火炬系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的安全因素

中石油東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院 吉林 132002

在石油化工裝置中，火炬系統(tǒng)用于處理在開停車、正常操作、事故或緊急狀態(tài)下排放的無法收集和再加工的有毒、有害、易爆等具有危險性的可燃性氣體，保證裝置正常、安全運(yùn)行。然而，火炬系統(tǒng)設(shè)計存在著安全問題，設(shè)計不當(dāng)不但起不到安全作用，反而會成為重大隱患。

火炬系統(tǒng)主要由火炬排放管網(wǎng)和包括分液罐、水封罐、火炬頭、火炬筒體、點(diǎn)火系統(tǒng)等火炬裝置組成。

1 火炬排放管網(wǎng)

在工程設(shè)計中，需考慮火炬排放管網(wǎng)安全因素。

1.1 事故狀態(tài)時最大負(fù)荷

為使裝置安全運(yùn)行，一般會在設(shè)備上設(shè)置安全閥等泄壓裝置。當(dāng)發(fā)生事故時，設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到泄放壓力，泄壓裝置自動開啟，使設(shè)備壓力回落，達(dá)到保護(hù)裝置的目的。為防止超壓，設(shè)計首先需要考慮可能引起超壓的各種事故，然后根據(jù)產(chǎn)生壓力大小分析此時必需的泄放量。在火炬系統(tǒng)設(shè)計中，火炬的處理能力應(yīng)根據(jù)可能發(fā)生的可燃性氣體的最大泄放量來確定，即事故狀態(tài)下的泄放量。確定事故狀態(tài)下的泄放量，可考慮以下幾種情況的最大值。

1.1.1 單個安全閥的泄放量

雖然并不常見，但有的情況下單個安全閥的泄放量確實可能會成為事故狀態(tài)時火炬總管的最大泄放量，所以應(yīng)該核算每個安全閥單獨(dú)泄放時的流量。

1.1.2 緊急停車或火災(zāi)事故的泄放量

裝置在緊急停車或火災(zāi)事故時，需要迅速將系統(tǒng)壓力降低到可以接受的水平，避免破壞設(shè)備。這要通過緊急泄壓閥來實現(xiàn)。在很多裝置中，這種工況都可能產(chǎn)生火炬總管的最大泄放量。

1.1.3 多個安全閥的泄放量

全廠或裝置停水、停電、停蒸汽、停儀表風(fēng)等情況下導(dǎo)致多處安全閥同時起跳時發(fā)生的泄放量，或火災(zāi)工況下著火區(qū)域內(nèi)多處安全閥或緊急泄壓閥同時泄放的情形。

1.2 安全閥的設(shè)置

安全閥應(yīng)靠近被保護(hù)設(shè)備，以使安全閥的進(jìn)口管道壓力損失在允許的范圍內(nèi)。在安全閥的額定排放量下，安全閥入口管道的壓力降不應(yīng)超過安全閥整定壓力的3%(表壓)；安全閥出口管道的壓力降不應(yīng)超過安全閥整定壓力的10%。通常火炬總管設(shè)置在裝置區(qū)的管廊上，有一定的高度，濕氣體泄壓系統(tǒng)排放管不應(yīng)有袋形積液處，安全閥的安裝高度應(yīng)高于總管。安全閥出口管道應(yīng)順流向45°斜接在火炬總管的頂部，以免總管的凝液倒流入支管，并可減少安全閥的背壓，見圖1。

圖1 安全閥成組布置在火炬總管上部

1.3 排放管網(wǎng)的設(shè)計

火炬氣排放管道安裝設(shè)計時，應(yīng)注意有關(guān)安全問題[1]。

(1)火炬氣不同于一般物料，管網(wǎng)的存液將直接影響管網(wǎng)的安全運(yùn)行。火炬氣的總管應(yīng)坡向火炬區(qū)內(nèi)的分液罐或水封罐。如確實有困難，可在總管的適當(dāng)位置的最低點(diǎn)處設(shè)凝液收集和輸送設(shè)施。由于火炬總管應(yīng)有2‰～5‰的坡度要求，所以應(yīng)在管廊上單獨(dú)敷設(shè)，見圖2。

圖2 火炬總管敷設(shè)示意圖

(2)裝置內(nèi)的排放設(shè)備或排放閥后的支管坡度不小于5‰，裝置支干管的坡度以不小于2‰為宜，盡量避免袋形彎。當(dāng)無法避免時，在低點(diǎn)要設(shè)易接近方便操作的放凈閥。對于易凝氣體，要在低點(diǎn)附近設(shè)蒸汽伴熱，以免積液。

