楊 嬌 蘇珊珊 劉 緩 李鐵森

(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

建設(shè)大型化煉廠、發(fā)展規(guī)模經(jīng)濟是提高煉油企業(yè)競爭力的有效途徑，也是當今世界煉油工業(yè)發(fā)展的趨勢。2010—2019年，全球煉廠數(shù)量由662座減少到660座，而煉廠平均加工規(guī)模由5.45 Mt/a增至7.7 Mt/a，加工規(guī)模20 Mt/a以上的煉廠從20座增至33座，其中23座位于亞洲和中東地區(qū)[1]。煉油規(guī)模大型化和煉油裝置大型化可以充分發(fā)揮大型煉廠的系統(tǒng)優(yōu)勢，降低生產(chǎn)過程中的運行費用，也促進了公用工程的集成化設(shè)置。在大型煉廠開停車、全廠性突發(fā)事故發(fā)生時，裝置將泄放大量的排放物，因此合理設(shè)計區(qū)域放空系統(tǒng)對于煉油裝置穩(wěn)定、安全運行至關(guān)重要。

在裝置停車、安全閥泄放等工況下，煉廠可能會有大量的氣體和液體排入放空系統(tǒng)，放空分液系統(tǒng)的主要作用是分離氣液相，防止液相進入火炬發(fā)生事故。放空氣體在火炬頭燃燒時，若氣體夾帶600～1 000 μm的液滴，火炬燃燒將會產(chǎn)生大量煙霧；若氣體夾帶的液滴超過1 000 μm，則會造成火炬頭下火雨。由放空系統(tǒng)分液罐導(dǎo)致的安全事故時有發(fā)生，2005年3月23日，英國石油公司(BP)位于德克薩斯州的煉廠即因放空系統(tǒng)分液罐中的液體進入煙囪，液體從煙囪中噴濺出來形成極易燃燒的蒸汽云，從而導(dǎo)致了爆炸[2]。

某國外新建千萬噸級大型煉廠擬全廠共用一套分液罐，處理來自渣油加氫、催化裂化、柴油加氫、汽油加氫、異構(gòu)化、烷基化、丙烯精制等裝置的低壓泄放介質(zhì)，各裝置內(nèi)不設(shè)置獨立的低壓放空罐。文章以美國石油學會(API)521為設(shè)計標準，對全廠放空分液系統(tǒng)各放空工況進行分析，并對兩種設(shè)計方案進行技術(shù)和經(jīng)濟對比。

1 主要工藝參數(shù)

由于該煉廠曾發(fā)生電力故障導(dǎo)致全廠所有裝置停工，因此全廠放空系統(tǒng)分液罐的計算需考慮全廠停電工況。全廠停電工況下，低壓火炬系統(tǒng)瞬時最大泄放量及泄放物性質(zhì)如表1所示。

表1 全廠停電工況下低壓火炬系統(tǒng)泄放情況

根據(jù)API 521標準中的相關(guān)規(guī)定，多套工藝裝置火炬系統(tǒng)泄放量不考慮兩種事故同時發(fā)生的情況[2]。裝置在其他單事故工況下，低壓火炬系統(tǒng)瞬時最大泄放量及泄放物性質(zhì)如表2所示。

表2 其他工況下低壓火炬系統(tǒng)泄放情況

2 工藝方案

2.1 工藝流程選擇

烷基化、異構(gòu)化、丙烯精制等裝置中低沸點液體在降壓泄放時，因閃蒸而急劇降溫，導(dǎo)致分液罐中液體結(jié)冰。根據(jù)泄放物性質(zhì)，放空氣體的分液系統(tǒng)需設(shè)置一個冷分液罐和一個低壓火炬分液罐，烷基化、異構(gòu)化、丙烯精制裝置的泄放物排至冷分液罐，渣油加氫、催化裂化、柴油加氫、汽油加氫裝置的泄放物則排至低壓火炬分液罐。

為了防止分液后的低溫氣體與高溫氣體混合時高溫氣體溫度降低而導(dǎo)致混合氣體帶液，該煉廠分液罐的設(shè)計有兩種方案可供選擇：一是經(jīng)冷分液罐和低壓火炬分液罐分液后的氣體分別進入低壓火炬系統(tǒng)(即方案一，流程示意見圖1)；二是經(jīng)冷分液罐分液后的氣體與進入低壓火炬分液罐的氣體混合，混合氣經(jīng)常規(guī)分液罐分液后進入低壓火炬系統(tǒng)(即方案二，流程示意見圖2)。

圖1 方案一流程

圖2 方案二流程

2.2 分液罐尺寸確定

根據(jù)API 521標準對分液罐的尺寸進行計算[3]。先假設(shè)分液罐的直徑和最小切向距離，計算液滴沉降時間和氣體停留時間，使氣體在分液罐中的停留時間大于等于液滴沉降時間，防止氣體帶液進入火炬。液滴沉降時間可根據(jù)分液罐氣相空間的垂直高度和沉降速度計算得出，氣體停留時間可根據(jù)分液罐氣體進出口切線長度和氣速進行計算。由于系統(tǒng)氣體流量大，且分離的液體量較多，采用臥式分液罐更具經(jīng)濟性[4]。

以方案一(常規(guī)火炬分液罐)計算為例，常規(guī)火炬分液罐在全廠停電工況下火炬泄放量更大，因此以該工況為常規(guī)火炬分液罐的設(shè)計工況。

