考虑下游风险的火炬放空系统压力给定值优化计算

2021-11-26王海清刘荫许小林刘美晨

化工学报 2021年11期

王海清，刘荫，许小林，刘美晨

（1 中国石油大学（华东）安全科学与工程系，山东青岛266580； 2 中国石油广东石化分公司设备管理中心，广东揭阳522000）

引言

火炬是石油和天然气行业处置受控排放的易燃易爆或有毒气体（及其冷凝物）的重要生产单元[1]。火炬气燃烧是石油和天然气行业能源损失的来源之一，因此如果可以将火炬气回收而不是燃烧，则能在满足环保要求的同时保证经济效益[2-4]。针对回收火炬气的利用，主要包括热电联产厂中利用火炬气对现有热电联产工艺产生的影响等[5]。但当前火炬气回收技术的优化分析仍较少，需进一步研究。

为使尽可能多的火炬气进入火炬气回收系统，一般做法是将火炬放空管线调节阀的给定值在工艺允许的前提下尽可能调高，使分液罐起到一定的缓冲和容纳火炬气的作用：存在一个火炬气放空管线阀门开度减小/关闭而火炬气回收管线阀门（至回收压缩机）尚未开启的阶段，火炬气得以在分液罐中暂时储存。但另一方面，这也可能使某些事故工况下火炬气在分液罐中过多积聚，大量火炬气通过放空阀门导致流量增大，火炬头处的马赫数超高，从而导致火炬系统产生风险。而为了降低风险而对在役火炬管网进行的改扩建，将导致经济成本和产能损失显著升高[6]。因此在保证火炬系统安全的同时将火炬气回收的经济效益最大化，需要对火炬管网压力调节阀的给定值进行合理优化计算。

1 火炬系统与火炬气回收工艺要求

火炬系统主要由火炬气放空系统和火炬气回收系统两部分组成[7]，火炬系统的具体工作流程为：在正常工况下，火炬气经火炬管网汇入分液罐除液，气体不足以突破水封罐水封压力，从而进入燃气回收系统；在事故及非正常工况下，火炬气压力升高，突破水封进入火炬头燃烧放空，避免系统高压及燃气聚集引发的安全风险[8]。火炬系统组件及简图如图1所示[9]。

图1 火炬气处置系统Fig.1 Flare gas disposal system

在外部火灾、停电或停仪表风等紧急工况发生时，泄放火炬气的处理是一个复杂的过程[10]：火炬气通过各泄放单元的安全阀及排放管道进入分液罐，经过分液罐的火炬气则分别通过火炬气回收阀门及火炬气放空阀门的控制，被分离为回收气和放空气。以图1 所示的火炬系统为例，火炬气回收系统由进气阀Vr控制，简记火炬气回收最低允许压力为Pr-min、最高允许压力为Pr-max，回收气的压力工艺参数与火炬气回收单元设备约束（尤其是火炬气压缩机）有关。

火炬气放空系统由压力控制阀Ve和SIS 系统控制的卸压阀Vs（常闭阀）联合控制，简记压力控制阀Ve的给定值为Pe，SIS系统控制的卸压阀Vs的触发值为Ps。分液罐的最大允许压力（或设计压力）为PK-O。此外，分液罐上的安全附件及其保护作用与本文主题无关，故在此忽略不计。

分液罐内压力P逐步增高的过程中，各阀门动作具体过程需要区分如下两种情形。

情形（1）：Pr-max≤Pe的情况

放空管线调压给定值较高，火炬气充分回收但平稳性受到一定影响。当0≤P＜Pr-min时分液罐内火炬气不符合火炬气回收最低压力要求，进气阀Vr关闭；当Pr-min≤P＜Pr-max时进气阀Vr开启，火炬气通过分液罐进入火炬气回收系统；当Pr-max≤P＜Pe时分液罐内火炬气超过火炬气回收最高压力要求，进气阀Vr关闭，火炬气在分液罐中暂时积累并由压力控制阀Ve进行调节；当Pe≤P＜Ps时压力控制阀Ve开度随分液罐压力逐渐增大，火炬气经由分液罐进入火炬气放空主管道；当Ps≤P≤PK-O时SIS 系统控制卸压阀Vs起跳，火炬气同时从火炬气放空主管道和支路泄放至火炬头。

