全厂事故气排放系统的方案研究.pdf

马思中全厂事故气排放系统的方案研究马思中（中石化上海工程有限公司，上海 200120）摘要：新建工厂事故气排放系统作为工厂安全的重要手段，其处理能力的设计不应无限放大。通过对全厂事故排放工况的分析及各装置最大背压的水力学计算，研究系统管网的投资与装置背压的关系，得到事故气排放系统的优化方案。为全厂事故气排放系统的优化提供一种新的思路。关键词：排放工况；水力学计算；系统优化中图分类号：TQ 051.21文献标志码：A文章编号：2095-817X（2023）04-0012-007全厂可燃性气体排放系统是石油化工厂在紧急事故时保证工厂安全的重要手段，为了及时处理各装置生产中正常排放的易燃、易爆等有害气体，并能处理开停车和事故状态下释放的大量气体，保证装置安全正常运行，一般都配套建设了事故气排放系统。事故气排放系统设计需要对各装置排放源进行分析、汇总、归类，并进行必要的计算。本文以某新建工厂为例，研究全厂事故气排放系统方案。收稿日期：2023-05-15作者简介：马思中（1986），男，工程师，主要从事化工工艺研究与设计。1 研究对象某厂各装置涉及易燃易爆的原料、产品、中间品种类繁多，涵盖了极度危害、高度危害、中度危害的介质，部分化学品还具有较强腐蚀性。本次讨论的工厂各装置主要排放工况如表 1 所示。表 1 各装置排放工况汇总Tab.1 Summary of emergency relief case序号装置名称排放代号工况说明排放量/（t/h）体积/（Nm3/h）物料组成分子量 排放温度/最大允许背压/MPa1A 装置G1火灾509 333重芳烃 100%1202700.152B 装置G2停水、停电15085 934水 68.16%苯 10.85%环己醇 9.93%氢气 1.95%其他39.12150.15G3火灾6021 677乙酸 84.78%其他621560.153C 装置G4停水、停电11430 400环己烷 99.9%其他841440.154D 装置G5停水、停电5236 400叔丁醇 80.2%水 19.8%32930.15G6火灾45 271氨：100%17210.155E 装置G7停水、停电9327 055苯 97.9%水 2.1%77950.156F 装置G8火灾4.55 929氨：100%17240.152 排放系统划分2.1 排放系统划分事故气排放系统划分原则如下：（1）酸性气具有较强的腐蚀性，进入全厂性排放系统将造成整个系统的材质提高、增加工程投资，需设置专用的排放系统；12化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)化工工艺与工程（2）能与排放系统内其他介质发生化学反应的，需设置专用的排放系统；根据表 1 各装置事故工况排放介质的性质，事故气排放系统可根据物性划分。初步划分如下：A 火炬用于处理苯、环己烯等极度危害、高度危害介质 1；B 火炬用于处理乙酸等腐蚀性介质；C 火炬用于处理氨气 2。排放系统划分如表 2 所示。从国内实践经验看，全厂性停电、局部停电、停水等事故偶有发生，但不同的工厂在事故时表现出的排放情况差别很大，有出现多个装置发生排放的，也有没有出现大量排放的。但从以往的事故情况看，同一事故排放量 100%叠加是十分保守的，只考虑一个最大装置的事故排放量又太过于激进 3。在缺少各装置“排放量时间”曲线的情况下，采用下方简单叠加原则：（1）全厂最大排放量不考虑所有装置均同时最大量排放；（2）每个排放系统在同一事故中的最大排放量，按影响系统尺寸最大的某个装置排放量的 100%与其余装置排放量的 30%之和计算（体积流量），但不低于该系统中两个不同装置单点排放的总量；（3）两个毫无关联的故障同时发生的概率很小，因此不考虑同时发生两种事故；（4）在分析各种事故工况影响范围的基础上，确定每个总管、干管、支管的最大设计负荷，计算排放系统尺寸。3 排放系统设计3.1 外管走向图各装置外管走向如图 1 所示。表 2 排放系统划分Tab.2 Gas discharge system division系统划分事故气代号A 火炬G1、G2、G4、G5、G7B 火炬G3C 火炬G6、G82.2 排放量叠加原则通过调查和收集的信息表明，不论国内还是国外，采用简单叠加原则确定事故气排放量是比较普遍的方法。可以归纳为如下五种叠加原则：（1）全部装置事故排放量 100%叠加；（2）一个最大装置排放量与其余装置事故排放量的 50%叠加；（3）只考虑一个最大装置的事故排放量；（4）考虑两个装置最大事故排放量叠加；（5）一个最大装置排放量与其余装置事故排放量的 30%叠加 3。图 1 A 火炬外管走向图Fig.1 Pipe routing of discharge system A3.2 排放系统工况分析B 火炬及 C 火炬排放工况主要为火灾工况，因火灾工况为独立事件，不考虑多套装置同时发生火灾，故总管设计排量仅考虑单套装置。A 火炬主管 1主管 2主管 3支管 6分支 4分支 1分支 2支管 1支管 3E 装置 G7B 装置 G2C 装置 G4D 装置 G5A 装置 G1支管 4支管 5支管 2分支 313马思中.全厂事故气排放系统的方案研究根据 2.2 章节的叠加原则，初步判断各系统总管最大体积排放量见表 3 所示。A 火炬事故气系统工况较为复杂，以下主要研究该系统的尺寸与各装置背压的关系。计算时需对 A 系统各主管、支管所可能通过的最大体积排放量进行复核，使各工况下装置排放背压均能满足最大允许背压，A 火炬事故气系统各叠加工况汇总如表 4 所示。