式中：C(Re)2為無量綱變量；d為火炬分液罐分離的液滴直徑，m；ρv為氣相密度，kg/m3；ρl為液相密度，kg/m3；μ為氣相黏度，mPa·s。

根據(jù)C(Re)2-C拽力因子表，查取拽力因子C=1.07。

將300 μm液滴分離時，液滴沉降的臨界速度(Uc)為：

式中：g為重力加速度。

預(yù)設(shè)分液罐直徑為4 m，切線長度為13 m?？紤]單事故工況下，從低液位到高液位有25 min停留時間，預(yù)設(shè)分液罐低液位高度為225 mm，忽略封頭體積，分液罐低液位體積為1.679 m3，則液相裝滿因子α=0.25。液滴在分液罐中的實際沉降速度Ul=0.004 m/s，氣相實際速度Uv=1.906 m/s，水平停留時間tH=3.148 s，大于液滴沉降至液面的時間3.134 s，該分液罐直徑和切線長度分別按照4 000 mm和13 000 mm設(shè)計。同理，可計算方案一冷分液罐的直徑和切線長度分別為2 400 mm和8 500 mm。方案二冷分液罐尺寸與方案一相同，但方案二常規(guī)分液罐在全廠停電工況下，不僅需要處理常規(guī)泄放物，還要處理來自低壓泄放罐的低沸點泄放介質(zhì)。根據(jù)API 521標準進行試差計算，兩種方案的分液罐尺寸分別如表3所示。

表3 分液罐尺寸計算結(jié)果 mm

2.3 經(jīng)濟性對比

兩種方案的投資區(qū)別主要體現(xiàn)在分液罐及管線投資上。方案一中分液罐至火炬的管線需要一根直徑600 mm和一根直徑1 000 mm的管線，而方案二中分液罐至火炬的管線僅需一根直徑1 100 mm的管線?？紤]到從分液罐至火炬管線的用量，對兩種方案的經(jīng)濟性能進行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種方案投資比較

從圖3可以看出：當分液罐離火炬小于250 m時，方案一更優(yōu)，反之方案二更優(yōu)。因此若分液罐設(shè)置在裝置區(qū)，方案二更佳；若分液罐設(shè)置靠近火炬，則方案一更佳。

3 放空總管及分液罐設(shè)計溫度的確定

事故工況時，泄放介質(zhì)進入放空分液系統(tǒng)將導(dǎo)致放空總管膨脹或收縮。鑒于各事故工況的復(fù)雜性，放空系統(tǒng)要考慮所有泄放點的泄放工況，因此泄放系統(tǒng)的設(shè)計溫度難以確定。對于各泄放支管，通常以非火災(zāi)工況下的泄放溫度為操作溫度，而裝置內(nèi)泄放總管的設(shè)計溫度確定通常比較復(fù)雜，且國內(nèi)外各工程的做法并不一致。目前，用于確定裝置內(nèi)泄放總管的設(shè)計溫度有如下方法可供參考。

(1)根據(jù)工程經(jīng)驗確定

國內(nèi)外大型工程公司通常有一個裝置火炬總管的操作極限，該值源于多套裝置多年運行經(jīng)驗，從管道應(yīng)力角度來看，該經(jīng)驗值對于設(shè)計是較為實用的。如部分工程公司將火災(zāi)工況下裝置內(nèi)火炬總管設(shè)計溫度定義為300～350 ℃，這對于寬沸點烴類裝置通常認為是合理的。然而，對于工藝裝置火炬放空總管來說，350 ℃是一個非常高的設(shè)計溫度，煉廠火炬總管通常低于此溫度[5]，這是因為：

①當放空介質(zhì)流經(jīng)安全閥及放空管線時，會由于熱損失導(dǎo)致操作溫度逐漸下降；

②如果安全閥間歇打開，則火炬總管泄放溫度達不到穩(wěn)定傳熱的平衡溫度；

③某股物流泄放時，可能會與其他低溫介質(zhì)混合后進入火炬分液罐；

④介質(zhì)加熱火炬總管使之與環(huán)境達到熱平衡需要一定時間。

(2)基于嚴格的流體流動和傳熱計算

如某加氫裝置緊急泄壓時，以高溫氫氣為泄放介質(zhì)(367 ℃)進行泄壓計算，假設(shè)初始狀態(tài)下壁溫與環(huán)境溫度一致(35 ℃)，進行流體力學計算。

圖4為溫度隨軸向距離變化的結(jié)果，當開始緊急泄放時，進口端管道接近介質(zhì)泄放，管系在泄放10 min后達到平衡，離泄放點30 m處管壁溫度下降17 K。

圖4 管壁溫度隨軸向距離變化

4 結(jié)論

(1)兩種方案均可實現(xiàn)全廠低壓火炬氣體分液的目的。與方案一相比，方案二分液罐尺寸略大，但分液罐至火炬的管線僅需一根。根據(jù)投資分析，若分液罐設(shè)置在裝置區(qū)，方案二更優(yōu)；若分液罐設(shè)置靠近火炬，則方案一更優(yōu)。在裝置區(qū)平面布置不緊張的情況下，可優(yōu)先考慮方案二。

(2)工程設(shè)計中，火炬系統(tǒng)的設(shè)計溫度可通過工程經(jīng)驗確定或基于嚴格的流體流動和傳熱計算來確定。