乙烯裝置火炬系統的工藝設計要點分析探討

熊秋思

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

近年來，保障裝置的安全生產已成為工藝設計工作中最重要的一部分，火炬系統作為乙烯裝置重要的安全設施，用于在試車、開停車、操作波動或發生緊急事故時收集裝置內各系統排放的可燃物料，以保護設備及人身的安全、保證裝置平穩運行，因此該系統的設計尤為關鍵。乙烯裝置的火炬系統管網龐大、工況復雜、影響因素較多，需要對其進行合理的工藝設計，以同時滿足裝置安全和項目投資的要求。本文以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，對乙烯裝置火炬系統的工藝設計要點進行分析探討。

1 乙烯裝置火炬系統設計

1.1 火炬系統工藝流程

乙烯裝置通常設有2 個相對獨立的排放系統：干（或冷）火炬系統和濕（或熱）火炬系統，其中，干火炬系統主要收集泄放溫度低于4 ℃的物料，濕火炬系統主要收集泄放溫度高于4 ℃和含水的物料[1]。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，火炬系統的主要流程見圖1。自上述兩個排放系統的物料分別送入干火炬罐和濕火炬罐進行氣液分離，干火炬罐內液體經干火炬汽化器汽化，罐頂氣相進入干火炬過熱器中被低壓蒸汽過熱后，與自濕火炬罐分離的濕火炬氣混合，經裝置火炬總管送至界區外的火炬管網。濕火炬罐內部配有低壓蒸汽伴熱盤管，用于汽化罐內的部分烴類，未被汽化的重烴及含油污水可通過罐底泵排放至界區外的污水罐或乙烯裝置內的急冷水塔。

圖1 裝置火炬系統流程Fig.1 Process flow diagram of flare system

1.2 火炬系統設計步驟

新建乙烯裝置火炬系統的設計步驟主要分為以下4 部分：

（1）火炬負荷分析

分析乙烯裝置的各個泄放工況，確定干火炬系統和濕火炬系統的最大負荷；

（2）管網初步計算

確定火炬系統界區點處的最大背壓，利用軟件搭建初步模型，按大工況泄放量計算火炬總管及管廊大口徑干管的尺寸；

（3）工藝設備設計

計算火炬系統相關容器、換熱器的尺寸及參數；

（4）管網最終核算

根據裝置每個泄放點的工藝數據完善管網模型并優化管徑，同時按安全閥廠家最終資料核算尾管的尺寸。

2 火炬負荷分析

乙烯裝置的火炬負荷需分析多種事故工況，如：冷卻水中斷、電力故障、壓縮機故障跳車（包括裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機和乙烯制冷壓縮機）、急冷水故障等，通常將不同工況下排放至干、濕火炬系統的排放量進行疊加，得到各個工況下的排放總量。如果不考慮任何的減排措施，乙烯裝置的火炬總負荷往往較大，裝置內火炬管線和設備的尺寸將非常巨大，導致占地面積、裝置投資大幅度增加。因此，乙烯裝置常設有火炬減排的安全聯鎖措施，這樣可以顯著降低火炬系統的總負荷[2]。

然而，如果完全按照減排聯鎖分析結果進行火炬管網設計，一旦減排聯鎖出現故障，火炬管網的設計泄放量無法滿足實際要求，將造成安全事故。因此綜合考慮，乙烯裝置火炬系統某一工況下的總負荷可采取以下的設計原則：最大泄放源在減排聯鎖措施失效時的排放量，與其余各泄放源在減排措施下的排放量之和作為該工況下的火炬總負荷。

以某百萬噸級新建乙烯裝置的火炬系統為例，按上述火炬負荷分析原則，對停水、停電、丙烯機故障和急冷水故障四種工況進行分析，結果見表1。該裝置火炬總負荷與濕火炬負荷最大值均發生在停水工況，分別為1 413.8 t / h 和1 270.8 t / h，干火炬系統的最大負荷為丙烯機故障工況下的624.9 t / h。

表1 裝置火炬負荷Tab.1 Flare load summary

3 管網初步計算

3.1 界區點處的背壓選取

界區點處的火炬背壓決定了火炬系統設計中2個重要參數：馬赫數和安全閥背壓。界區點處的火炬背壓取值越低，管道內泄放介質的馬赫數越大，所需火炬總管的管徑越大，導致投資的增加；界區點處的火炬背壓取值越高，安全閥背壓越高，安全閥的選型越苛刻。

