鹿曉斌，張 芹，王江濤

（1.中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.山東鴻運(yùn)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

火炬系統(tǒng)[1]是LNG項(xiàng)目（接收站或液化廠）的重要組成部分，是安全閥起跳（事故工況）之前的最后一道超壓保護(hù)屏障。如果火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不足，管網(wǎng)設(shè)計(jì)不可靠，在關(guān)鍵時(shí)刻安全閥無法正常起跳，形成重大安全隱患?；鹁嫦到y(tǒng)[2]主要由火炬管網(wǎng)、火炬筒體、火炬頭、火炬分液罐組成，其中火炬管網(wǎng)和火炬頭為整個(gè)火炬系統(tǒng)中最重要的部分，受處理能力影響較大，改造難度大。在擴(kuò)建工程中，新增火炬煙筒數(shù)量或者重新改建火炬可以實(shí)現(xiàn)新增處理量的目標(biāo)，但是施工難度和設(shè)計(jì)成本將成倍增加。從綠色設(shè)計(jì)理念出發(fā)，在安全環(huán)保的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算核算，工藝優(yōu)化，完成對(duì)原火炬系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，在盡量節(jié)省投資的基礎(chǔ)上完成擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)，這在設(shè)計(jì)上是一大難點(diǎn)[3]。

1 擴(kuò)建工程火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

由于火炬管網(wǎng)系統(tǒng)直接關(guān)系到所有接入該系統(tǒng)的安全閥順利開啟和儲(chǔ)罐的壓力保護(hù)，同時(shí)火炬頭和火炬筒在增加處理量后，其熱輻射范圍和噪音范圍都發(fā)生較大的改變，對(duì)設(shè)備布置和人員操作防護(hù)需重新復(fù)核，所以對(duì)于接收站擴(kuò)建工程，火炬系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)方案是盡量減少對(duì)原有火炬系統(tǒng)的改造。然而，隨著火炬處理量的提高，火炬分液罐、火炬管網(wǎng)和火炬頭等關(guān)鍵設(shè)備都需要進(jìn)行重新核算和調(diào)整，通過采用Aspen HYSYS[4]、Aspen Flare System Analyzer和Flaresim等專業(yè)分析軟件，從動(dòng)態(tài)整體上計(jì)算火炬泄放工況和火炬系統(tǒng)的運(yùn)行，主要設(shè)計(jì)思路如圖1所示（見下頁）。

首先需要重新確定泄放源，分析各泄放源發(fā)生的組合工況，確定BOG排放系統(tǒng)的最大泄放量；根據(jù)該最大泄放量校核火炬能力，如果不能滿足，可以通過工藝設(shè)計(jì)改造降低泄放量或者增加火炬數(shù)量實(shí)現(xiàn)增量處理；待確定火炬泄放量后，對(duì)火炬系統(tǒng)噪音范圍、熱輻射范圍和無煙操作等重新校核；結(jié)合三維模型和工藝流程圖對(duì)火炬管網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)迭代及校核計(jì)算，并核算泄放源動(dòng)背壓情況[5]和管道馬赫數(shù)，最終確定最優(yōu)管網(wǎng)布置[6]。

現(xiàn)以國內(nèi)某接收站擴(kuò)建工程為例，按照上述設(shè)計(jì)流程對(duì)整個(gè)火炬系統(tǒng)做改造計(jì)算。該工程主要包括新增兩座16萬m3的LNG儲(chǔ)罐及其相關(guān)配套設(shè)施，火炬為高架火炬，平臺(tái)高度是13.5m，火炬高度是30.5m，位于海平面上，周圍無遮擋物，原設(shè)計(jì)能力是80t/h。

2 新增泄放源及其參數(shù)

新增儲(chǔ)罐及其相關(guān)設(shè)施以后，增加多處泄放源，其中主要包括2個(gè)16萬m3的LNG儲(chǔ)罐和新增的壓力安全閥（PSV）及熱膨脹泄放閥（TSV）。

為方便提高計(jì)算精度，安全閥泄放量可采用ASPEN HYSYS V8.6軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算和選型方法采用API520和API521要求[7,8]。先通過靜態(tài)模擬對(duì)安全閥進(jìn)行初步選型，然后再利用動(dòng)態(tài)模擬核算安全閥的選型規(guī)格。

