石油化工装置中可燃气体排放的控制

石油化工装置中可燃气体排放的控制

原油长距离输送有两种方式。其中之一是关闭封闭系统或火环的排放。其次，引导或分散在集中或分散的环境中。而大型的石油化工生产都是通过火炬排放易燃易爆的气体,其中可燃气体、蒸汽或有毒气体经分离罐进行分离处理,捕集下来的液滴或污液进行回收或经地下排污管排至安全地点,其气态物质经防止回火的密封罐后导入火炬系统,焚烧后达到安全排放标准排放至大气。火炬系统包括将气体送至火炬的管道、火炬管(火炬筒)、燃料气管道、惰性气体管道、火炬点火、控制及信号装置等。根据可燃气体排放压力的不同,分为高、低压两个火炬管网排放;根据介质含水状态的不同,又分为干火炬、湿火炬排放系统。无论是怎样的火炬总管,在管道布置设计中都有相同的特点,根据这些特点进行必要的应力计算和分析,使火炬总管的设计在保证人身安全与生产安全的前提下,更加经济、合理。11.1开停工及检修时泄压排放的不可燃性气体石油化工装置中能排入火炬总管的可燃性气体有以下几种:(1)生产装置无法利用而必须排出的可燃性气体。(2)事故排出或安全阀泄压排出的可燃性气体。(3)开停工及检修时泄压排出的可燃性气体。(4)液化石油气泵等短时间间歇排放的可燃性气体。此外,经处理后也能进入火炬总管的可燃气体为:(1)当甲、乙类设备的安全阀出口排放大量液化烃时,需先经分液,方可排入火炬总管。(2)为防止火炬总管的腐蚀,泄放后可能携带腐蚀性液滴的可燃性气体,应经分液后接至火炬总管;含有H(3)含有沥青、渣油或粉末的可燃性气体应在装置内处理,分离后方可排入火炬总管。根据火炬总管排放的介质特点,通常一个火炬排放体系是由一套火炬管网和分液罐组成。1.2火炬总管的管道设计由于火炬总管中的可燃性气体含有液滴,因此火炬总管的布置与一般化工管道布置有所不同。(1)火炬总管的敷设有3‰～5‰的坡度要求,所以应在管廊上单独高架敷设。而且应坡向装置边界线外的分液罐或全厂火炬总管,不宜有“袋形”,否则应采取排液措施。(2)接至火炬总管的管道,应在总管上方沿流向45°斜接,尽可能减少阻力。(3)在火炬总管上,不得有死角,当改变管道走向时,应采用(4)火炬总管应设水平敷设的U型补偿器或波纹补偿器。(5)计算固定管架推力时,一定要考虑管道中气液两相流动,当管道转弯时,产生的冲击力对固定架的影响。(6)为避免火炬系统发生内爆炸或产生其它不安全因素,火炬气总管的上游最远端设有固定的吹扫设施,该吹扫设施包括一个流量计、一个止回阀和一个手动调节阀门。所有的火炬总管都应设氮气吹扫用软管接口1.3接头处材质选取火炬总管的材料根据介质状态及性质不同,按各项目工程中的《管道材料等级规定》,选用适宜的材质并进行相应的加工处理。通常火炬管网各部分的材料根据温度、压力的不同而不尽相同;如果总管与总管相接或总管与支管相接,其接头处材质取两者材质高者,且其长度在接头处上游至少要有5m。石油化工压力管道设计中,常用钢材牌号的适用温度范围如下:1016Mn-40～450℃09Mn2V-70～100℃12CrMo≤525℃15CrMo≤550℃12Cr1MoV≤575℃1Cr5Mo≤600℃低碳奥氏不锈钢-196～700℃超低碳奥氏不锈钢00Cr19Ni10≤400℃00Cr17Ni12Mo2≤450℃在工程上,当单向拉压时,保证材料具有足够强度和耐久性情况下的应力最大许用值,称为许用应力。ASMEB31.3中定义为基本许用应力。在GB50316中,规定许用应力见表1。2火炬总管的设计及计算了解火炬总管的特点之后,就可以对火炬总管进行配管设计及应力分析和计算。