通常情況下，乙烯裝置的火炬氣將在界區外與其他裝置的火炬氣匯合送至全廠的火炬頭燃燒。由于全廠的火炬頭壓力一定，因此乙烯裝置火炬系統界區點處的背壓取決于界區外火炬管道的壓降。裝置在停水、停電等大工況下的泄放量較大，而在設備火災、出口閥關閉等單點排放工況下的泄放量通常較小，導致不同工況泄放時在界區外火炬管道中的流動阻力降相差較大。因此，采用同一個界區點背壓來計算不同工況下的火炬管網，顯然是不合適的。建議可根據裝置內的火炬氣排量的量級，采用幾個不同的界區點背壓值作為各工況下火炬系統的計算基礎。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，根據大工況和單點排放工況下各自的最大排放量，估算裝置界區外火炬管線的壓降，并結合全廠火炬設施邊界壓力要求，分別采用0.15 MPa 和0.065 MPa 兩個界區點背壓進行裝置內火炬管網的計算。

3.2 搭建初步模型

乙烯裝置火炬管網較為龐大復雜，其設計工作常通過專業的設計軟件來完成，如Aspen Flare System Analyzer（原Aspen FLARENET）。此類專業軟件不僅可用于火炬管網的設計與核算，還可用于安全閥的預選型。該軟件采用逆向求解，根據各泄放源的排放條件，從火炬頭開始反算到泄放源。

由于乙烯裝置火炬氣總管及干管的管徑較大，其管線的路由對配管專業的設計工作具有重大影響。因此在設計初期，為了同時滿足項目施工進度要求和保證管網設計的準確性，宜首先根據設備布置圖規劃出火炬氣管線路由，然后按火炬分析負荷表搭建大工況模型，計算出可滿足所有工況火炬負荷的火炬總管、干火炬總管和濕火炬總管尺寸。

某百萬噸級新建乙烯裝置通過Aspen Flare System Analyzer 軟件搭建的大工況泄放模型見圖2。

圖2 裝置火炬管網大工況泄放模型Fig.2 Flare relief network model for large common cause failures

3.3 計算總管管徑

使用Aspen Flare System Analyzer 軟件搭建模型后，可根據大工況火炬負荷計算火炬系統各總管及部分管廊支管的管徑。在模型中輸入各泄放源泄放介質的分子量、泄放溫度和實際泄放量后，建議先根據安全閥的定壓與火炬界區點壓力初選安全閥型式并輸入安全閥的定壓、超壓百分數和閥后允許背壓，選擇額定排量大于實際泄放量的安全閥口徑作為安全閥的預選型結果。

為提高設計效率，建議根據設備布置圖及工程經驗輸入預設的管道長度和管件數等，通過軟件的管網核算功能對預估的總管尺寸進行試算。

火炬管道的管徑受流速和最大允許背壓的限制，火炬總管的管徑通常由最大允許背壓決定，安全閥出口尺寸大多受馬赫數的限制。火炬系統管道的馬赫數要求一般為：火炬總管及各管廊干管的馬赫數不超過0.5，安全閥尾管的馬赫數不超過0.7[3]。若軟件核算結果顯示管道馬赫數超過規定值，則需調整該段管道的管徑；若核算結果顯示安全閥計算背壓超過設定的閥后允許背壓，則需在確認管網各管徑較為合適后調整安全閥的選型。此外，考慮到安全閥泄放的瞬時排量有可能很大，建議使用額定排量計算泄放安全閥的尾管尺寸。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，表1 中急冷水塔和丙烯制冷壓縮機火炬氣排量較大，其所在分區管廊干管的管徑可在此階段基本確定，其余分區泄放源的火炬氣排量相對較小，其所在管廊干管的管徑需待單點泄放工況的排量確定后再進行完善。由以上步驟計算的火炬總管及部分管廊干管結果見表2。

表2 裝置火炬管網大工況計算結果Tab.2 Calculation results for large common cause failures

4 工藝設備設計

4.1 火炬分液罐

火炬氣在送出界區之前需在火炬分液罐內分離掉夾帶的直徑較大的液滴。

乙烯裝置內的濕火炬罐和干火炬罐一般為臥式罐，這是因為在儲存大量液體且氣體流速較高時，臥式罐往往更為經濟。一般而言，通常采用標準API 521—2014 或SH 3009—2013 中的方法來計算上述設備的尺寸。

例如，某百萬噸級新建乙烯裝置采用標準SH 3009—2013 中臥式分液罐的計算方法[3]：通過假定罐的直徑Dk并根據式（1）進行試算，當試算結果Dsk≤Dk時，Dk即為臥式分液罐的最終直徑，所得直徑需按照式（2）進行核算，同時罐內最高液面之上氣體流動的截面積應大于或等于入口管道橫截面積的3 倍。采用上述計算及核算方法，該裝置干火炬罐和濕火炬罐的計算參數及最終設備尺寸見表3。

表3 裝置火炬分液罐計算參數及最終設備尺寸Tab.3 Flare knock-out drum sizing parameters and final equipment dimensions

