气沿程有较大的压降，可以有效缩小火炬总管管径，节省材料，减少投资；低压火炬总管背压较低，允许火炬气沿程压力降小，便于安全阀选型[1]。还有一些装置或单元，排放气为酸性气、低温气体、会发生反应或聚合的气体等，此类排放气应单独设立排放系统。

4 设计排放量确定方法

按照《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013），设计排放量叠加的两个前提是不考虑同时发生两种事故，不考虑所有装置均同时最大量排放。在此基础上，按照每个排放系统在同一事故工况中，影响系统尺寸最大的装置排放量的100% 与其余装置排放量的30%之和（体积流量）与该系统中两个不同装置最大单点排放的总量对比，取最大值作为该系统该工况下的最大排放量。然后按上述方法，对不同的事故排放量分别叠加，取其中总排放量（体积流量）的最大值为该排放系统的设计排放量[2]。

如果最大排放量装置排放气体的分子量较小（如含有大量的氢气），则必须比较第二个最大量或第三个最大量与其余30%叠加后对系统尺寸的影响，以影响最大者作为100%部分的取值。

5 排放管网尺寸计算

全厂可燃性气体排放管网通常为汇合式，排放管网总管的管径应保证在设计排量下，管道的阻力降能满足安全阀或泄放阀的最大允许背压。排放管网尺寸的确定一般从火炬头开始，反算全厂可燃性气体排放系统管网装置边界处的各节点的排放背压，保证各节点的背压应低于该点的最大允许背压。

全厂可燃性气体排放系统管网内气流特点在于其密度和速度变化较快，应作为可压缩流体处理。排放系统内的实际流动状态一般介于等温和绝热状态之间，为简化计算的复杂程度，一般采用较为保守的等温方程计算管网的流动阻力：

其中摩擦系数f采用莫迪（Moody）公式：

管道出口马赫数Ma 计算公式：

但一些特殊情况（如深冷工况），绝热流动方程可能更适用[3]，对于气液两相流可以采用Beggs and Brill 压降计算方法。

可燃性气体排放系统管网直径主要取决于可燃气体最大排放量和系统出口允许流速。在背压允许的范围内，火炬气排放管线中介质应保持较高的流速，使之经济合理，马赫数是用来衡量火炬管线流速高低的重要参数。排放系统管网总管的马赫数一般要求小于0.5，支管可比总管略高，但不超过0.7。可能出现凝结液的可燃性气体排放管道末端的马赫数不宜大于0.5。

6 项目应用实例

国内某大型石化项目装置主项见表1。

表1 项目主项表

根据各装置院提供的可燃性气体排放条件，分析不同工况下排放介质组成、温度和允许背压等情况，经安全和经济对比后可将全厂可燃性气体排放系统设置划分为烯烃高压、化工高压、低压以及低温四个排放系统。现以烯烃高压火炬系统为例，阐述可燃性排放系统工艺计算过程。

6.1 收集排放条件，确定排放量叠加方案和设计值

各装置分工况排放条件由装置院提供，经整理汇总后见表2。

由于各装置院提供的均为质量排放量，先将质量流量转化为体积流量，再确定工况叠加值和系统设计值。各工况叠加值及系统设计值见表3。

该系统各工况体积流量叠加均为两个最大单点排放的总量大于最大的装置排放量的100% 与其余装置排放量的30%之和，因此各工况值均为两个最大排放装置流量之和。其中全厂停电工况下的排放量最大，故该排放系统的设计排放量为全厂停电时的工况值1055392m3/h。

6.2 管网模型建立及计算

根据各装置在全厂总图布局情况，初步确定可燃性气体排放管网的走向和管路连接方式，绘制初步的可燃性气体排放管网系统图，采用Aspen Flare System Analyzer 建立管网模型：

（1）从组分数据库中选择排放系统包含的组分。

（2）定义模型环境条件。

①大气压100.76kPa，环境温度21.3℃；外部介质流速5.5m/s；

②管道粗糙度：碳钢为0.2mm；不锈钢为0.1mm；

（3）模型约束与限制条件：

①总管最大马赫数：0.5mach；支管最大马赫数：0.7mach；噪音：100dB；

（4）确定模型计算方法。

①VLE 方法：Compressible Gas；焓值方法：Ideal Gas；

②压降方法：Ideal Gas；摩擦因子方程：Chen。

（5）绘制管网系统图

设定好各种环境参数和约束条件后，在Aspen Flare System Analyzer 中建立排放管网系统图，详见图1。

图1 烯烃高压火炬系统流程图（设计工况）

（6）工艺及管道参数输入

将排放设计条件按确定的叠加方案分工况输入到模型数据中，管道的长度和大小头、弯头等管件数量由管道专业提供，管道尺寸在计算之前可以不给出，由软件根据各工况下泄放量计算得出；也可以根据工程经验先给定一个初值，再由软件进行核算确定。

（7）管网模型计算

Aspen Flare System Analyzer 提供了三种计算模式：设计模式（Design）、核算模式（Rating）和脱瓶颈模式（Debottleneck）。新建项目中可以先采用设计模式计算管网中各管道尺寸，然后再用脱瓶颈模式重新计算，解决其中的背压、马赫数、噪声等查过约束条件的问题。

6.3 计算结果分析

经脱瓶颈计算后，各工况下各泄放点背压，各管段压降和马赫数均符合设计要求。各管段尺寸计算结果见表4。

表4 可燃性气体排放管网计算结果

7 结束语

通过对可燃性气体排放管网设置和设计一般过程的分析和总结，对设计过程中各部分的重点和难点进行了阐述，并总结了国内规范的应用问题。最后通过项目实例，对可燃性气体排放管网的设计计算全过程进行了描述，由项目实例可以得出排放管网合理设置划分、各工况排放量的正确叠加计算以及设置合适的约束条件和选择适合的计算方法是成功设计全厂可燃性气体排放系统管网的关键。