圖1 擴(kuò)建工程火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)流程圖

3 火炬能力計(jì)算和工況分析

目前LNG接收站中，引起B(yǎng)OG大量生成的主要原因包括大氣壓變化、破真空補(bǔ)氣閥故障、BOG壓縮機(jī)故障、卸船過程以及全廠停電事故等以及組合發(fā)生工況。根據(jù)多年LNG接收站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析，引起B(yǎng)OG量增大有表1中的幾種工況組合。

通過表1的對(duì)比分析，火炬能力的確定應(yīng)選用工況5（最大大氣壓變化和高壓補(bǔ)氣閥故障同時(shí)發(fā)生）[9]，擴(kuò)建后火炬處理能力應(yīng)不低于110.6t/h，而項(xiàng)目原火炬設(shè)計(jì)能力僅為80t/h，很明顯火炬能力設(shè)計(jì)不夠。由于火炬排量增加而導(dǎo)致火炬頭處理能力不夠，則需要拆除原有火炬重建或者增加火炬數(shù)量，這要求對(duì)棧橋下方支撐結(jié)構(gòu)的負(fù)荷強(qiáng)度重新核算和施工。施工難度大，工程耗時(shí)長(zhǎng)，投資費(fèi)用高，且對(duì)現(xiàn)有設(shè)施生產(chǎn)會(huì)造成影響。因此，為了降低施工難度和工程造價(jià)，盡量減少對(duì)原火炬系統(tǒng)的改造，為此，對(duì)影響火炬處理能力的因素進(jìn)行分析，從根源上降低最大排放量。

表1 火炬能力計(jì)算工況分析

最大大氣壓變化和破真空補(bǔ)氣閥決定了火炬的處理能力，其中最大大氣壓變化引起的泄放量與LNG儲(chǔ)罐的容積和數(shù)量、大氣壓變化速率有關(guān)，這些條件無法改變。另一項(xiàng)可變的是補(bǔ)氣閥故障引起的泄放量變化，該泄放量與補(bǔ)氣閥的流量有關(guān)，為降低火炬排放量，可將原1臺(tái)補(bǔ)氣閥更換為3臺(tái)較小流量的，單臺(tái)能力下降1/3，再考慮只有1臺(tái)閥門出現(xiàn)故障的情況。經(jīng)過此方法，最終擴(kuò)建后火炬排放量降低至90t/h。

4 火炬能力復(fù)核

利用項(xiàng)目已有火炬頭數(shù)目、火炬煙筒高度和直徑、火炬平臺(tái)高度等數(shù)據(jù)，使用火炬專業(yè)分析軟件——Flaresim核算火炬排量為90t/h下的輻射范圍、噪音范圍等。在計(jì)算中選擇的是單點(diǎn)源和多點(diǎn)源結(jié)合的火焰計(jì)算模型——Mixer模型。

4.1 火炬處理能力復(fù)核

通過Flaresim仿真火炬專業(yè)分析軟件計(jì)算，項(xiàng)目擴(kuò)建后，火炬處理能力增加到90t/h時(shí)，火炬出口流速是46.8m/s，馬赫數(shù)是0.177。滿足規(guī)范SH3009-2013[10]中對(duì)最大馬赫數(shù)0.5以下的要求，也滿足正常無煙排放馬赫數(shù)一般為0.2的要求。絕熱火焰溫度達(dá)到1760℃，火焰長(zhǎng)度是67.45m，在最大泄放量和最大風(fēng)速（12m/s）的情況下，火焰燃燒三維形狀如圖2所示。

圖2 火炬燃燒形狀（3D）

4.2 火炬熱輻射范圍復(fù)核

對(duì)原火炬在90t/h泄放量下的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 熱輻射范圍表

圖3 火炬熱輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

該項(xiàng)目中火炬分液罐等區(qū)域距離火炬的水平位置300m，根據(jù)輻射值計(jì)算結(jié)果顯示在海平面距離火炬300m處最大熱輻射值是1.116kW/m2（包含太陽輻射強(qiáng)度），符合規(guī)范SH3009-2013中火炬設(shè)施分液罐等區(qū)域熱輻射值要小于9.0kW/m2的規(guī)定。該擴(kuò)建工程中火炬距陸域（所有的生產(chǎn)裝置都在陸域）距離是120m，其最大熱輻射值是2.688 kW/m2，滿足SH3009-2013中要求“石油化工廠內(nèi)部的各生產(chǎn)裝置的允許熱輻射強(qiáng)度應(yīng)小于等于3.2 kW/m2”。