(3)接至火炬總管的支管，應(yīng)在總管上方順流向45°斜接。既可防止主管內(nèi)的凝液倒流入支管，又可減少管路壓力降，見圖3。

圖3 支管與總管的連接方式

(4)當(dāng)火炬總管在裝置邊界處設(shè)有“8”字盲板和切斷閥時，應(yīng)在切斷閥前(裝置內(nèi)側(cè))設(shè)DN20～DN40的排凝管，并在根部設(shè)雙切斷閥。凝液應(yīng)回收，不得隨意排放。

(5)應(yīng)在可吹掃全部火炬排放總管的端部設(shè)蒸汽或氮?dú)獯祾吖堋．?dāng)掃線介質(zhì)為蒸汽時，火炬總管應(yīng)設(shè)水平敷設(shè)的“Π”型補(bǔ)償器或波型補(bǔ)償器。

(6)在地震設(shè)防地區(qū)，火炬總管應(yīng)有防止滑落的管卡或擋鐵。

(7)在火炬總管上，不得有死角，當(dāng)改變管道走向時，應(yīng)采用R=1.5DN彎頭，盡可能不使用三通，見圖4。

圖4 總管改變走向的支撐方式

2 設(shè)計應(yīng)注意的問題

2.1 保證排放氣體完全燃燒

為保證可燃性氣體完全燃燒，必須有足夠的氧氣，如燃燒不完全，則碳顆粒冷卻生成黑煙，會對大氣造成污染。通常火炬氣排放量較大，僅靠大氣自然供氧不能達(dá)到完全燃燒，一般采用注入蒸汽的方法進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)氧。用噴射的蒸汽使燃燒部位形成負(fù)壓區(qū)，這樣可以帶入更多的氧氣，以保證完全燃燒所需的氧氣量。由于在生產(chǎn)過程中，火炬的排放量是經(jīng)常變化的，所以要保證充足的氧氣供給，就需要及時調(diào)節(jié)噴入的蒸汽量。同時，蒸汽的引入可以冷卻火炬頭部件，能夠有效地防止火炬頭被燒壞。在火炬設(shè)計中，規(guī)定了最小蒸汽量，其目的是對火炬頭起冷卻保護(hù)作用，并防止火焰反燒。因此，火炬在點(diǎn)燃的情況下，不允許停止保護(hù)蒸汽的供給。當(dāng)排放量較大時，應(yīng)調(diào)節(jié)蒸汽閥，加大蒸汽供給量。

2.2 確?？諝獠宦┤牖鹁嫦到y(tǒng)

2.2.1 保持火焰的穩(wěn)定性

當(dāng)氣流量較小時，火焰焰峰有可能回入豎管內(nèi)部燃燒而發(fā)生回火；若氣量更低，可能在豎管頂部發(fā)生空氣的返混而形成爆炸混合物。反之，若氣體的流量過大，火焰升到燒嘴之上與空氣湍流混合，會產(chǎn)生離焰，即火焰會離開火炬頂部一定的距離，并發(fā)生嚴(yán)重的顫動。若流量再增加，火焰會繼續(xù)往上浮，將有火焰熄滅的危險，這叫“脫火”，這將使大量有毒、有腐蝕、易燃易爆的氣體外溢、擴(kuò)散，不僅會造成人員傷亡，污染環(huán)境，嚴(yán)重的會導(dǎo)致爆炸、火災(zāi)。為保持火焰的穩(wěn)定性，火炬頂部氣體線速度一般控制在0.2～0.5馬赫數(shù)[2]。

2.2.2 密封系統(tǒng)的設(shè)置

為了防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)而產(chǎn)生回火或爆炸危險，火炬系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置密封系統(tǒng)，包括水封罐和氣體密封。

(1)水封罐的設(shè)置有兩方面的作用：①平衡壓力。即在正常情況下，當(dāng)火炬系統(tǒng)總管壓力較低時，排放氣體被水封住，不排入火炬。當(dāng)工藝裝置非正常或重大事故緊急排放狀況下，火炬系統(tǒng)總管壓力超過一定值時，排放氣體沖破水封排向火炬燃燒；②防止回火。當(dāng)排放氣體總管或火炬系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓時，火炬頭部的明火可能返回火炬筒體，甚至進(jìn)入相鄰的排放氣體總管和設(shè)備，從而引起爆炸事故。

(2)氣體密封使火炬在無火炬氣體排放時維持正壓，防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)，保證操作安全。

2.2.3 火焰穩(wěn)定圈

為了增加火焰燃燒時的均勻、穩(wěn)定，防止火焰被吹離而產(chǎn)生脫火造成爆炸危險，火炬系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置火焰穩(wěn)定圈，見圖5。

