在油田的地面处理设施中都设有火炬系统，将生产中无法处理的有毒气体或生产设备中泄放出的气体在火炬上烧掉, 以保证安全生产。通常，火炬系统由安全泄放装置、火炬管网以及火炬装置3部分组成[1]。目前, 国内外对火炬系统的研究多集中于安全泄放装置和火炬装置，对火炬管网的研究比较薄弱, 没有形成系统化的设计流程[2-3]。以往的火炬管网设计多采用简化的经验公式进行人工计算，主要集中于管网的压降计算和单个安全泄放装置背压的校核，没有进行多点组合泄放的情况分析。当多个泄放阀同时泄放时，形成的附加背压是变化的，并且由于排放气体的可压缩性，其密度和流速在流动中也是很难用函数公式计算的。Aspen Flare System Analyzer(以下简称Flare-net)是进行火炬和泄放管网水力设计与分析的专业软件，可以模拟火炬系统，并根据用户定义的约束条件计算、核算从泄放点到火炬头的汇管系统，在石油化工领域具有广泛应用。
Flare-net具备了直观的工艺流程图的操作环境，可以清晰、精确地呈现整个火炬网络。一个典型的火炬或放空系统会由几十甚至上百个相互连接的部分组成，其中包括：泄压阀、控制阀、管道、连接器(包括扩径、缩径、三通等)、分离器和火炬头[4]。Flare-net确保模型尽可能简单有效，并具有以下特点：
① 执行API-RP-520/521标准。
② 可计算工艺流程的过程参数(例如压力、流量、马赫数、噪音等)。
③ 设计了出错报告，可以总结超出设计限制的情况。
④ 可进行温度跟踪、气体属性跟踪。
⑤ 可输入单一分子量或从Aspen HYSYS模型导入组分数据，建立全组分分析。
⑥ 可定义多种工况：紧急关断、火灾、电源或冷却失效、单个设备关断等。
⑦ 管道等级允许定义标准尺寸，执行项目标准。
⑧ 具备Excel、Access等接口输出，可导出数据。
在软件里, 提供了以下3种计算模式。
(1) 设计模式：用于设计新的火炬管网系统，根据约束条件(例如管道流速、安全阀的最大允许背压等)来确定系统中所有管道的尺寸。
(2) 核算模式：依据现有管径和泄放量核算该主管系统的压力降和温度。
(3) 脱瓶颈模式：对于用户指定的管网区域，进行管径的重新计算以解决在管网中出现的背离设计原则的瓶颈问题[5]。
火炬排放工况很复杂, 有可能是单一气相排放, 也可能是气液排放，软件对单相流和多相流分别提供了热力学和压降的计算方法[5]。
对于最初的设计模式，使用Compressible Gas方程，可提供一种较快速的计算。对于两相流或核算模式，切换到Peng-Robinson方程，提高准确性。
单相气体有Isothermal和Adiabatic两种流动的数学模型。
Beggs and Brill也是一种适用于气液两相流压降计算的方法, 是可以用于水平、垂直和任意倾斜气液两相管流计算的常用方法，推荐使用Beggs and Brill(Homogenous)。
使用Flare-net搭建火炬管网模型，首先要按照装置的布局情况，搭建火炬总管、各级支管、尾管和安全阀。管道的长度，高程差，大小头、弯头等管件数量需由配管专业提供[6]。
建立需要模拟的工况，给定设计约束值，如马赫数、流速、噪音等。然后，设置泄放源，输入各泄放点的分子组成、压力、温度等基本参数，以及定义管道的基本参数，但管道尺寸在初始计算之前不用给出。其中，安全阀的出口温度可由软件自动估算一个数值，计算完毕后使用Refresh Source Temperature工具，更新初始估计温度。
完成这些最基本的定义之后，可由软件根据各工况下安全阀的泄放量进行计算，得出整个火炬管网的管路尺寸。也可根据工程经验先给定一个较为合理的尺寸，由软件进行核算。如果根据给定尺寸校核出的背压超出安全阀的最大允许背压，或者管道内介质流速超过规定的马赫数，管路会自动出现红色的报警。此时，则需要使用“去瓶颈模式”重新计算管径，直到计算的马赫数、背压、噪音等小于规定的约束值为止。