式中Dsk——試算罐直徑，m；

a——罐內液面高度與罐直徑比；

qv——入口氣體流量，Nm3/h；

b——罐內液體截面積與罐總面積比值；

p——操作條件下的氣體壓力（絕壓），kPa；

φ——系數，宜取2.5～3.0；

Uc——液滴沉降速度，m/s。

式中q——操作狀態下入口氣體體積流量，m3/s；

Vc——臥式分液罐內氣體水平流動的臨界速度，m/s；

ql——分液罐內儲存的凝結液量，m3。

4.2 干火炬汽化器

乙烯裝置內的干火炬汽化器通常采用低壓蒸汽直接加熱汽化干火炬罐內液體，或利用甲醇作為中間介質采用低壓蒸汽間接加熱汽化的方法。由于干火炬罐僅在事故工況、停車倒料或液相排污等情況時才會存在液相物料，干火炬汽化器的設計能力一般需滿足汽化干火炬系統的最大液相負荷，并需考慮一定的設計裕量。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，其干火炬汽化器利用甲醇作為中間介質、采用低壓蒸汽間接加熱汽化法。該汽化器的設計能力可將50 t/h、-103.5 ℃的液相乙烯完全汽化。

4.3 干火炬過熱器

干火炬過熱器通常采用低壓蒸汽直接將干火炬氣過熱至4 ℃以上，其作用是避免自濕火炬系統的含水較多的物料與低溫干火炬氣混合后，因溫度降低發生凍結或形成水合物而堵塞火炬總管，同時保證干、濕火炬氣混合后的溫度在普通碳鋼的適用范圍內，以節省火炬總管管材的投資[4]。管道材質的選取主要取決于火炬氣可能達到的最低溫度。因此，干火炬過熱器的設計需滿足干火炬系統最大負荷下的過熱要求并需適當考慮裕量，確保過熱器出口溫度以保證下游管道和系統的本質安全。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，其干火炬過熱器采用倒釜式管殼換熱器，利用低壓蒸汽將干火炬氣過熱。該過熱器的設計能力可滿足在干火炬系統的最大負荷下，將干火炬氣過熱至5 ℃。

5 管網最終核算

5.1 搭建最終模型及管網優化

待乙烯裝置內各泄放源單點泄放工況下的排量確定后，需要對管網模型進行完善。在管網進行最終核算時，模型中所有泄放源的位置和管道長度等均要與裝置的實際配管布置一致。根據全裝置各泄放源單點泄放工況的排量，在滿足安全閥背壓和馬赫數要求的前提下，確定并優化各分區管廊的干管尺寸以降低投資。

以某百萬噸級新建乙烯裝置為例，根據實際配管布置所更新的火炬管網最終模型見圖3。對全裝置所有泄放源的單點泄放工況進行計算后，確定得出全裝置干、濕火炬管網各分區管廊干管的管徑，并對細節進一步優化。例如，在裂解氣壓縮機出口閥關閉工況下，壓縮區濕火炬氣干管的管徑需為42"，但由于壓縮區其余泄放源單點泄放排量均較小，因此位于裂解氣壓縮機泄放源上游的濕火炬氣干管管徑可由42"縮小為20"。該裝置優化后的火炬管網路由見圖4。

圖3 裝置火炬管網最終模型Fig.3 Final flare relief network model

圖4 裝置火炬管網路由及管網最終尺寸Fig.4 Piping routes and final pipe diameters of flare relief network

5.2 核算尾管尺寸

由于制造廠最終訂貨的安全閥實際額定排放量與軟件計算值存在一定偏差，因此需要根據廠家最終的安全閥資料，核算模型中尾管尺寸與安全閥后背壓的計算結果是否合適，并確保尾管管徑不小于安全閥出口直徑[5]。

某百萬噸級新建乙烯裝置部分安全閥廠家返回資料與Aspen Flare System Analyzer 軟件的選型結果對比見表4。通過比較可發現，雖然兩者的安全閥型號不完全一致，但額定排量差別較小。經管網核算后，該裝置的安全閥尾管尺寸無需再進行調整。

表4 裝置安全閥軟件選型結果與廠家資料對比Tab.4 Comparisons of pressure relief valve selections between software and vendor

6 結束語

目前單套乙烯裝置的最大設計規模已達到1 500 KTA，隨著裝置規模的增大，其火炬系統管網的泄放量、排放工況的復雜程度也隨之增加。火炬系統是裝置的最后一道安全防線，必須要給予足夠的重視。在大型乙烯裝置的火炬管網系統設計中，有必要采取合理的設計方法及優化措施，以達到既安全可靠、又不過度設計的目標。在現階段，火炬系統的設計大都基于穩態計算，通過負荷分析、穩態模型和工程經驗進行逐步優化，是可以滿足裝置安全運行需求的。但是，穩態分析難以準確模擬裝置實際泄放過程中的動態變化，有時候會導致某些區域的設計余量較大。因此，尋找可靠的動態模擬分析方法，在不同工況下獲得更加準確的泄放數據，并以此進行火炬負荷分析和工藝計算，將是未來大型乙烯裝置火炬系統設計的優化方向。