复核时可能出现最大排放量装置排放气体的分子量较小的情况，如 G5 的体积量虽然略大于 G4，表 3 各排放系统最大体积排放量汇总Tab.3 Total gas volume in each discharge system排放系统事故工况总管最大体积排放量A 火炬停水、停电B 火炬火灾G3 C 火炬火灾G8表 4 A 火炬事故气排放系统叠加工况汇总Tab.4 Summary of load for multi-process plants in discharge system A叠加工况事故工况排放量体积量/（Nm3/h）排序工况 1停水、停电G2100%+（G4+G5+G7）30%114 0903工况 2停水、停电G4100%+（G2+G5+G7）30%75 216工况 3停水、停电G5100%+（G2+G4+G7）30%79 416工况 4停水、停电G7100%+（G2+G4+G5）30%72 875工况 5停水、停电G2+G4116 3342工况 6停水、停电G2+G5122 3341工况 7停水、停电G2+G7112 9884工况 8停水、停电G4+G566 800工况 9停水、停电G4+G757 455工况 10停水、停电G5+G763 455工况 11火灾G19 333 但其分子量较小，经过简单计算：G4 单独排放时，主管 1（初估 30）管道流速 5.7 m/s，压降为 4.5 kPa；G5 单独排放时，主管 1 管道流速 6.2 m/s，压降为2.4 kPa。G4 对管径的影响略大于 G5，必要时 G4 可作为100%部分的取值。3.3 排放系统计算3.3.1 水力学公式从火炬头开始反算全厂排放系统管网装置边界处的各节点的排放背压。全厂可燃性气体排放系统管网内气体的实际流动状态一般介于等温和绝热状态之间。由于火炬气的温度都远离深冷温度，为简化计算的复杂程度，通常国际上的标准都采用较保守的等温方程式计算管网的流动阻力。排放系统管网内气体的流动均处在紊流区，该区的水力摩擦系数计算公式采用莫迪（Moody）公式。在 API 521、壳牌等公司标准以及其他欧美工程公司的标准事故气排放管道水力计算普遍采用等温方程式和莫迪公式 3。管道摩阻损失采用式（1）计算。lndfLMapppppp112212122212=-cccmmm;E （1）式中 f水力摩擦系数；L管道当量长度，m；d管道内径，m；Ma管道出口马赫数；p1管道入口压力（绝压），kPa；p2管道出口压力（绝压），kPa。水力摩擦系数按式（2）计算。0.0055Refde120 00010631=+cm=G （2）式中 e管道绝对粗糙度，m；Re雷诺数。管道出口马赫数按式（3）.Map dqkMZT3 23105220.5m#=-j （3）式中 qm气体质量流量，kg/h；14化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)Z 气体压缩系数，取相对分段计数的平均值；T排放气体的温度，K；k排放气体的绝热指数；M排放气体平均分子量。3.3.2 工艺计算明确近火炬头管道（即主管 1）最大压损出现的工况，并对该工况下主装置沿线管径进行计算。（1）由表 4 可知工况 1、工况 5、工况 6、工况7 的沿程阻力较大，管径不变时，各工况压损如表 5所示。虽然工况 6 的体积量大于工况 5，但工况 5 对 B装置 G2 排放工况背压的影响更大。（2）以工况 5 为事故气排放总管的关键工况，逐一调整相关沿线管道尺寸，对比分析如表 6 所示。由表 6 可见，序号 4 的管径方案中 B 装置边界压力 0.148 MPa 小于 B 装置最大允许背压，且管径最小。（3）以序号 4 为基准，对支管 3 进行分析如表 7所示。由表 7 可见，序号 41 的管径方案中 C 装置边界压力 0.141 MPa 小于 C 装置最大允许背压。工程设计阶段可以综合比较事故气排放管网尺寸和装置最大允许背压，提高装置最大允许背压以降低事故气系统投资。（4）采取同样的对比法，以工况 10 确认主管 2、主管 3、支管 4、支管 5 尺寸如表 8、表 9 所示。以工况 11 确认支管 6 尺寸，如表 10 所示。由表 8 可见，序号 414 的管径方案中 E 装置边表 5 主管 1 的关键工况分析表Tab.5 Analysis of key condition in header No.1主管 1上游压力/MPa排序工况 10.078 3工况 50.083 1工况 60.077 4工况 70.079 2表 6 工况 5 下 B 装置排放工况边界压力对比表Tab.6 Comparison of plant B backpressure in case No.5火炬边界主管 1支管 1支管 2B 装置 G2 序号压力/MPa管径上游压力/MPa管径上游压力/MPa管径上游压力/MPa压力/MPa0.050 280.1110 260.159 260.181 0.181 1280.145 260.168 0.168 2280.145 280.161 0.161 30.050 300.0947 280.131 280.148 0.148 4300.121 280.139 0.139 5表 7 工况 5 下 C 装置排放工况边界压力对比表Tab.7 Comparison of plant C backpressure in case No.5支管 3C 装置 G4序号管径上游压力/MPa压力/MPa160.1410.14141140.1510.15142120.1630.16343100.2110.21144界压力 0.140 MPa 小于 E 装置最大允许背压，且管径最小。