趙 斌

（連云港沃利帕森工程技術有限公司南京分公司，南京 210019）

火炬是用來處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其他工廠或裝置無法收集和再利用的可燃性氣體或蒸汽的特殊燃燒設施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項重要設施?；鹁嫦到y(tǒng)是由火炬氣排放管網(wǎng)和火炬裝置（簡稱火炬）組成的。其中火炬裝置包括火炬頭、火炬氣上升管、長明燈、自動點火系統(tǒng)、火炬塔架、分液罐、水封罐和密封器等組成[1]。大型石化企業(yè)一般會設置多個火炬，方便同時檢修，總圖布置比較集中的生產(chǎn)裝置可共用一個火炬以節(jié)約基建投資，減少操作和維護費用。

火炬系統(tǒng)設計泄放量，即火炬系統(tǒng)負荷，是確定火炬系統(tǒng)設計的關鍵因素，是火炬系統(tǒng)設計的基礎，確定火炬系統(tǒng)負荷是火炬系統(tǒng)及相關生產(chǎn)裝置安全運行的保障，可以為總圖布置提供合理設計依據(jù)，節(jié)省投資，減少操作及維護運行費用。對于單個裝置所用的火炬系統(tǒng)而言，裝置正常生產(chǎn)、開車、停車及各種事故工況下最大排放量可作為火炬系統(tǒng)的設計泄放量；對于多個裝置共用的火炬系統(tǒng)而言，火炬系統(tǒng)泄放量的確定就是要對不同裝置可能出現(xiàn)的各種事故工況進行逐一分析，并對各種事故工況的泄放量進行計算，然后取泄放量最大值作為火炬系統(tǒng)的設計泄放量。

1 火炬系統(tǒng)設計泄放量的確定原則

1.1 火炬氣的來源

通常情況下，火炬氣的來源主要有：生產(chǎn)裝置無法利用而必須排出的可燃性氣體；事故泄壓或安全閥排出的可燃性氣體；開停車及檢修時排出的可燃性氣體；液化石油氣泵等短時間間斷排放的可燃性氣體[2-3]。對于熱值低于7 880 kJ/Nm3氣體，在送入火炬之前，需要進行熱值調(diào)整。

1.2 各生產(chǎn)裝置可燃氣體的排放條件

一般來說，各生產(chǎn)裝置可燃氣體的排放條件包括下列工況：裝置開車、停車；火災工況；停水、停電及蒸汽、循環(huán)水、儀表風供應中斷等公用工程事故；操作失誤、控制閥故障等其他事故[3]。

1.3 事故工況的分析原則

在進行事故分析時，人們需要考慮如下原則：必須堅持單一事故理念，不考慮同時發(fā)生兩種事故，即不考慮兩種或兩種以上不同事故在同一區(qū)域內(nèi)發(fā)生，也不考慮兩個不同區(qū)域同時發(fā)生兩種不同事故；相關聯(lián)的事故需要考慮疊加，如停電引起循環(huán)水或儀表風中斷供應等；同一事故引起幾個裝置排放時，應對各裝置的排放“流量-時間曲線”進行疊加，取最大值為該事故時的最大排放量[3]。

無排放流量-時間曲線時，火炬系統(tǒng)設計泄放量需按照如下原則進行確定：

不考慮所有裝置均同時最大量排放；每個排放系統(tǒng)在同一事故中的最大排放量，按影響排放系統(tǒng)尺寸最大的某個裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%之和計算（體積流量），但不應低于該系統(tǒng)中兩個不同裝置最大單點排放的總量；按上述原則對不同的事故排放量分別疊加后，應取其中總排放量的最大值為該排放系統(tǒng)的設計排放量；排放量最大裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%之和（質(zhì)量流量）作為確定火炬高度及火炬安全區(qū)域的設計排放量；按上述疊加原則對應的加權(quán)平均溫度、加權(quán)平均分子量及加權(quán)平均組成作為火炬及排放管道系統(tǒng)工藝設計的其他設計參數(shù)。

2 工程實例分析

根據(jù)以上火炬系統(tǒng)設計泄放量的確定原則，筆者對某一大型石化企業(yè)，新建的區(qū)域性火炬系統(tǒng)Flare 00的設計泄放量進行分析。

該火炬系統(tǒng)Flare00的火炬氣來自于4套生產(chǎn)裝置，分別為N1裝置、P1裝置、A1裝置及D1裝裝?；鹁鏆獾膩碓礊榘踩y的事故泄放，筆者就每個裝置引起安全閥開啟的事故進行逐一分析，最終得到Flare00的設計泄放量，分析過程如下。

2.1 外部火災

根據(jù)API521，不考慮幾個裝置同時發(fā)生火災，一個裝置外部火災也不會引起所有安全閥同時開啟，而是在局部范圍地面以上，火災事故影響范圍介于230～460 m2；工程實踐中常采用直徑24 m作為火災圈，約合火災范圍為452 m2；以某點為中心，畫個以12 m為半徑的圓圈，以此圈內(nèi)的面積為考慮外部火災事故范圍的基礎。分析時，人們要考慮可燃物的數(shù)量和位置、地面排水系統(tǒng)的情況及自然地形和屏障對火災的影響。當遇到多層框架時，如樓面為混凝土或者封閉樓板，需要按照不同樓層單獨考慮火災影響區(qū)內(nèi)的設備的火災泄放量；如果為格柵板樓面時，只需考慮一層樓面地面以上的火災影響區(qū)內(nèi)的設備的火災泄放量。

