干貨分享│乙烯裝置火炬負荷深度分析

乙烯裝置的火炬系統一般分為冷火炬和熱火炬系統。冷火炬系統收集泄放溫度低于4℃的物料，熱火炬系統收集泄放溫度高于4℃的物料。含水物料的排放，原則上應該排至熱火炬系統，但對于液化烴類物質，由于泄放過程中會造成低溫，因此需要綜合判斷其各種影響。冷火炬罐內的液體在冷火炬汽化器內汽化再返回罐中，冷火炬罐頂部排出的冷火炬氣經過熱并入熱火炬總管后送出到界區外的火炬。

乙烯裝置火炬總排量的分析需基于整個裝置的安全性和經濟性。如果設計的火炬總排量偏小，在裝置故障時工藝氣體不能得到及時排放；如果設計的總排量偏大，將會大幅增加火炬總管的尺寸和火炬設施的規模，進而增加整個裝置的投資，降低其經濟效益。因此，作為裝置緊急事故停車的安全保證措施，火炬總負荷的確定是十分重要的。下面以某百萬噸級規模乙烯裝置為例，說明乙烯裝置火炬總排量的確定原則與方法。

乙烯裝置簡介

某百萬噸級乙烯裝置采用前脫丙烷前加氫工藝流程，裝置年操作時間為8000h，除生產聚合級乙烯和聚合級丙烯外，同時副產氫氣、混合碳四、粗裂解汽油、裂解燃料油等。整個裝置包括：原料預處理區、裂解爐區、急冷區、壓縮區、前脫丙烷前加氫區、冷分離區、熱分離區、乙烯熱泵及制冷區、丙烯制冷區、煉廠干氣回收區等。

減排前后火炬排量對比

乙烯裝置的火炬負荷的分析涵蓋多個工況，如停水工況、停電工況、裂解氣壓縮機跳車工況、丙烯制冷壓縮機故障工況、乙烯制冷壓縮機故障工況和急冷水故障工況等。若裝置未采取任何減排措施，整個火炬系統的總負荷是相當大的。最大工況是停水工況，此時火炬的總負荷約為4900t/h(包括熱火炬和冷火炬的排放)，如果按該總負荷設計火炬系統，火炬總管的尺寸和火炬設施的規模將非常巨大，這將造成投資的大幅度增加，影響整個裝置的經濟效益。

故通過采取減排措施降低乙烯裝置火炬的總負荷是十分必要的，可以降低投資，進一步提高競爭性和綜合效益。采取減排措施后可以顯著降低火炬的總泄放量，此時的火炬系統總排量約為1500t/h(包括熱火炬和冷火炬的排放)。

火炬減排措施

1火炬負荷控制原則

為減少火炬負荷，在出現全廠性停水、停電等事故時，可以采用高度可靠的安全儀表系統(SIS)來減少同時起跳泄壓的安全閥數量。SIS系統的典型功能是切斷系統內造成超壓的根源。

SIS系統通常由三部分組成：即工藝參數檢測器(探頭)、邏輯解算器(邏輯回路)和最終控制元件。工藝參數檢測器通常是直接測量壓力，也可以測量引起超壓的其他參數，例如冷卻水溫度高或流量低。

為減少火炬負荷，通常采用以下原則：

1) 采用SIS儀表系統達到或超過SIL-3級的要求來減少火炬負荷，并根據SIS系統的安全等級計算出火炬實際排量大于限排量的幾率。

2) 每個獨立的泄放源均必須采用SIL-3級的安全儀表系統。

3) 每個SIL-3級的安全儀表系統要有一個硬件故障裕度，至少有1個子系統如此。

4) 火炬系統的設計能力是基于沒有SIS系統的各泄放源的負荷加上1個最大的SIS系統失效的泄放源負荷之和確定的。它是假定1個SIL-3系統操作故障，把最大的失效泄放負荷加上無減排措施的泄放負荷而得到的。