圖5 火焰穩(wěn)定圈

火炬頭直徑的設(shè)計依據(jù)主要是考慮速度因素。對于正常操作情況下釋放氣體的馬赫數(shù)可按0.2考慮，對于偶然發(fā)生特大事故狀態(tài)時的瞬時峰值下釋放氣體的馬赫數(shù)可達(dá)0.5。

火炬頭燃燒火焰的穩(wěn)定性與火炬頭出口的火炬氣流速(馬赫數(shù))有關(guān)，馬赫數(shù)是火炬頭出口火炬氣線速度與聲波在火炬氣中的傳播速度之比?；鹁骓敳繗怏w馬赫數(shù)在0.2以下時能穩(wěn)定燃燒。沒有火焰穩(wěn)定圈的火炬頭馬赫數(shù)超過0.2時，火焰的穩(wěn)定性開始降低，馬赫數(shù)達(dá)到0.5時，火焰有產(chǎn)生離焰造成脫火的危險。設(shè)置火焰穩(wěn)定圈的主要目的是在正常生產(chǎn)沒有大量排放時維持小火或者微火；在事故狀態(tài)下大量排放時改變出口氣流方向不易脫火。設(shè)置火焰穩(wěn)定圈后，在遇到偶然發(fā)生特大事故時，火炬仍然能穩(wěn)定燃燒。

2.3 可靠的點(diǎn)火設(shè)施

由于裝置在生產(chǎn)過程中排放的火炬氣量和組成是波動的，要求設(shè)計的火炬系統(tǒng)能夠安全處理各種工況下排放的火炬氣?；鹁嫦到y(tǒng)應(yīng)設(shè)有可靠的點(diǎn)火設(shè)施，確保在不同氣象條件下能及時點(diǎn)燃火炬。目前比較先進(jìn)的點(diǎn)火系統(tǒng)為自動點(diǎn)火裝置，正常生產(chǎn)中長明燈處于熄滅狀態(tài)，當(dāng)裝置出現(xiàn)排放時，通過壓力或流量信號使長明燈自動打火點(diǎn)燃可燃?xì)?，進(jìn)而實現(xiàn)安全排放。

2.4 防止下火雨

火炬氣體進(jìn)入火炬筒前，要設(shè)置氣液分離罐。氣液分離罐用來分離氣體中的液滴。去除液滴的原因：①火炬氣體中的烴類液滴燃燒時能產(chǎn)生大量煙霧；②當(dāng)液滴隨火炬氣體一起燃燒時，點(diǎn)燃的液滴將向火炬下方灑落，造成火雨，嚴(yán)重危及人員及設(shè)備的安全。

為防止產(chǎn)生火雨，一方面嚴(yán)格控制裝置的排放，可燃液體必須經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)后才允許排入火炬系統(tǒng)；另一方面，為解決排放氣體在輸送過程中產(chǎn)生凝液，輸送火炬氣管道要求有一定的坡度，并且設(shè)有足夠容積的分液罐，以達(dá)到氣液分離目的。

為防止產(chǎn)生火雨，分液罐應(yīng)能分離排放氣體中直徑300～600μm的液滴，最好將直徑150μm的液滴也分離下來，盡量減少液滴夾帶。分液罐直徑一般為其長度的1/2～1/3，并為火炬總管尺寸的3～4.5倍。分液罐的尺寸以最大排液量計算，能儲存10～30 min的排液量[3]。

2.5 確保操作人員和設(shè)備的安全

火炬是以燃燒方法處理大量的火炬氣，在燃燒過程中的火焰及煙氣所產(chǎn)生的輻射熱、噪聲、煙塵及煙氣中有害物質(zhì)的傳播和擴(kuò)散，造成環(huán)境污染及公害。在火炬系統(tǒng)設(shè)計時，需確定合理的火炬筒體高度及安全距離，滿足熱輻射強(qiáng)度要求，確保操作人員和設(shè)備的安全，并應(yīng)符合現(xiàn)行有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范及環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)語

火炬系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，需要注意解決的問題很多?；鹁嬖O(shè)計必須在充分分析各種安全因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮每個環(huán)節(jié)，才能設(shè)計出高質(zhì)量的火炬系統(tǒng)，從而保證整個化工裝置的安全運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

1 張德姜，王懷義，劉紹葉主編.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊(第一篇設(shè)計與計算.)(第三版)[M].北京：中國石化出版社，2007:232.

2 SH 3009-2001, 石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范 [S]:30.

3 HG/T 20570-95, 化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)定(二)[S]:401.