首先要对整个管系柔性进行初步的诊断。2.1管系膨胀干个管段先采用简化法对火炬管系进行分析,看其配管弹性是否合适。根据管道材质的线膨胀量,初步计算出管道在无拘束条件下的伸长量,然后根据该管系特点将其分割成若干个管段,让各管段独自进行膨胀。例如:如图1所示为一个火炬总管部分管道走向示意图,此管系是以火炬总管的固定架为分割点,将两固定架之间的管道看作一个独立的管系进行计算,当各个分支管系配管弹性通过计算后,再进行整个管系复合运算,或将固定架的力和力矩进行合成。由图1可知,此管系有主管系①-②和支管③组成,将固定架①视为起始端,作为基准点,计算两固定端之间的膨胀量。首先要根据项目的工程规范确定管系的计算温度、计算压力、腐蚀裕量等设计输入条件。2.1.1预压及内压、外压管道系统的计算压力应取自工艺管线一览表中的设计压力,并应满足不小于在使用时所能达到的温度和压力耦合下的最苛刻的压力值。规范限定的偶发变化除外。此外,管道计算压力应不低于正常操作中预计的最高压力或在最苛刻温度下同时发生的内压或外压,取其最危险工况。对工艺有特殊要求的工况(指温度与压力的耦合)也应予以考虑。2.1.2asme33.3模型分析原理管道计算温度应根据工艺管线表中的设计温度确定,膨胀应力应由使用所有操作的工况影响下的最大温差。进行管道应力分析时,不仅要考虑正常操作温度条件下的温度,还要考虑短时超温工况(如开车、停车、蒸汽扫线、再生等)。文中示例的最大操作温度为安全阀起跳排放时,最热介质的最高排放温度。所以,此管系的设计输入条件为:最大操作温度为263℃;设计压力为750kPa;主管外径为1626mm,壁厚为17.5mm;支管外径为1219mm,壁厚为12.0mm;管道材料为20根据公式Δ碳钢20则应用ASMEB31.3经验式分析式中Δ——管系总变形量,mm;——管系在两固定端之间的展开长度,m;——管系在两固定端之间的直线距离,m。按公式ASMEB31.3对上式的使用条件作了如下说明(1)无法提供全面地证明来说明此式能得出准确或一贯保守的结果。(2)此经验公式在下列情况下不适用:a.剧烈循环运动下的管道,即运行寿命期间,等效循环次数超过7000次;b.c.大直径薄壁管道(管件处的应力增大系数d.与端点连线不在同一方向的附加位移量占总位移量的大部分的管道。文中示例适用此经验公式:所以此管系主管道布置弹性不合适,需要调整主管系布置。除了主管系的柔性分析之外,支管也需要柔性分析,而且在支管和主管的连接处都会有附加位移产生,这就要求支管具有一定的柔性来吸收此位移。根据图1所示,假设支管与主管的连接处为固定架,则:所以支管也需要调整管道布置。2.2主管系附加位移根据初步的火炬管系柔性分析结果,主管系的南北轴位移较大,支管是以东西轴位移为主,同时还受主管系的附加位移影响。对此状况,设计上通常是先考虑在装置布置空间允许的情况下,尽可能的利用管道的固有挠性进行补偿,即利用由管道和管件构成的U型补偿弯管,使管系保持适当弹性。2.2.1管道布置的结构由于图1所示的火炬总管受工厂布置空间限制,无法实现主管系的自然补偿,只能采用波纹补偿器以满足各方面的设计要求。金属波纹管膨胀节是用于热补偿和增加管道柔性的最常用的金属管道柔性元件。根据文中火炬总管管径较大、压力较高的特点,采用直管压力平衡型膨胀节。此膨胀节由位于两端的两个工作波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆、端板等构件组成,主要用于吸收轴向位移,并能平衡波纹管压力推力。