由表 9 可见，序号 4142 的管径方案中 D 装置边界压力 0.143 MPa 小于 D 装置最大允许背压。由表 10 可见，序号 41422 的管径方案中 A 装置表 8 工况 10 下 E 装置排放工况边界压力对比表Tab.8 Comparison of plant E backpressure in case No.10主管 1主管 2支管 4E 装置 G7序号压力/MPa管径上游压力/MPa管径上游压力/MPa压力/MPa0.061 160.141140.166 0.166 411 160.154 0.154 412 0.061 180.109 120.155 0.155 413 140.140 0.140414 160.125 0.125 415 边界压力 0.103 MPa 小于 A 装置最大允许背压。3.4 汇总根据各装置最大允许背压调整的 A 火炬事故气系统管网尺寸如图 2 所示。15马思中.全厂事故气排放系统的方案研究该系统尺寸下，各装置边界背压实际情况如表11 所示。3.5 背压与管径适当提高装置边界压力可以降低排放系统管道投资，但提高装置边界压力将影响装置安全及安全阀选型，所以需要将排放系统的投资与装置投资进行综合比较，进而选取一个平衡点。单独调整各装置的边界允许背压，相关系统尺寸调整如表 1215 所示。A 火炬事故气排放管线选用无缝碳钢管，各尺寸管线单价 4（含材料费及安装费）如表 16 所示。A 火炬事故气排放管线投资与各装置允许背压关系如图 3 所示。由图 3 分析得出，小幅度提高 B 装置背压时，表 9 工况 10 下 D 装置排放工况边界压力对比表Tab.9 Comparison of plant D backpressure in case No.10主管 2主管 3支管 5D 装置 G5序号压力/MPa管径上游压力/MPa管径上游压力/MPa压力/MPa0.109140.129 140.152 0.152 41410.109160.119 140.143 0.143 4142表 10 工况 11 各管径与 A 装置排放工况边界压力对比表Tab.10 Comparison of plant A backpressure in case No.11主管 3支管 6A 装置 G1序号压力/MPa管径上游压力/MPa压力/MPa0.129 80.182 0.182 414210.119 100.103 0.103 41422图 2 A 事故气排放系统尺寸图Fig.2 Piping size of discharge system A主管 1300.0030 inch支管 1200.0028 inch支管 350.0016 inch支管 2200.0028 inch分支 1分支 2分支 3分支 4主管 250.0018 inch主管 3100.0016 inch支管 6100.0010 inch支管 550.0014 inchA 装置 G1D 装置 G5E 装置 G7B 装置 G2支管 450.0014 inchA 火炬表 11 各装置边界最大背压汇总表Tab.11 Max backpressure of each plant装置名称边界最大压力/MPa对应工况A 装置 G10.103工况 11B 装置 G20.148工况 5C 装置 G40.141工况 5D 装置 G50.143工况 10E 装置 G70.140工况 10A 火炬事故气管网投资下降趋势明显。C、D、E 装置的最大允许背压的调整对管网投资影响较小。若提高背压后 B 装置投资增加量小于 A 火炬事故气管网投资减少量，且安全上允许，则提高 B 装置允许背压的方案可行。4 总结（1）当工艺装置数量较少时可以采用穷举法，可以穷举各装置所有叠加方案，如表 4。工况总数为“n+（n-1）（n-2）+m”，n 为叠加工况下排放代号数虽然主管尺寸无影响，但会影响相邻 C 装置的支管管径，导致管网投资增加；进一步提高 B 装置背压时，16化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)表 12 B 装置允许背压及对应管道尺寸变化汇总Tab.12 Piping size varies in different plant B allowed backpressure B 装置 G2 允许背压/MPa主管 1主管 2主管 3支管 1支管 2支管 3支管 4支管 5支管 60.153018162828161414100.163018162828181414100.172818162826181414100.18281816282618141410表 13 C 装置允许背压及对应管道尺寸变化汇总Tab.13 Piping size varies in different plant C allowed backpressureC 装置 G4 允许背压/MPa主管 1主管 2主管 3支管 1支管 2支管 3支管 4支管 5支管 60.153018162828161414100.163018162828141414100.173018162828121414100.18301816282812141410表 14 D 装置允许背压及对应管道尺寸变化汇总Tab.14 Piping size varies in different plant D allowed backpressureD 装置 G5 允许背压/MPa主管 1主管 2主管 3支管 1支管 2支管 3支管 4支管 5支管 60.153018162828161414100.163018142828161414100.173018142828161414100.18301814282816141410表 