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泄放分析與火炬系統優化

泄放分析與火炬系統優化

  • 分類:行業動態
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2018-12-28
  • 訪問量:0

【概要描述】在火炬系統的設計和決策中您是否遇到如下問題?在擴能改造的項目中,無法評估原來的火炬系統是否夠用;在新建工廠的項目中,由于估計的泄放量太保守而導致火炬系統的尺寸過大?

泄放分析與火炬系統優化

【概要描述】在火炬系統的設計和決策中您是否遇到如下問題?在擴能改造的項目中,無法評估原來的火炬系統是否夠用;在新建工廠的項目中,由于估計的泄放量太保守而導致火炬系統的尺寸過大?

  • 分類:行業動態
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2018-12-28
  • 訪問量:0
詳情

背景

在火炬系統的設計和決策中您是否遇到如下問題?

  • 在擴能改造的項目中,無法評估原來的火炬系統是否夠用;

  • 在新建工廠的項目中,由于估計的泄放量太保守而導致火炬系統的尺寸過大;

問題根源

    無論是設計院或是業主,火炬系統的設計或決策往往都是一項十分棘手的工作,體現在:在現有裝置的擴能改造項目中,缺乏系統方法評估原有火炬系統的富余度,沒有充分依據判斷其是否能滿足新的排放要求,最終往往出于安全考慮而不得不新建火炬。一方面是投資增加,另一方面,如果沒有可靠手段對排放量進行準確量化,即使新建了火炬,在未來的擴能改造項目中,新建的火炬是否能滿足新的要求仍然是一個無法回避的問題。

    在新建工廠的項目中,由于估算泄放量太保守導致全廠火炬總管過大,造成投資增加甚至設計困難,而如果要縮減全廠泄放總量時,又沒有量化數據作為決策的支撐,存在安全風險。

    上述問題在國內十分普遍,究其原因,最核心的根源在于缺乏有效手段對裝置的泄放量進行合理的分析和計算。

    泄放是煉化裝置關鍵的安全手段,在設計階段對泄放過程進行量化分析是一項重要的、必不可少的工作,而對業主來說,美國等發達國家對泄放有十分嚴格的規定,比如美國OSHA規定煉廠需要委托專門機構,定期對安全閥泄放量和火炬系統容量進行評估和審查等,以避免可能的安全風險。泄放分析主要包括單設備泄放量的確定、全裝置以及全廠總泄放量的疊加分析,由于泄放工況的多樣性以及過程的動態性與復雜性,泄放分析一直是設計中十分困難的工作,比較典型地體現在:

  • 工藝專業難以提出清晰的泄放工況及其泄放量,或校核專利商的泄放數據;

  • 工藝和儲運專業沒有可靠方法確定裝置和全廠的疊加泄放總量;

  • 估算泄放量太保守導致全廠火炬總管過大,造成投資增加甚至設計困難;

  • 在全廠疊加總量需要縮減時,沒有量化數據作為決策的支撐,存在安全風險;

  • 在擴能改造的項目中,缺乏可靠方法評估原來的火炬系統是否夠用;

  • 沒有系統分析主動縮減措施(如HIPS)的可行性;

 

優化方法

    采用API法和動態模擬相結合的方法進行泄放分析和火炬系統優化,一般項目分為三個階段完成,分別是:

    第一階段分析的基本宗旨是,采用API 521規范的方法,詳盡地對各裝置進行泄放分析,第一階段分析是全部工作的基礎,其兩大基本原則是:1)必須符合最新版API 521的規范;以及2)必須保證是保守的。

    第一階段主要工作包括穩態建模、所有被保護設備的泄放工況的確定、假設條件的確定、泄放量的計算等,還包括加氫等裝置緊急泄壓的計算。API 521中是行業公認的泄放和泄壓分析的規范,API法以該規范為基本依據,根據對工藝流程和控制系統的分析,確定單設備適用的泄放工況,并根據規范中的原則以穩態模擬為基礎和工具,確定泄放量和物性。