情形（2）：Pr-max＞Pe的情况

放空管线调压给定值较低，火炬气回收量降低但平稳性较好。当0≤P＜Pr-min时分液罐内火炬气不符合火炬气回收最低压力要求，进气阀Vr关闭；当Pr-min≤P＜Pe时进气阀Vr开启，火炬气通过分液罐进入火炬气回收系统；当Pe≤P＜Pr-max时进气阀Vr保持打开，同时压力控制阀Ve开启且开度随分液罐压力逐渐增大进行压力调节；当Pr-max≤P＜Ps时，进气阀Vr关闭，压力控制阀Ve开度随分液罐压力逐渐增大，火炬气经由分液罐进入火炬气放空主管道；当Ps≤P≤PK-O时SIS系统控制的卸压阀Vs起跳，火炬气同时从火炬气放空主管道和支路泄放至火炬头。

考虑上述两种情形的优缺点，事故工况下火炬气回收经济效益应综合考虑火炬气回收量和火炬气回收稳定性两方面：

（1）优先考虑火炬气回收量的情况[即情形（1）]：事故工况下分液罐内压力符合波动上升的特点，根据上述过程可知当分液罐压力处于[Pr-min,Pe]区间内时，进入分液罐的火炬气将被回收，火炬气回收系统的压力要求（即火炬气回收最低压力要求Pr-min及最大压力Pr-max）通常由燃料气系统决定，不易更改，因此理论上压力控制阀Ve的给定值Pe越接近分液罐最大允许压力PK-O，则分液罐压力变化过程中火炬气在分液罐中暂时积累越多，火炬气回收量越大;

（2）优先考虑火炬气回收稳定性的情况[即情形（2）]：当Pr-max＞Pe时，由于压力控制阀Ve有帮助分液罐压力稳定在给定值Pe的作用，因此相较于Pr-max≤Pe的情况，分液罐压力更难超过火炬气回收管线进气阀Vr关闭的临界值Pr-max，火炬气回收系统能更加稳定地回收。对于对火炬回收压力及回收量稳定性要求较高的厂区应优先考虑Pr-max＞Pe的设计。

2 放空管线压力控制阀的给定值优化计算

火炬头的火炬气流速超高将导致马赫数超高，进而对火炬系统造成以下危害：气体的流量过大,火焰升到烧嘴之上与空气湍流混合, 会产生离焰（即火焰会离开火炬顶部一定的距离）,并发生严重的颤动，火炬系统火焰的上升会引起可见污染[11-12]；若流量继续增加，火焰继续往上浮, 将有火焰熄灭的危险,即“脱火”现象[13-14]。控制火炬塔不出现“脱火”现象的主要措施是控制火炬出口处的马赫数[15-16]。根据API 521《Pressure-relieving and Depressuring Systems》等标准[17-18]，对于偶然发生特大事故状态时的瞬时峰值下释放气体的马赫数不高于0.5。

计算压力控制阀Ve最佳给定值需要综合考虑火炬头马赫数风险、火炬气回收单元的工艺约束和需求以及火炬气回收经济效益。压力控制阀Ve最佳给定值具体计算方法流程见2.1-2.2节，该方法基于以下假设：

（1）火炬系统上游泄压负荷支路已优化且不存在安全阀背压超高风险[19-21]；

（2）火炬气在泄放过程中气体组分保持不变。

2.1 马赫数约束条件下的放空阀压力给定值计算

事故工况下火炬头马赫数符合要求的放空管线压力控制阀给定值的计算流程如下。

（1）确定放空管线压力控制阀给定值的初始值及其最佳给定值所在区间。已知压力控制阀Ve初始给定值为Pe，则阀门Ve给定值的取值Re属于区间[Pr-min,PK-O]；为不失一般性，假设分液罐后存在n个由SIS系统阀门控制的支路，其触发值分别为Ra、…、Rn，则Ra至Rn也应属于区间[Pr-min,PK-O]。由于支路起分担主管道火炬气的作用，因此一般有Re＜Ra＜Rb＜…＜Rn。