在定义管道时，需要注意尾管和总管的区别。总管中介质流量是按照各安全阀的实际排量进行计算，尾管则是按照安全阀的额定排量进行计算，一般将安全阀后管道定义为尾管[6]。
油田共建立高压和低压两套火炬系统，高压火炬系统是用于处理通过安全阀和紧急泄压阀泄放的气体，低压火炬系统处理通过调节阀泄放的气体，在此只讨论安全阀泄放工况。根据总图布置确定与高压火炬系统相连的装置，搭建模型。
已经根据API-RP-521计算得出[7]:火炬筒体尺寸24 inch(1 inch = 2.54 cm)，火炬分液罐直径2.8 m。
Flare-net是根据API-RP-520的标准编制的，其中常规安全阀的最大允许背压为整定压力的10%，平衡式安全阀的为30%~50%。阻塞工况的泄放压力为整定压力的110%，火灾工况的为121%[8]。安全阀的尺寸已根据安全阀Plus计算出，尾管尺寸与阀门出口尺寸保持一致(见表 1)。
对于火炬总管的马赫数一般要求小于0.5，低压火炬的则一般为0.2，火炬尾管的可以比总管略高，但一般不超过0.7[9-10]。
根据总图布局确定火炬管网的走向、管路间的连接方式，测量各放空管路长度。根据气相管线设计基本原则估算放空管线的初步尺寸(见表 2)。
高压火炬管网采用Flare-net模拟的流程图见图 1。
对于安全阀泄放，应考虑以下4种工况。
(1) 所有高压压缩机的安全阀泄放：当压缩机出口堵塞，350 000 m3/d的气体要通过安全阀泄放，这时管网中的泄放量是最大的，为控制工况。
(2) 一二级分离器的安全阀泄放：当总电源故障，下游电脱盐撬关断，导致上游分离器超压。
(3) 燃气洗涤器和三甘醇再生塔的安全阀泄放：供燃料气管路堵塞，导致上游洗涤器及三甘醇装置超压。
(4) 气举压缩机紧急关断时的安全阀泄放。
工况1：高压压缩机的安全阀尾管背压14.04 bar(G)超过整定压力的10%，但没有超过整定压力60 bar(G)的30%，所以安全阀需要使用平衡式安全阀。且尾管的马赫数为1.0，超过马赫数为0.7的要求，运用“脱瓶颈模式”重新计算，尾管尺寸由4 inch变为8 inch。
工况2：一二级分离器的安全阀尾管背压2.68 bar(G)超过整定压力的10%，但小于30%，所以安全阀需要使用平衡式安全阀。
工况3：燃气洗涤器的安全阀尾管背压2.8 bar(G)没有超过整定压力40 bar(G)的10%，所以安全阀可以使用常规型安全阀。但尾管的马赫数为1.0，超过马赫数为0.7的要求，运用“脱瓶颈模式”重新计算，尾管尺寸由3 inch变为10 inch。
工况4：气举压缩机的安全阀尾管背压4.6 bar(G)没有超过整定压力135 bar(G)的10%，所以安全阀可以使用常规型安全阀。但尾管的马赫数为1.0，超过马赫数为0.7的要求，运用“脱瓶颈模式”重新计算，尾管尺寸由6 inch变为10 inch。
(1) 通过运用Flare-net对该高压放空管网整体核算，以及对部分管线尺寸进行修改，保障了高压火炬系统的安全性，且装置近一年的投产运行情况良好，也显示了即使在紧急泄放工况时，火炬管网也能完全满足系统的安全泄压要求，计算结果准确可靠。
(2) 在火炬系统的设计中，借助Flare-net计算出的火炬管线尺寸和安全阀的型式能够符合设计要求，不仅能提高设计的准确度，还能对系统的综合分析提出安全可靠的技术方案。
2017, Vol. 46 Issue (1): 111-114
2017, Vol. 46 Issue (1): 111-114