泄放分析与火炬系统优化

背景

您在火炬系统的设计和决策中是否遇到如下问题?

  • 在扩能改造的项目中,无法评估原来的火炬系统是否够用;
  • 在新建工厂的项目中,由于估计的泄放量太保守而导致火炬系统的尺寸过大;

SimTech可以提供帮助。

问题的根源

无论是设计院或是业主,火炬系统的设计或决策往往都是一项十分棘手的工作,体现在:在现有装置的扩能改造项目中, 缺乏系统方法评估原有火炬系统的富裕度,没有充分依据判断其是否能满足新的排放要求,最终往往出于安全考虑而不得不新建火炬。 一方面是投资增加,另一方面,如果没有可靠手段对排放量进行准确量化,即使新建了火炬,在未来的扩能改造项目中,新建的火炬是 否能满足新的要求仍然是一个无法回避的问题。

在新建工厂的项目中,由于估算泄放量太保守导致全厂火炬总管过大,造成投资增加甚至设计困难,而如果要缩减全厂泄 放总量时,又没有量化数据作为决策的支撑,存在安全风险。 上述问题在国内十分普遍,究其原因,最核心的根源在于缺乏有效 手段对装置的泄放量进行合理的分析和计算。

泄放是炼化装置关键的安全手段,在设计阶段对泄放过程进行量化分析是一项重要的、必不可少的工作,而对业主来说,美 国等发达国家对泄放有十分严格的规定,比如美国OSHA规定炼厂需要委托专门机构,定期对安全阀泄放量和火炬系统容量进行评估和审查 等,以避免可能的安全风险。泄放分析主要包括单设备泄放量的确定、全装置以及全厂总泄放量的叠加分析,由于泄放工况的多样性以及 过程的动态性与复杂性,泄放分析一直是设计中十分困难的工作,比较典型地体现在:

  • 工艺专业难以提出清晰的泄放工况及其泄放量,或校核专利商的泄放数据;
  • 工艺和储运专业没有可靠方法确定装置和全厂的叠加泄放总量;
  • 估算泄放量太保守导致全厂火炬总管过大,造成投资增加甚至设计困难;
  • 在全厂叠加总量需要缩减时,没有量化数据作为决策的支撑,存在安全风险;
  • 在扩能改造的项目中,缺乏可靠方法评估原来的火炬系统是否够用;
  • 没有系统分析主动缩减措施(如HIPS)的可行性;

优化方法

SimTech采用API法和动态模拟相结合的方法进行泄放分析和火炬系统优化,一般项目分为三个阶段完成,分别是:

第一阶段分析的基本宗旨是,采用API 521规范的方法,详尽地对各装置进行泄放分析,第一阶段分析是全部工作的基础,其两大基本原则是:1)必须符合最新版API 521的规范;以及2)必须保证是保守的。

第一阶段主要工作包括稳态建模、所有被保护设备的泄放工况的确定、假设条件的确定、泄放量的计算等,还包括加氢等装置紧急泄压的计算。API 521中是行业公认的泄放和泄压分析的规范,API法以该规范为基本依据,根据对工艺流程和控制系统的分析,确定单设备适用的泄放工况,并根据规范中的原则以稳态模拟为基础和工具,确定泄放量和物性。

SimTech采用自主开发的SIMTECH RELIEF ®软件分析和计算。

由于多种原因,部分国内设计院对该方法的应用存在误区。以蒸馏塔为例,国内大多采用“塔顶气相法”,即将设计工况下塔顶的气相量作为该塔最大泄放量提条件。而国外同行公认的是采用API规范中提到的“非平衡热负载”方法,即泄放工况下不平衡的热量加载到塔顶液相时所产生的气相量。有足够多的实际案例表明(表1),“塔顶气相法”不能保证所提泄放量是安全和保守的,只能作为前期设计时粗略地估算,不适合作为设计依据。

表 1 塔顶气相法和非平衡热负载法比较

第二阶段分析的基本宗旨是泄放量的缩减,主要分为如下几个步骤:

  • 动态单设备分析:在第一阶段基础上,根据一系列判断依据,对需要进一步动态分析和优化的设备,建立严格动态模型,分析在事故工况下的动态泄放行为,得到单设备的动态泄放曲线(典型泄放曲线如图1)。
  • 装置的动态叠加分析:对若干具有物料和能量相关性的设备进行整体的分析,即在同一事故工况多个泄压设备同时开启时的叠加分析,典型的叠加曲线如下图2。
  • 主动缩减分析:根据实际条件,对泄放量大的被保护设备,采用工艺和设备变更、操作工干预、HIPS等主动方式,减少或消除其超压泄放,从而减少火炬系统负荷并减少事故排放。

动态模拟是目前进行泄放分析最佳的技术手段,也是API规范最新版本(API STD 521第六版2014)中推荐的方法,规范中提到“…动态模拟是更好地确定泄放量的方法并能更好地理解整个泄放发生的过程…”。国际众多知名专利商、工程和咨询公司均有大量案例报道运用动态模拟解决炼油、乙烯、芳烃、油气处理、LNG等装置的泄放和全厂火炬的分析问题。