    采用自主開發的SimTech Relief? 軟件分析和計算。

    由于多種原因,部分國內設計院對該方法的應用存在誤區。以蒸餾塔為例,國內大多采用“塔頂氣相法”,即將設計工況下塔頂的氣相量作為該塔最大泄放量提條件。而國外同行公認的是采用API規范中提到的“非平衡熱負載”方法,即泄放工況下不平衡的熱量加載到塔頂液相時所產生的氣相量。有足夠多的實際案例表明(表1),“塔頂氣相法”不能保證所提泄放量是安全和保守的,只能作為前期設計時粗略地估算,不適合作為設計依據。

第二階段分析的基本宗旨是泄放量的縮減,主要分為如下幾個步驟:

  • 動態單設備分析:在第一階段基礎上,根據一系列判斷依據,對需要進一步動態分析和優化的設備,建立嚴格動態模型,分析在事故工況下的動態泄放行為,得到單設備的動態泄放曲線(典型泄放曲線如圖1)。

  • 裝置的動態疊加分析:對若干具有物料和能量相關性的設備進行整體的分析,即在同一事故工況多個泄壓設備同時開啟時的疊加分析,典型的疊加曲線如下圖2

  • 主動縮減分析:根據實際條件,對泄放量大的被保護設備,采用工藝和設備變更、操作工干預、HIPS等主動方式,減少或消除其超壓泄放,從而減少火炬系統負荷并減少事故排放。

    動態模擬是目前進行泄放分析最佳的技術手段,也是API規范最新版本(API STD 521第六版2014)中推薦的方法,規范中提到“…動態模擬是更好地確定泄放量的方法并能更好地理解整個泄放發生的過程…”。國際眾多知名專利商、工程和咨詢公司均有大量案例報道運用動態模擬解決煉油、乙烯、芳烴、油氣處理、LNG等裝置的泄放和全廠火炬的分析問題。

    泄放過程具有典型的動態屬性, API方法則是基于靜態思路計算且要保證安全性,往往過于保守。但動態模擬是基于嚴格機理模型,在同樣符合API 521規范的前提下,能考慮上下游的耦合關系,因而模擬的泄放量相比API方法往往有大幅度的下降(表2),在全廠停電事故工況下的全裝置的動態疊加圖如圖2所示。動態模擬是在保證安全的前提下對泄放量進行合理縮減的有效手段。

    第一階段和第二階段并非完全割裂的,SimTech采用自主開發的循環迭代方法,對第一和第二階段的分析進行系統化分析,旨在得到最優化的單設備最大泄放量和每個裝置的最大泄放總量。

    第三階段分析的宗旨是圍繞全廠的火炬管道本身,對火炬系統的管道尺寸、背壓等進行核實,并基于已分析的裝置疊加曲線,并根據泄放物料可壓縮(Packing效應)等基本原理,進行優化分析,主要工作包括各裝置泄放量的線性化處理、全廠泄放的動態疊加、火炬系統背壓和馬赫數的動態分析、管線動態傳熱分析等,旨在得到最優的管徑,并且通過管壁溫度的嚴格分析,為管線材質的選擇、膨脹彎數量的優化等提供依據。

三個階段分析完成后,將得到如下數據和信息:

  • 各裝置被保護設備的泄放工況及其最大泄放量;

  • 各裝置排向各火炬系統的最大泄放量;

  • 全廠各火炬的最大泄放量;

  • 全廠各火炬的最佳尺寸及對應的最大背壓和馬赫數;

 

效益

本項目可能的效益主要來自于:

  • 在詳細數據的支持下,降低火炬系統尺寸或消除新建火炬的需求,預期效益將達千萬元級別。

  • 摸清現有老裝置和新建裝置的最大泄放總量,為將來進一步擴能改造時火炬系統的配置安排提供基礎依據。

  • 從安全性方面,對現有老裝置的泄放和火炬系統進行徹底的分析和評估,杜絕由于安全閥或火炬系統的不合理設置而造成的潛在風險。

  • 通過主動縮減措施,減少或消除工廠運行中的火炬氣排放,預期長期效益將達千萬元級別并減少對環境的影響。

  • 減少安全閥的尺寸或個數,從投資和對安全閥維護的角度,預期效益將會有數百萬元級別。

  • 通過火炬管道壁溫的嚴格分析,減少新建火炬管道膨脹彎的數量。

關鍵詞:

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