在管道柔性设计中,金属波纹膨胀节的选用应注意以下几点:(1)为防止膨胀节由于压力推力的作用被拉开或压缩,必须在靠近膨胀节的管道两端设置固定支架。两固定架之间的管道中仅能布置一个膨胀节。在图2中①、②、③处设置为固定架,即三个固定架间有两个膨胀节。通常①至②改变管道走向的地方,应该在膨胀节所在直管道上设置固定架,但由于①是进出工厂装置的节点,此处工程规定中要求设置固定架,避免外管的管道位移及应力影响装置的运行。(2)为了防止失稳,膨胀节附近必须设置导向支架。第一个导向支架应安装在与膨胀节间距不大于4倍管道外径的位置,第二个导向支架与第一导向支架间距不得超过14倍管道外径。(3)膨胀节抗扭矩能力较差,应尽量避免波纹管受扭。(4)根据规范,在必要的地方设置导流筒,安装时注意方向不能装反。(5)根据流动介质、外界环境、工作温度等因素,确定波纹管材料(见GB/T12777)。综合各方面的因素考虑,文中示例的火炬总管的调整方法是增加金属波纹管膨胀节、设置必要的管道支架。调整后的火炬管系走向见图2。2.2.2火炬树u型弯补偿器及设备布置通过前面的管道柔性分析,图1所示的火炬管系的支管的弹性也不能满足管道柔性要求。对此支管设计采用U型弯管道自然补偿。首先要进行弯管长度的确定式中——直管段总膨胀量,in。通常情况下,取弯管的高(≈15m,热膨胀弯管示意见图3。根据计算及装置结构布置空间位置的限制,尽可能增加管道柔性进行布置,见图2。U型弯管道自然补偿器应设在两固定架之间,U型弯补偿器距固定架的距离不宜小于两固定架间距的1/3;此外,其两侧宜设导向架,一般距离U型弯管的弯头中心距为32～40倍管径。2.3火炬系统应力的计算经过对火炬总管的柔性分析和布置调整,就可以运用国际公认的管道应力分析程序CAESARII对各自独立的火炬管系进行应力计算。2.3.1管系的基本原理及结构参数建立模型的第一步是将管系划分为单元,这些单元在节点处相互连接,一般情况下相邻节点编号间隔为10。其次是数据的输入,它包括基本参数、管道单元结构参数和边界条件输入。基本参数主要包括管系中各管道单元的管径、壁厚、隔热层厚度及密度、安装温度、计算温度、计算压力、管道材料及密度、许用应力、弹性模量、泊松比、介质密度等。管道单元结构参数主要包括管系中各管道单元的几何形状及尺寸、结构特征(弯头、膨胀节、三通等)。边界条件分为位移边界条件、力边界条件和弹簧边界条件。完成这两步之后,管道应力模型的建立基本就完成了。运用CAESARII程序中的数据检查命令,应力分析人员根据程序提供的警告和错误信息检查报告进行更正。确认数据无误之后,进行应力计算。2.3.2组合应力核算CAESARII程序的运行由计算机自动完成,设计人员的工作主要是进行工况组合及结果评定。火炬总管的工况组合主要有以下几种:L1WW+HP水压试验L2W+P+T+H+DIS+F(OPE)正常操作(设计)L3W+P+T+H+DIS+F+WIND(OPE)操作+风载L4W+P+T+H+DIS+F+U(OPE)l操作+地震载荷L5W+P+H+F (SUS)一次应力核算L6L3-L2 (OCC)纯风载荷L7L4-L2 (OCC)纯地震载荷L8L2-L5(EXP)二次应力核算L9L5+L6(OCC)风载作用下组合应力L10L5+L7(OCC)地震载荷作用下组合应力其中,WW为充水重,W为物料重,HP为水压试验压力,P为计算压力,T为计算温度,H为弹簧支吊架,DIS为附加位移,F为附加受力,U为地震