以N1裝置為例，裝置為兩層框架式結(jié)構(gòu)，樓面為格柵板，其外部火災只需考慮一層火災即可。由圖1可知，在452 m2火災影響區(qū)內(nèi)有6個安全閥，外部火災的泄放總量為8 029 kg/h，如表1所示。其他裝置做相似分析，分別得到各個裝置火災泄放量的最大值，它們可作為對應裝置發(fā)生外部火災時的泄放量，如表2、表3、表4所示。本文所選取的裝置規(guī)模較小，一個火災影響區(qū)幾乎可以覆蓋所有在發(fā)生外部火災時會超壓的設備。在設計工程項目中，人們通常會根據(jù)實際裝置情況劃分多個火災影響區(qū)，分別計算各個火災影響區(qū)內(nèi)的火災泄放量，取最大值作為該裝置發(fā)生外部火災時的安全閥泄放量。

圖1 N1裝置火災影響區(qū)分析

2.2 電力故障

電力故障可能會對工廠的生產(chǎn)有多方面的影響。所有的電驅(qū)動設備都會停止工作，如泵、壓縮機、空冷卻等。此外，工廠的冷卻水系統(tǒng)、儀表風系統(tǒng)等也可能受到影響，因此對于電力故障人們要做具體分析。

《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50052-2009）指出，因地區(qū)大電力網(wǎng)在主網(wǎng)電壓上部是并網(wǎng)的，用電部門無論從電網(wǎng)取幾回電源進線，也無法得到嚴格意義上的兩個獨立電源。所以，雙重電源可以是來自不同電網(wǎng)的電源，或者來自同一電網(wǎng)但在運行時電路相互之間聯(lián)系很弱，或者來自同一個電網(wǎng)但其間的電氣距離較遠，一個電源系統(tǒng)任意一處出現(xiàn)異常運行時或發(fā)生短路故障時，另一個電源仍能不中斷供電[4]。這樣的電源都可視為雙重電源。

從該大型石化企業(yè)的供電系統(tǒng)設計來看，除了有兩路電源（220 kV）來自外部供電局電網(wǎng)之外（可以視為兩個獨立電源），工廠還有自備柴油發(fā)電機、發(fā)電機組等。可以說，除了特殊非預見性的事故（如戰(zhàn)爭、大地震、特大洪水等）之外，該火炬系統(tǒng)的4套生產(chǎn)裝置，其循環(huán)水站、儀表風系統(tǒng)供電分別來自不同的變電所，所以4套裝置全部停電的可能性幾乎是沒有的，裝置停電同時冷卻水及儀表風中斷也幾乎不可能。因此，對于電力故障的安全閥的泄放量，人們只考慮各個裝置停電引起安全閥開啟的泄放總量即可（見表1、表2、表3和表4），不考慮4套裝置同時停電且同時循環(huán)水及儀表風中斷供應，此工況不做疊加。

2.3 冷卻水故障

冷卻水故障會造成所有以水來冷卻的換熱器失去冷卻能力，可能會引起幾個設備同時超壓，幾個安全閥同時開啟，各裝置循環(huán)冷卻水故障泄放量需要將有此工況的安全閥的泄放量加和，如表1、表2、表3和表4所示。

4套裝置的冷卻循環(huán)水均來自于一個循環(huán)水站，一旦此循環(huán)水站出現(xiàn)故障引起循環(huán)水供應中斷，4套裝置的相關設備均會超壓排放，因此此工況的總泄放量需要疊加計算，具體方法為：取冷卻水故障最大的N1裝置的泄放量的100%與其余裝置泄放量的30%之和計算，如表5所示。

2.4 儀表風故障

儀表風故障的直接反應是所有氣動儀表停止工作和氣動閥停在開、閉位置或保持原位。該大型石化企業(yè)設計時設置了幾個事故儀表風緩沖罐，同時為氣動儀表設置UPS電源，可維持儀表一定時間的工作，讓裝置操作人員進行緊急處理。因此，儀表風故障引起設備超壓可能性不大，此工況無排放。

2.5 其他事故工況

操作失誤、控制閥失效、換熱管破裂等均會引起設備超壓，這些工況僅限于某一個裝置的某一個安全閥，不會同時引起幾個安全閥同時開啟，這些工況安全閥的泄放量可能會影響安全閥的額定泄放量的選取。在做安全閥匯總時，人們應將其列出作為采購安全閥的參考，具體情況如表1、表2、表3和表4所示。

表1 N1裝置安全閥匯總表

表2 P1裝置安全閥匯總表

表3 A1裝置安全閥匯總表

表4 D1裝置安全閥匯總表

表5 Flare00設計泄放量匯總表

由表1～5可知，火炬系統(tǒng)Flare00的設計泄放量為8 029 kg/h（N1裝置的外部火災），釋放溫度為148℃，平均分子量為75.5。

3 結(jié)語

火炬系統(tǒng)的設計關系到工廠的安全生產(chǎn)，安全是相對的，投資與安全永遠是對立統(tǒng)一的，現(xiàn)行的標準規(guī)范是衡量尺度。因此，合理地理解和運用標準規(guī)范，并對工程實際情況進行具體分析，是火炬系統(tǒng)設計泄放量的基礎。本文只涉及四個生產(chǎn)裝置，每個裝置列出的安全閥數(shù)量較少，僅為了說明問題，實際項目情況要復雜得多。本文采用的方法亦可用于多套生產(chǎn)裝置、多個安全閥的分析，這樣可以大大提高工作效率，保障設計數(shù)據(jù)的準確性。

1 王松漢.石油化工設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

2 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50160-2008 石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

3 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.SH3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2013.

4 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50052-2009 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.