泄放过程具有典型的动态属性, API方法则是基于静态思路计算且要保证安全性,往往过于保守。但动态模拟是基于严格机理模型,在同样符合API 521规范的前提下,能考虑上下游的耦合关系,因而模拟的泄放量相比API方法往往有大幅度的下降(表2),在全厂停电事故工况下的全装置的动态叠加图如图2所示。动态模拟是在保证安全的前提下对泄放量进行合理缩减的有效手段。

图 1 动态单设备泄放曲线
表 2 传统API法和动态模拟法的泄放量比较
图 2 动态泄放叠加图

第一阶段和第二阶段并非完全割裂的,SimTech采用自主开发的循环迭代方法,对第一和第二阶段的分析进行系统化分析,旨在得到最优化的单设备最大泄放量和每个装置的最大泄放总量。

第三阶段分析的宗旨是围绕全厂的火炬管道本身,对火炬系统的管道尺寸、背压等进行核实,并基于已分析的装置叠加曲线,并根据泄放物料可压缩(Packing效应)等基本原理,进行优化分析,主要工作包括各装置泄放量的线性化处理、全厂泄放的动态叠加、火炬系统背压和马赫数的动态分析、管线动态传热分析等,旨在得到最优的管径,并且通过管壁温度的严格分析,为管线材质的选择、膨胀弯数量的优化等提供依据。

三个阶段分析完成后,将得到如下数据和信息:

  • 各装置被保护设备的泄放工况及其最大泄放量;
  • 各装置排向各火炬系统的最大泄放量;
  • 全厂各火炬的最大泄放量;
  • 全厂各火炬的最佳尺寸及对应的最大背压和马赫数;

效益

本项目可能的效益主要来自于:

  • 在详细数据的支持下,降低火炬系统尺寸或消除新建火炬的需求,预期效益将达千万元级别。
  • 摸清现有老装置和新建装置的最大泄放总量,为将来进一步扩能改造时火炬系统的配置安排提供基础依据。
  • 从安全性方面,对现有老装置的泄放和火炬系统进行彻底的分析和评估,杜绝由于安全阀或火炬系统的不合理设置而造成的潜在风险。
  • 通过主动缩减措施,减少或消除工厂运行中的火炬气排放,预期长期效益将达千万元级别并减少对环境的影响。
  • 减少安全阀的尺寸或个数,从投资和对安全阀维护的角度,预期效益将会有数百万元级别。
  • 通过火炬管道壁温的严格分析,减少新建火炬管道膨胀弯的数量。

以SimTech公司完成的中委合资广东石化2000万吨/年炼厂项目为例,仅在设计阶段的效益超过4,000万元人民币。

业绩

SimTech与中国石油华东设计院合作,成功完成了中委合资广东石化2000万吨/年炼厂全厂13套装置的泄放分析以及3条火炬总管的泄放量叠加、管线尺寸和管壁温度等的计算。通过详细分析,不仅将3条火炬总管的尺寸降低了几个等级(比如低压火炬总管的排放总量从最初的3,000 t/hr缩减至850 t/hr),从而为设计院和业主的火炬系统决策提供了可靠的基础数据。

SimTech与淄博齐翔腾达化工股份有限公司和齐鲁设计院合作,对包括40万吨/年混合脱氢为主的整个北区工厂全部装置,通过三个阶段的泄放分析和缩减措施的可行性分析,将原设计的2,700 t/hr的最大泄放总量,缩减至530 t/hr,彻底解决了业主受地面火炬处理能力限制的头痛问题。同时减少了部分泄放量大的设备的安全阀尺寸(或数量)。

SimTech与中石化工程公司(SEI)合作,对马来西亚石油公司PetroNas炼厂项目的常压蒸馏和ARDS装置各工况进行了详细的静态和动态泄放分析(如换热器爆管工况的瞬态分析),两套装置全厂停电工况泄放总量从最初的超过900t/hr缩减至250 t/hr。

SimTech与中石化洛阳工程公司(LPEC)合作,对恒力石化(大连)炼化公司2000万吨/年炼油一体化项目全厂范围内的24套装置进行泄放分析和泄放量消减分析。由于该项目装置数据多、规模巨大,按专利商提供的数据计算则全厂火炬总量非常惊人,且火炬系统将十分庞大,更棘手的是,火炬的热辐射面积覆盖到了装置和罐区。SimTech通过静态核算、动态泄放分析、HIPS分析、HIPS可靠性分析等详细的工作,将全厂停电工况下的泄放总量从几万吨/小时的规模消减至几千吨/小时,整整下降了一个数量级,不仅大幅度降低了火炬系统的规模,还解决了热辐射面积过大的问题。

SimTech近2年合作的项目还包括山东东明石化公司12万吨/年烯烃项目全厂火炬系统优化、烟台万华某丙烷脱氢装置泄放分析、惠生工程公司某MTO装置、大连石化某气分装置等。