可燃性氣體排放系統(tǒng)在某氣田的應(yīng)用

穆天龍， 王文平， 路廣英

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西太原030001)

1 概述

可燃性氣體排放系統(tǒng)作為石油化工企業(yè)的安全與環(huán)保設(shè)施，用于處理各工藝裝置及輔助設(shè)施開停車、事故和緊急狀況下排放的可燃性氣體，對確保裝置安全生產(chǎn)和環(huán)境保護起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

可燃性氣體排放系統(tǒng)的主要作用如下：

① 安全輸送和燃燒處理裝置正常生產(chǎn)情況下排放的可燃易爆氣體；

② 處理裝置試車、開車、停車時產(chǎn)生的易燃易爆氣體；

③ 作為裝置緊急事故停車時的安全措施。

2 可燃性氣體排放系統(tǒng)分類

可燃性氣體排放系統(tǒng)的分類有多種，根據(jù)燃燒特性可分為有煙火炬、無煙火炬和吸熱火炬；根據(jù)支撐結(jié)構(gòu)可分為高架火炬和地面火炬。本文以高架火炬為例進行探討。

高架火炬采用直立的火炬筒體將火炬頭固定在高空中，可燃性氣體通過火炬筒體進入火炬頭，燃燒后的高溫?zé)煔庵苯舆M入空氣中，隨氣流擴散，以降低輻射強度和有助于燃燒后氣體的擴散[3]。

高架火炬由自控系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)支撐以及一個直立上升的筒體和地面設(shè)備組成。火焰遠離地面，在頂端遠程自動點火燃燒。高架火炬可調(diào)整火炬筒體的高度，為5 ～200 m。火炬頭配有長明燈，長明燈經(jīng)點火器點燃后將一直燃燒，當排放氣到達火炬頭時，立即被長明燈點燃。

根據(jù)火炬筒體的支撐型式，高架火炬又分為拉索式、自支撐式和塔架式。根據(jù)美國石油協(xié)會規(guī)范API STD 537-2017《石油、石化和天然氣工業(yè)火炬詳細規(guī)范》(Flare Details for Petroleum,Petrochemical,and Natural Gas Industries)第A.1.2條，3種常見的高架火炬支撐方式見圖1。

3 空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)

3.1 空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)原理

火炬頭處的燃燒均屬于擴散式燃燒。大多數(shù)可燃性氣體中含有重?zé)N類有機物，燃燒過程不充分，容易形成炭黑顆粒，造成冒煙現(xiàn)象。具有冒煙傾向的可燃性氣體排放系統(tǒng)的消煙方式主要有蒸汽助燃型和空氣助燃型。

蒸汽助燃型是將消煙蒸汽噴射到可燃性氣體中，利用高壓噴射的水蒸氣引射周圍空氣，并將其均勻分布在火炬頭的主燃燒區(qū)，同時水蒸氣與燃燒產(chǎn)生的炭黑顆粒發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生成的一氧化碳和氫氣繼續(xù)參與燃燒，最終生成二氧化碳和水蒸氣，從而使得燃燒更充分，避免炭黑顆粒的形成，達到消煙的目的。

圖1 高架火炬支撐方式

空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)適用于可燃性氣體壓力低且缺乏蒸汽的地方，該系統(tǒng)使用鼓風(fēng)機將空氣鼓入火炬頭，以促進可燃性氣體與空氣充分混合并保持燃燒穩(wěn)定。一般來說，鼓風(fēng)機只提供無煙操作所需的小部分助燃空氣，通常將化學(xué)計量空氣需求的15%～50 %助燃空氣輸送到火焰中，燃燒所需的剩余空氣沿火焰長度方向從周圍環(huán)境中直接被卷吸到火焰中。

3.2 空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)組成

空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)流程見圖2(圖2中的編號表示系統(tǒng)水力計算各組成部分的節(jié)點，詳見第4.6節(jié))，主要由可燃性氣體排放管道、分液罐、水封罐、火炬筒體、空氣助燃型火炬頭、長明燈燃氣管道、吹掃氣體管道和鼓風(fēng)機等組成。

圖2 空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)流程

3.2.1 可燃性氣體排放管道

可燃性氣體排放管道將裝置排放的可燃性氣體安全輸送到火炬頭進行燃燒處理，是可燃性氣體排放系統(tǒng)的重要組成部分，一般是指從裝置接口到分液罐入口、分液罐到水封罐、水封罐到火炬筒體的連接管道。

