大型煉廠區(qū)域放空分液系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

楊 嬌 蘇珊珊 劉 緩 李鐵森

(中石油華東設(shè)計(jì)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(jì)是提高煉油企業(yè)競爭力的有效途徑，也是當(dāng)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(yùn)行費(fèi)用，也促進(jìn)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(shí)，裝置將泄放大量的排放物，因此合理設(shè)計(jì)區(qū)域放空系統(tǒng)對于煉油裝置穩(wěn)定、安全運(yùn)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(jìn)入火炬發(fā)生事故。放空氣體在火炬頭燃燒時(shí)，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(shí)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(jìn)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(dú)立的低壓放空罐。文章以美國石油學(xué)會(API)521為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對全廠放空分液系統(tǒng)各放空工況進(jìn)行分析，并對兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(diǎn)液體在降壓泄放時(shí)，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(gè)冷分液罐和一個(gè)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(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)對分液罐的尺寸進(jìn)行計(jì)算[3]。先假設(shè)分液罐的直徑和最小切向距離，計(jì)算液滴沉降時(shí)間和氣體停留時(shí)間，使氣體在分液罐中的停留時(shí)間大于等于液滴沉降時(shí)間，防止氣體帶液進(jìn)入火炬。液滴沉降時(shí)間可根據(jù)分液罐氣相空間的垂直高度和沉降速度計(jì)算得出，氣體停留時(shí)間可根據(jù)分液罐氣體進(jìn)出口切線長度和氣速進(jìn)行計(jì)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(jì)性[4]。

以方案一(常規(guī)火炬分液罐)計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)際沉降速度Ul=0.004 m/s，氣相實(shí)際速度Uv=1.906 m/s，水平停留時(shí)間tH=3.148 s，大于液滴沉降至液面的時(shí)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(jì)。同理，可計(jì)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(diǎn)泄放介質(zhì)。根據(jù)API 521標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試差計(jì)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(jì)算結(jié)果 mm

2.3 經(jīng)濟(jì)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(jì)性能進(jìn)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(dāng)分液罐離火炬小于250 m時(shí)，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(jì)溫度的確定

事故工況時(shí)，泄放介質(zhì)進(jìn)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(diǎn)的泄放工況，因此泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)溫度有如下方法可供參考。

(1)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定

國內(nèi)外大型工程公司通常有一個(gè)裝置火炬總管的操作極限，該值源于多套裝置多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從管道應(yīng)力角度來看，該經(jīng)驗(yàn)值對于設(shè)計(jì)是較為實(shí)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(jì)溫度定義為300～350 ℃，這對于寬沸點(diǎn)烴類裝置通常認(rèn)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(gè)非常高的設(shè)計(jì)溫度，煉廠火炬總管通常低于此溫度[5]，這是因?yàn)椋?/p>

①當(dāng)放空介質(zhì)流經(jīng)安全閥及放空管線時(shí)，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(dá)不到穩(wěn)定傳熱的平衡溫度；

③某股物流泄放時(shí)，可能會與其他低溫介質(zhì)混合后進(jìn)入火炬分液罐；

④介質(zhì)加熱火炬總管使之與環(huán)境達(dá)到熱平衡需要一定時(shí)間。

(2)基于嚴(yán)格的流體流動和傳熱計(jì)算

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

圖4為溫度隨軸向距離變化的結(jié)果，當(dāng)開始緊急泄放時(shí)，進(jìn)口端管道接近介質(zhì)泄放，管系在泄放10 min后達(dá)到平衡，離泄放點(diǎn)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(shí)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(jì)中，火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度可通過工程經(jīng)驗(yàn)確定或基于嚴(yán)格的流體流動和傳熱計(jì)算來確定。