15 E 装置允许背压及对应管道尺寸变化汇总Tab.15 Piping size varies in different plant E allowed backpressureE 装置 G7 允许背压/MPa主管 1主管 2主管 3支管 1支管 2支管 3支管 4支管 5支管 60.153018162828161414100.163018142828161414100.173018142828161414100.18301814282816141410表 16 无缝钢管单价Tab.16 Price of carbon steel pipe尺寸单价/（万元/百米）1013.461214.061415.461616.281817.332019.812219.982420.152622.022823.883025.133226.37图 3 投资与装置允许背压关系图Fig.3 Diagram of relationship between system investment and allowed backpressure装置允许背压/MPa投资/万元0.150.170.160.18232.9232.1233.5232.5B 装置背压C 装置背压D 装置背压E 装置背压232.1231.8231.8232.1226.0226.0236.0234.0232.0230.0228.0226.0224.0220.0量，m 为不需叠加的排放代号数量。确保所有工况均能满足装置允许背压。17马思中.全厂事故气排放系统的方案研究（2）工艺装置数量较多时，可从近火炬头的主管开始逐一进行分析关键工况并调整管径。（3）各总管、支总管的最大体积工况不一定是压损最大的工况，需综合考虑加权平均分子量对排放管线的影响。（4）通过调整装置允许背压，根据实际火炬管网长度及尺寸，对比火炬管网投资与装置投资，可以优化新建工厂总投资。参考文献中国石油和化工勘察设计协会设备设计专业委员会.压力1 容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类标准 HG/T 206602017 S.北京：科学技术文献出版社，2017.中国石油化工集团公司.石油化工企业设计防火标准（20182 年版）GB 501602008S.北京：中国计划出版社，2018.中国石油化工集团公司.石油化工可燃性气体排放系统设计3 规范 SH 30092013S.北京：中国石化出版社，2014.中石化工程定额管理站.石油化工安装工程概算指标（20194 版）155144 1624S.北京：中国石化出版社，2020.Study on the Scheme of Accident Gas Discharge System in Whole PlantMa Sizhong（Sinopec Shanghai Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）Abstract:As an important means of plant safety,the design of the processing capacity of the accident gas emission system in a newly built plant should not be infinitely enlarged.Through the analysis of the accident discharge condition of the whole plant and the hydraulic calculation of the maximum back pressure of each device,the relationship between the investment of the system pipe network and the back pressure of the device was studied,and the optimization scheme of the accident gas discharge system was obtained.It provided a new way to optimize the accident gas emission system of the whole plant.Keywords:emission conditions;hydraulics calculation;system optimization欢迎订阅化工与医药工程（邮发代号 4910）化工与医药工程创刊于1980年，是经国家科技部、国家新闻出版广电总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。本刊是国家认定的学术期刊（A类）。由中国石油化工集团有限公司主管，中石化上海工程有限公司主办。化工与医药工程致力于为化工、医药及相关行业从事工程设计、建设与生产工作的广大科研、技术与生产人员服务。主要内容有：化工工艺与工程、医药工艺与工程、装备应用与研究、HSE与节能减排、综述与专论、信息等。本刊发行量大，影响面广，专业性强。化工与医药工程为双月刊，A4开本，全国各地邮局均可办理订阅，全年定价：90 元/年（含邮费）。电 话：[phone]、52136992订阅邮箱： 18化 工 与 医 药 工 程第44卷第4期2023年8月出版Chemical and Pharmaceutical Engineering 2023，44(4)