某煉油裝置穩定塔泄放工況分析

王霞

（嘉科工程（上海）有限公司）

安全問題在煉油生產中至關重要。煉油裝置投資規模較大，生產危險性高。如何有效地避免事故的發生，是煉油裝置設計中的一個重要課題。安全泄放系統作為生產安全的最后一道防線，對有效地避免事故、減少災害損失起很大的作用。安全閥是安全泄放最為常用和有效的途徑之一。正確合理地設計安全閥是相關的工程設計人員共同關心的問題。下面以某煉油裝置中典型設備穩定塔安全閥的泄放設計來詳細討論泄放量的計算問題。

1 相關工藝流程介紹

該裝置為煉油項目中的一個子裝置：95萬t/a石腦油加氫裝置。為達到少于10×10-6的含硫標準，石腦油原料需要進行加氫反應。之后先在分離塔 （設備編號C103，下同）中分離出LCN（催化裂化石腦油切割輕餾分），塔底重組分來到穩定塔（C206）進一步分離出MCN（催化裂化石腦油切割重餾分）。

分離塔塔底重組分先被穩定塔底部MCN物料在穩定塔進料/塔底物料熱交換器 （E204）中預加熱，然后進入塔中進行分餾。塔頂產品被塔頂空氣冷凝器 （E206）部分冷凝，未凝結的含硫酸性氣體被排放到下游胺吸收裝置。冷凝液進入回流罐（C207）,有機烴部分經過回流泵 （G202）送回穩定塔塔頂。冷凝液中的酸性水分離出來送往下游的脫氣罐處理。塔底再沸器 （E205）由高壓蒸汽加熱，進氣量由塔板溫度進行控制。

2 安全閥的設置

安全閥設置于穩定塔頂部出氣管道上。該安全閥保護系統中的設備 （編號C206、 C207、E205、E206、 E204）以及相連的泵和管道。設定壓力取其中較低的設備設計壓力，即穩定塔的設計壓力1.21 MPa。 火災以外的工況泄放壓力為設定壓力的110%，即1.331 MPa，火災工況泄放壓力為設定壓力的121%，即1.464 MPa。

3 泄放工況

根據引起塔系統超壓的不同原因，按照12種典型的工況來討論泄放情況并進行泄放量的計算。

3.1 出口堵塞

3.1.1 氣相出口堵塞

該系統有氣相放空管切斷閥和調節閥。如果這些閥門錯誤地關斷，就會使氣體在系統內集聚，從而引起超壓。隨著氣體的不斷增多，塔頂空氣冷凝器 （E206）逐漸被不凝氣體填滿，失去了冷凝的能力，進而回流液也會慢慢減少，最終系統的回流也將停止。這樣，該工況最終的情況與以下將要分析的工況5塔回流停止相似 （見本文第3.5節）。具體的計算將在工況5中詳細說明。

3.1.2 液相出口堵塞

（1）回流罐有機烴液相出口

如果回流泵 （G202）發生故障停止運行，或者泵出口的調節閥錯誤地關閉，或者誤操作關斷了液相出口切斷閥，液體就會在回流罐內集聚，引起超壓。這時的泄放情況要具體分析。該項目的回流罐設有液位自控高位報警，并且還另設有獨立的高液位報警。當液位超過設定高液位時，報警的可靠性較高。從高液位到罐頂部的容積是9 min的泵正常流量。這一時間不足以讓操作人員采取糾正措施來解除引發超壓的誘因，系統壓力也將上升。系統回流停止后，隨著液體的不斷集聚，塔頂空氣冷凝器 （E206）逐漸被液體填滿，失去了冷凝的能力。這樣，該工況最終的情況與工況5塔回流停止相似。具體的計算見工況5。

（2）回流罐酸性水出口堵塞及穩定塔塔底液相線堵塞

該項目酸性水與穩定塔塔底液體的正常流量相對于容器的氣相空間來說都比較小，設備的緩沖時間都超過25 min，并且設有液位自控高位報警和另設有獨立的高液位報警。對于這種情況，操作人員會采取糾正措施，所以不需要安全閥泄放。