5) 每個泄放源均按泄壓裝置的最大能力確定泄放量，每個泄放負荷均不減少泄放量。

6) 檢測器和邏輯解算器系統采用3取2的原則，以避免誤動作，保證本質安全。

7) 按照需要，SIS系統和其他工藝控制系統分開設置，以便處理全廠性的故障。

8) 通常允許檢測器和現場儀表共享，滿負荷的壓力泄放裝置有另一層面的獨立保護。

在此尤其需要強調的是：SIS系統的所有元件需要有冗余，典型的組件構型由3取2的3個變送器組成，邏輯回路的3重模塊冗余也是3取2的，以及現場有冗余的硬件(例如采用2個切斷閥)。

SIS系統也廣泛應用于精餾塔和壓縮機系統，因為這些系統在電力故障、停水故障時會產生較大的泄放流量。此時用SIS系統檢測每座塔的塔頂壓力，當塔壓高時適時切斷再沸器的熱源，進而減少整個塔系的火炬泄放量。

在SIS系統中，SIL-3級回路的輸出信號必須通過獲得SIL-3級認證的卡板直接驅動現場電磁閥，否則會造成安全等級下降。為實現可靠切斷物料，同時又節約投資，可以采用1臺現場聯鎖調節閥配置2套串聯電磁閥的方式以確保安全停車。同時，DCS系統也向調節閥發出信號，確保安全聯鎖閥門動作。

2壓控閥（B閥）

精餾塔上控制壓力的“B”閥可以產生很大的泄放量。

當檢測的壓力低于SIS的高壓跳車設定值時，“B”閥為“開”，以控制塔頂壓力。對于設有“B”閥的精餾塔，在全廠性故障情況下，“B”閥必須是跳車“關”?！癇”閥裝有冗余的電磁閥以保證在跳車時閥門處于“關”的狀態。因此，火炬系統的總負荷可不用考慮“B”閥產生的泄放量。

3丙烯制冷壓縮機的火炬氣減排

丙烯制冷壓縮機系統是一個很大的閉路系統，壓縮機出口丙烯氣體被冷卻水冷凝。冷卻水故障會導致丙烯制冷壓縮機出口超壓泄放，且其泄放量相當大。為減少整個火炬系統的總負荷，必須采取有效措施，在事故工況下減少丙烯制冷壓縮機的火炬氣排量。對于這種工況，采用SIL－3系統是當壓縮機停車時，保證關閉超高壓蒸汽管線上的主汽閥，使蒸汽透平跳車。

通過增加組件的冗余度來進一步減少SIS系統發生故障的可能性，以確保丙烯制冷壓縮機不泄放，具體方法是在進入壓縮機透平的超高壓蒸汽管道上設置2個切斷閥，通過對減少火炬負荷的SIS系統增加檢測器(探頭)的冗余度來實現。產生全廠性故障跳車動作的信號來源有2個途徑：一是檢測到“冷卻水流量低”；二是電力故障時檢測到“低電壓”。

邏輯回路的冗余是通過現場壓縮機的信號輸入和全廠性的信號輸入在各自的處理器上重新進行處理實現的。邏輯回路跳車的輸出信號作用在蒸汽透平入口管線的2個切斷閥上。

4丙烯精餾塔系的火炬氣減排

丙烯精餾塔系通常由雙塔組成，即丙烯汽提塔和丙烯精餾塔。在冷卻水或電力系統發生故障時，丙烯精餾塔系的排放負荷很大。為減少排放負荷，SIS系統采用切斷再沸器熱源的方法。對丙烯塔采用1套高級的儀表冗余系統來保證丙烯精餾塔系不泄放。

在進入丙烯汽提塔和丙烯精餾塔再沸器的急冷水管線上分別設置2臺獨立的切斷閥，以保證在冷卻水故障或電力系統故障時切斷再沸器的熱源。切斷閥的2個邏輯回路將會動作，第一個邏輯回路收到來自3個塔頂壓力變送器的輸入信號，然后作用在2個切斷閥的每個閥門上；第二個邏輯回路收到來自冷卻水故障或電力系統故障時檢測器的2種輸入信號，也作用在2個切斷閥的每個閥門上，以確保丙烯精餾塔系不泄放。