（2）在区间[Pr-min，PK-O]内为放空管线压力控制阀给定值取值。在[Pr-min,PK-O]之间等距取值Rei作为压力控制阀Ve给定值的可能取值（其中0＜i≤N），假设共取N个取值，推荐N的初始值应满足N≥10，压力控制阀Ve最佳给定值属于集合{Re1,Re2,…,ReN}。

火炬管网的n个泄压支路仍在[Pr-min,PK-O]之间等距取值，则第1 支路阀门最佳给定值属于集合{Ra1,Ra2,…,RaN}，…，第n支路阀门最佳给定值属于集合{Rn1,Rn2,…,RnN}。

（3）估算每组取值对应的火炬头最大马赫数对于每组放空管线压力控制阀给定值的取值，按照以下步骤计算火炬头处火炬气的最大马赫数：

①取一组取值（Rei,Rai,Rbi,…,Rni）

②估算火炬头流速最大值

若火炬放空管网控制阀门拥有足够的调节能力，压力控制阀处于完全开启状态且SIS 系统控制的卸压阀起跳时火炬气流速达到最大，此时分液罐内压力为Rni；若火炬放空管网控制阀门调节能力不足以承受事故工况下火炬气最大流量，则压力控制阀完全开启且卸压阀起跳后分液罐内的压力将继续升高，因此该情形下分液罐内压力达到PK-O时放空管道的火炬气流速达到最大。

火炬气为可压缩流体，在放空管道内将经历复杂的压力、密度及流速的变化过程，准确计算火炬头处火炬气流速需要进行复杂的积分过程[22-24]。本文采用以下方法估算火炬头处最大火炬气流速：通过理想气体状态方程估算火炬头处火炬气最大流速，火炬头火炬气流速最大值vmax由式（1）估算。

其中,P为分液罐内绝对压力，Pa；Pair为当地大气压，Pa；ρe为分液罐内火炬气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Δh为放空管道与分液罐连接处管道中心同火炬头的高度差，m；M为火炬气的平均摩尔质量，kg/kmol；R为气体常数，J/(mol·K)；T为分液罐内火炬气温度，K；Rni为第i组取值中放空支路卸压阀给定值的取值，Pa；PK-O为分液罐的最大允许压强，Pa。

③计算最大火炬气流速对应的火炬头马赫数

马赫数的计算应按照标准API 521 提供的计算方法，或使用遵循标准要求的相关软件计算（例如严格执行API 521 标准的ASPEN 系列软件等[25-27]）。火炬放空管网控制阀门给定值的取值（Rei,Rai,Rbi,…,Rni）对应的火炬头马赫数最大值Ma(Rei,Rai,Rbi,…,Rni)由式（4）、式（5）计算。

其中，Ua为声速，m/s；k为火炬气绝热指数；ρf为火炬头处火炬气密度，kg/m3。

（4）得到火炬头马赫数达标的放空压力调节给定值的取值区间。简记事故工况下火炬头马赫数的厂区允许最大值为Mar，在区间[Pr-min,PK-O]内符合马赫数要求的放空回路压力控制阀给定值的取值集合为φR={(Rei,Rai,Rbi,…,Rni)|Ma(Rei,Rai,Rbi,…,Rni)≤Mar,0≤i≤N}，集合φR内每组取值对应的火炬头最大马赫数的集合为τMa={Ma(Rei,Rai,Rbi,…,Rni)|Ma(Rei,Rai,Rbi,…,Rni)≤Mar,0≤i≤N}。简记集合τMa中马赫数的最大值为Mamax，若Mamax-Mar≤0.005，则满足精度要求，输出放空回路压力控制阀给定值的取值集合φR；否则，重置取值组数N，令N=10N，并重复步骤（2）～步骤（4）。