3.2 異常熱量輸入

如果蒸汽進氣流量調節閥發生故障完全打開，那么進入再沸器的蒸汽流量就會大大超出正常工況下的流量，再沸器就會產生更多的氣體，塔頂的氣體量將上升，超過塔頂冷凝器的冷凝能力，使氣體在系統中積聚，從而引起超壓。

3.2.1 再沸器熱量的計算

在進行異常熱量輸入工況的計算時，要采用清潔狀態下的傳熱系數 Uclean，使計算結果足夠保守。同時在泄放工況下，塔底液體的沸點升高，再沸器的溫差小于正常工況，這時需要進行校正。

上游高壓蒸汽的最高壓力是4.65 MPa，對應的飽和溫度是259.7℃。在泄放壓力下，塔底液體的沸點升高到234.2℃，通過試差法，得到其出口溫度為242.9℃。

經計算，再沸器換熱面積為240.9 m2。

3.2.2 泄放量的計算

用計算出的再沸器熱量對塔系統進行模擬計算，使用Pro/II軟件。通過計算發現，初始階段，冷凝器的能力可以將上升的氣體全部冷凝。但是泵的輸送能力被認為是固定的，隨著液體的不斷積聚，最終冷凝器被部分積液，冷凝的液體量與正常操作工況相當。在泄放壓力下，泄放溫度為134℃，泄放量為16 649 kg/h。

3.3 換熱管破裂

當再沸器的換熱管破裂時，高壓蒸汽將泄漏到工藝側，進入塔系統。

蒸汽泄漏量的計算用孔板的流量公式，并假定換熱管兩頭都破裂，計算直徑用換熱管的內徑。計算時高壓側壓力取正常操作壓力3.85 MPa，計算得出泄漏量為12 012 kg/h。

將該流量的蒸汽從塔底部加入，用Pro/II進行模擬計算，當再沸器熱量為25.12 GJ/h,泄放量為52 899 kg/h。用再沸器進出口溫度進行溫差校正，則最大可吸收熱量不超過25.12 GJ/h。如將熱量調低，則模擬顯示有水的超飽和析出現象，說明這種情況下塔的操作不穩定。為了得到收斂的計算結果，必須調高再沸器熱量。該計算結果更為保守，并且對非最大泄放量的工況不需要更嚴格的計算。

3.4 自動控制閥失效

自動控制閥失效工況是考慮單個自控閥失效的情況，或完全打開，或完全關閉。

穩壓塔系統共有9個自控閥。經過分析可知，進料管線上游的分離塔分離罐 （C202）液位控制閥 （LV-030)完全打開是一種新的泄放工況。當其完全打開時，就會有超出正常工況的進料進入穩定塔，當分離罐內的液體流盡，罐內的氣相部分就會進入穩壓塔，引起超壓。隨著氣體的累積，冷凝器也就失去了冷凝能力，回流也將逐漸消失。可以認為，由上游進入的氣體和正常進料塔板下一塊板的上升氣體合并，與上層塔板上的殘留液體接觸，直到塔頂。這一部分的氣體就是需要的泄放量。

具體的泄放量計算需要經過軟件模擬。首先要計算出控制閥完全打開時可通過的氣體量。此時認為控制閥和旁路全都完全打開。正常流量需要的Cv值為85，控制閥的Cv值為170，加上旁路的截止閥完全打開的Cv值85，總的Cv值為255。由控制閥計算軟件計算得出，Cv值為255時可通過的氣體量為14 042 kg/h。

將分離罐內的氣體和正常進料塔板下一板的氣體加入到一個新塔的塔底 （該新塔塔板數與進料板上部的塔板數相同），在塔板頂部通入正常回流量的回流液以模擬塔板殘留液體，這時塔頂的氣體量就是需要泄放的氣體量。計算得出泄漏量為51 113 kg/h。