4.3 火炬頭噪音復(fù)核

圖4 噪音強(qiáng)度(dB)計(jì)算結(jié)果

火炬處理量增加，Mach值隨之增加，相應(yīng)的噪聲也會(huì)增大。在正常條件時(shí)，低流量燃料氣確保火炬微正壓，地面噪聲值非常低。但是在火炬最大量排放時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很大噪音，通過對(duì)擴(kuò)建后火炬頭的復(fù)核計(jì)算得到噪聲圖，如圖4所示。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在距離火炬120m（陸域裝置）位置噪音是97dB，滿足SH3009-2013中規(guī)定的“在全廠緊急事故最大排放工況時(shí)小于等于115dB”。

綜上所述，在采用3臺(tái)小流量補(bǔ)氣閥替換原1臺(tái)大流量補(bǔ)氣閥的方案基礎(chǔ)上，通過對(duì)火炬處理能力、熱輻射范圍、噪聲的復(fù)核計(jì)算，原火炬可以滿足擴(kuò)建工程的需要，無需再重新增加火炬設(shè)施。

5 火炬管網(wǎng)的計(jì)算

在LNG項(xiàng)目中，火炬管網(wǎng)主要用于收集安全閥泄放和LNG儲(chǔ)罐超壓排放的BOG。因此，在火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮火炬管網(wǎng)的壓降能否滿足儲(chǔ)罐達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)的安全泄放。這個(gè)過程需要不斷的核算，選出成本較低且安全合適的管網(wǎng)布置，優(yōu)化火炬管網(wǎng)[11]。

本擴(kuò)建項(xiàng)目由于火炬處理量增加，火炬管網(wǎng)的阻力降需要重新計(jì)算。與傳統(tǒng)計(jì)算方法[12]相比，采用專業(yè)火炬管網(wǎng)計(jì)算軟件Aspen Flare System Analyzer[13]計(jì)算更為精確，計(jì)算成本時(shí)耗更低。經(jīng)對(duì)火炬氣排放管網(wǎng)方案的不斷對(duì)比和核算，選出經(jīng)濟(jì)可行的陸域管網(wǎng)布置。

圖5 火炬管網(wǎng)計(jì)算模擬模型圖

如圖5所示，擴(kuò)建項(xiàng)目需要新增1條BOG總管和1個(gè)火炬分液罐，下面對(duì)新增BOG總管的管徑及接口方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，選出最佳方案確保任何一個(gè)LNG儲(chǔ)罐達(dá)到26kPa(G)時(shí)能安全泄放。主要對(duì)比表3中的三個(gè)方案。

表3 火炬管網(wǎng)方案對(duì)比

采用Aspen Flare System Analyzer火炬管網(wǎng)專業(yè)分析軟件，假設(shè)火炬頭壓力為0kPa(G)，反算得到各方案下各個(gè)儲(chǔ)罐的壓力如表4。

表4 各對(duì)比方案下儲(chǔ)罐壓力表

結(jié)合儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力和操作壓力，以及管路的安全經(jīng)濟(jì)性，最終選擇的是方案三。

6 總結(jié)

本文以某接收站項(xiàng)目為例，重點(diǎn)討論了擴(kuò)建工程火炬處理系統(tǒng)優(yōu)化的計(jì)算方法。通過ASPEN HYSYS、Flaresim 和 Aspen Flare System Analyzer專業(yè)分析軟件，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)在不增加火炬筒數(shù)目和改造火炬基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，完成擴(kuò)建工程火炬管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且提供了LNG項(xiàng)目對(duì)火炬系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)思路和方法，本設(shè)計(jì)思路已用于國內(nèi)某LNG接收站項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)，可以為今后擴(kuò)建項(xiàng)目火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和核算提供參考。

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