2.2 考虑火炬气回收工艺要求的压力给定值

在2.1 节得到的马赫数达标的阀门给定值集合φR内寻找火炬气回收经济效益最佳的阀门给定值，计算流程如下。

（1）假设集合φR内共有J组阀门给定值的取值，选取一组取值（Rej,Raj,Rbj,…,Rnj）。

（2）计算取值（Rej,Raj,Rbj,…,Rnj）对应的火炬气回收量。

集合φR内各组取值的火炬气回收量计算需分情况讨论。

①压力控制阀Ve给定值的取值位于[Pr-min,Pr-max)内

在马赫数符合要求的阀门给定值的取值集合φR内，当取值位于[Pr-min,Pr-max]内时（即情形2，符合Pr-max＞Pe），火炬气回收量mr由式（6）计算。

其中，Rej为第j组压力控制阀给定值的取值，Pa；Pr-min为火炬气回收最低压力，Pa；Pr-max为火炬气回收最大压力，Pa；V为分液罐内蒸汽空间，m3；Dr为火炬气回收管道的管道直径，m；De为火炬气放空主管道的管道直径，m。

②压力控制阀Ve给定值的取值点位于[Pr-max,PK-O]内

当取值点位于[Pr-max,PK-O]之间时[即情形（1），符合Pr-max≤Pe]，火炬气回收量mr由式（7）计算。

（3）若集合φR内所有取值对应的火炬气回收量计算完毕，则进行步骤（4）；否则，重复步骤（1）～步骤（3）。

（4）若厂区对火炬气回收稳定性有较高要求，则火炬气回收管道压力控制阀最佳给定值应当选择集合φR内属于区间[Pr-min,Pr-max)且满足工程裕量的最大火炬气回收量对应的取值点；若厂区对火炬气回收稳定性无要求或要求不高，则火炬气回收管道压力控制阀最佳给定值应选择集合φR内属于区间[Pr-max,PK-O]且满足工程裕量的最大火炬气回收量对应的取值点。

放空管线压力控制阀的最佳给定值优化计算方法的流程如图2所示。

图2 放空管线压力控制阀最佳给定值优化方法计算流程Fig.2 Optimized calculation process of the optimal set value of the pressure control valve of vent line

3 案例分析

本文以某厂区火炬系统为例，使用上述方法求取火炬放空管网阀门的最佳给定值。某厂区火炬系统在事故工况下最大需容纳泄放流量为45455 kg⋅h-1的火炬气，事故工况下火炬系统放空管线控制阀门具有足够的调节能力。火炬气组分及物理性质如表1 所示。火炬头与分液罐出口的高度差为75 m，当地大气压为1.01325×105Pa。厂区要求火炬头马赫数不应超过0.5，该厂区期望回收火炬气具有较高稳定性。

表1 某厂区火炬气组分及物理性质Table 1 Flare gas composition and physical properties in the plant

根据厂区提供的数据已知：立式分液罐的罐体直径为3 m，事故工况下分液罐内液位为0.2 m，分液罐内的蒸汽空间为12.717 m3；火炬气回收管线的公称尺寸为DN150，由进气阀Vr控制，火炬气回收系统允许压力的下限Pr-min为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa），上限Pr-max为0.3 bar；火炬放空管线主管道的公称尺寸为DN250，由压力控制阀Ve控制，其开度由分液罐顶部压力控制，初始给定值为0.6 bar；火炬放空管线的支路由SIS 系统压力联锁保护回路控制，当分液罐顶部压力达到0.7 bar 时触发打开卸压阀Vs；分液罐的设计压力为0.8 bar。

3.1 判断当前阀门给定值是否导致马赫数超高风险

根据进气阀Vr、压力控制阀Ve、泄压阀Vs的初始给定值，分液罐内压力上升过程中各阀门的状态随压力的变化如表2所示。

表2 分液罐内压力上升过程中各阀门状态随压力的变化Table 2 The state of each valve changes with the pressure during the pressure rise in the liquid separation tank