當控制閥設計不當，或者旁路閥選取過大時，由控制閥引起的上游氣體的流入往往會引起較大的泄放量。這時就需要校核控制閥的設計，必要時還應采取鉛封旁路閥的措施等。

3.5 塔回流停止

如果回流泵意外停轉，或者回流管線上的閥門被錯誤關閉，回流無法進入塔系統，并且由于回流液的集聚逐漸使塔頂冷凝器失去能力，就會引起系統超壓。

通過對比我們發現，工況4自動控制閥失效具備了塔回流停止工況所有的不利條件，同時還有上游流入的氣體量，所以塔回流停止工況的泄放量小于工況4的泄放量。

3.6 進料停止

進料閥關閉后，塔系統的進料就停止了，但這時塔底的再沸器、塔頂的冷凝器和回流泵仍將繼續工作。塔底物料在泄放壓力下沸點升高，因而有效溫差縮小，再沸器的熱量將會降低。另外，塔頂溫度的提高，也使冷凝器的冷凝能力得到了提升。模擬計算顯示，這時所有的上升氣體都可以被冷凝，且回流量與正常工況相近，因此不需要泄放。

3.7 外部火災

當外部發生火災時，火災的泄放量根據地面或者可積液平面以上7.62 m范圍內液體潤濕的面積來計算。該項目取用的火災范圍直徑為24.2 m。根據設備布置總圖知，設備C206、E205、C207和E204A/B在火災范圍內，所以都要考慮泄放量。

液體的潛熱統一取塔頂第一塊塔板的物料在泄放壓力下的值，這樣計算結果更為保守。將幾臺設備各自的泄放量相加，得到泄放量為29 906 kg/h。

3.8 冷卻水停止

該系統未采用水冷，所以這一工況不存在。

3.9 全廠停電

當發生全廠停電時，塔頂的空冷器風扇停轉，可以近似認為失去冷凝能力，回流泵停轉。上游的液體進料會維持一段時間，之后上游系統內殘留的氣體就會流入塔系統。再沸器的熱源高壓蒸汽仍然繼續供應。這樣，再沸器產生的氣體和上游流入的氣體不能被冷凝，就會產生超壓。

再沸器產生的氣體量的計算類似于火災的計算。由蒸汽流量得出的冷凝放熱量和由溫度校正得出的傳熱量的平衡計算，再沸器的熱量取15.62 GJ/h， 液體的潛熱取塔頂第一塊塔板的物料在泄放壓力下的值，這樣得到再沸器產生的氣體量為57 598 kg/h。由上游流入的氣體量經控制閥計算軟件求得為9706 kg/h，總的泄放量為67 304 kg/h。

3.10 全裝置儀表空氣故障

在全場儀表空氣故障的工況下，與穩定塔系統相關的各自控閥門都停在事故安全位置上。列出相關的閥門及其事故位置，經分析可得，在這一工況下進料、回流及進入系統的高壓蒸汽均停止，這樣就沒有引起系統壓力升高的因素，所以無泄放。

3.11 蒸汽停供

蒸汽停供使進入系統的熱源消失，不會引起超壓，無泄放。

3.12 其他工況

其他工況是指不屬于以上11種典型工況的特殊工況，包括止回閥失效倒流、熱膨脹、吹掃閥門誤操作等。

該塔系統的管線上連接有氮氣吹掃接頭。如果工人誤操作，在正常操作時打開了氮氣閥門，系統壓力將會升高。氮氣充滿系統后，冷凝器就失效，這樣所有的塔頂氣體和進入系統的氮氣都應被泄放。

氮氣線上的閥門為38 mm的截止閥，查供貨商資料其Cv值為25，用控制閥計算軟件計算得到上游壓力為1.42 MPa，下游在泄放壓力為1.331 MPa情況下，流量為2523 kg/h。加上塔頂正常工況時的氣體量18 302 kg/h，總的泄放量為20 825 kg/h。

4 總結

通過以上分析可知，該系統的最大泄放工況為工況4,即自動控制閥失效工況。由于上游的控制閥全開，導致上游分離罐內的液體很快流盡，其中的氣體由于大的壓差存在被大量地帶到下游，從而引起泄放。全廠停電也是較大泄放量的工況。對于再沸器由蒸汽供熱，而熱負荷又比較大的塔系統，全廠停電工況的泄放量往往都較大，應當重點分析。

[1]American Petroleum Institute.API STD 521–2007.Pressure-Relieving and Depressuring Systems[S].Washington（USA）： API Publishing Service，2007：22-65.