由上述厂区资料可知泄压阀Vs（初始）触发值Pe-s=0.7 bar=7×104Pa，火炬头与分液罐出口的高度差为Δh=75 m，根据式（1）、式（2）、式（3）可得分液罐内火炬气密度ρe=4.163 kg/m3，火炬头处最大火炬气流速vmax=187.358 m/s。根据式（4）、式（5）可得，Ua=313.732 m/s，Mamax=0.597。因此，该厂区火炬头处存在“脱火”风险。

3.2 计算压力控制阀Ve的最佳给定值

前述计算已表明当前的“初始”控制配置方案，会导致火炬头马赫数超高，因此需要在“脱火”风险约束条件下的给定值区间内，优化计算压力控制阀Ve、卸压阀Vs的最佳给定值。

（1）确定压力控制阀Ve给定值的取值区间

火炬气放空压力调节阀的给定值应介于火炬气回收最低压力Pr-min与分液罐的最大允许压力PK-O之间，且卸压阀Vs的触发值与分液罐设计压力至少保持0.1 bar 的差值。此外根据仪表精度和响应时间等工程经验，卸压阀Vs的给定值一般在压力控制阀Ve给定值的基础上增加0.1 bar，因此在[0.1,0.7]内均匀取N组取值，令N的初始值为N=10，则取值情况如表3所示。

（2）计算火炬口马赫数符合安全要求的阀门给定值的取值集合

对表3 内压力控制阀Ve、卸压阀Vs的每组给定值取值做以下计算：

表3 压力控制阀Ve、卸压阀Vs给定值的可能取值Table 3 Possible values of given values of pressure control valve Ve and pressure relief valve Vs

①依据式（1）～式（3）估算阀门给定值取值对应的火炬头处火炬气最大流速；

②依据式（4）及式（5）计算火炬头处最大马赫数。

计算结果如表4 所示。由表4 可知火炬口马赫数符合要求的压力控制阀Ve、卸压阀Vs给定值的取值集合φR={(0.15,0.25),(0.2,0.3),(0.25,0.35)}，集合φR中阀门取值对应的火炬头马赫数最大值Mamax=0.479，Mamax-Mar=0.021，不满足Mamax-Mar≤0.005 的精度要求，则重置取值组数N，令N=10×10=100，即在[0.1,0.7]内均匀取100 组取值，并对每组取值计算火炬头火炬气最大流速及火炬头最大马赫数，计算结果如表5所示（因篇幅原因选取部分进行展示）。

表4 N=10时各组取值对应的火炬头马赫数Table 4 Mach number of the flare head of each group when N=10

由表5 可知取点序号1～39 对应的火炬头马赫数符合安全要求，此时取点序号1～39对应的火炬头马赫数最大值Mamax=0.500，Mamax-Mar=0，满足Mamax-Mar≤0.005的精度要求，因此更新火炬头马赫数符合厂区要求的取值集合φR={(0.105,0.205),(0.11,0.21),(0.115,0.215),…,(0.29,0.39),(0.295,0.395)}（对应取点序号1～39）。

表5 N=100时各组取值对应的火炬头马赫数Table 5 Mach number of the flare head of each group when N=100

（3）考虑火炬气回收经济效益的压力控制阀Ve最佳给定值

根据2.2 节可知集合φR={(0.105,0.205),(0.11,0.21),…,(0.29,0.39),(0.295,0.395)}中（对应取点序号1～39）的取值符合Pr-max＞Pe[情形（2）]的情况，满足厂区对火炬气回收压力稳定性的较高要求，因此压力控制阀Ve及卸压阀Vs给定值应选取集合φR中最大火炬气回收量对应的取值。根据式（6）计算火炬气回收量，火炬气回收量计算结果如表6所示（因篇幅原因展示部分结果）。根据表6的计算结果可得，压力控制阀Ve给定值为0.295 bar，卸压阀Vs的触发值为0.395 bar 为火炬放空管道控制阀门的最佳给定值。可见初始配置方案更倾向于经济效益，需要进行调整以避免脱火的风险。