3.2.2 分液罐

分液罐是可燃性氣體排放系統(tǒng)中用于分離和儲存液體的容器，其作用是移除可燃性氣體中的液體、固體，減少可燃性氣體中的凝液量，以免液滴被夾帶到火炬頭造成下火雨。這樣有利于可燃性氣體排放系統(tǒng)安全運行，保證火炬安全。分液罐按照型式可分為臥式罐和立式罐，其型式的選擇取決于經(jīng)濟成本[4]。

3.2.3 水封罐

水封罐一般設(shè)在分液罐和火炬筒體之間，防止發(fā)生事故時，火炬頭回火竄流到上游分液罐等設(shè)備，對上游設(shè)備起保護作用。可燃性氣體中一般含有少量重?zé)N類有機物，水封罐中間的擋板可以在左側(cè)水溢流到右側(cè)的過程中，撇除水面上積聚的凝結(jié)液，在保證水封罐水潔凈的同時，減少排水和補水量。

防止回火指通過吹掃氣體，防止火焰回流到火炬筒體。如圖2所示，吹掃氣體(通常采用氮氣)從水封罐頂部管口接入可燃性氣體排放系統(tǒng)，吹掃氣體和可燃性氣體在水封罐內(nèi)混合，進入火炬筒體、火炬頭。吹掃氣體量保證火炬頭與大氣接觸處的出口流速大于安全流速，防止燃燒時回火。另外，吹掃氣體一直運行，還可以在可燃性氣體排放前或系統(tǒng)運行間歇時，保證系統(tǒng)內(nèi)充滿氮氣并保持正壓，防止周圍大氣滲入可燃性氣體排放系統(tǒng)，從而對系統(tǒng)起到保護作用。

阻火指火炬筒體回火時，通過采用阻火措施，阻止火焰回竄到上游設(shè)備。阻火的措施有采用水封罐和阻火器兩種方式。可燃性氣體排放系統(tǒng)阻火和防止回火的措施宜采用水封罐加注入吹掃氣體的方法，不宜使用阻火器加注入吹掃氣體的方法。這是因為，阻火器內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)容易被可燃性氣體中雜質(zhì)堵塞，需要經(jīng)常更換，若更換不及時，系統(tǒng)容易造成局部壓力過高，造成爆炸事故。而水封罐靠罐內(nèi)液位和水封罐入口插入液位下的立管高度來阻止火炬頭回火時，燃燒爆炸性氣體竄流到分液罐等上游設(shè)備，從而起到水封的作用。同時在火炬頭燃燒前，對水封罐上游可燃性氣體排放系統(tǒng)中的氣體進行壓力儲備，即控制水封罐前端氣體在達到一定壓力前不能突破水封，將氣體阻止在上游設(shè)備間。具體地講，水封罐的主要作用為以下兩項。

① 阻斷回火，保護上游管道和設(shè)備?；鹁骖^部分回火爆炸時，通過水封作用，阻止氣體竄流到上游，可以防止上游可燃性氣體排放管道及其連接的設(shè)備被破壞，且水封罐設(shè)置的位置越靠近火炬筒體，回火爆炸對系統(tǒng)造成破壞的范圍越小[2]。

② 提供可燃性氣體回收設(shè)施所需的管道壓力?？扇夹詺怏w排放系統(tǒng)設(shè)有回收設(shè)施時，回收設(shè)施設(shè)置在水封罐上游，其管道從圖2中管段2接入，通過控制水封高度，對水封罐上游可燃性氣體管段2、管段3等部分進行壓力儲備。例如，煉油廠設(shè)有可燃性氣體回收設(shè)施(如儲氣罐)時，可通過調(diào)整水封罐水封高度，保證可燃性氣體回收設(shè)施所需壓力，從而提供可燃性氣體回收系統(tǒng)所需的氣體流動動力[5]。

3.2.4 火炬筒體

火炬筒體在結(jié)構(gòu)上分為內(nèi)筒和外筒，內(nèi)筒為可燃性氣體流道，外筒和內(nèi)筒構(gòu)成的環(huán)形空間為空氣流道。內(nèi)筒和外筒為同軸布置，內(nèi)筒和外筒之間設(shè)有若干支撐和連接機構(gòu)?？扇夹詺怏w通過內(nèi)筒輸送到火炬頭，鼓入的空氣由內(nèi)外筒組成的環(huán)形通道輸送到火炬頭。

3.2.5 空氣助燃型火炬頭

空氣助燃型火炬頭原理見圖3。

圖3 空氣助燃型火炬頭原理

空氣助燃型火炬頭在結(jié)構(gòu)上分為內(nèi)筒和外筒兩層，內(nèi)筒為可燃性氣體流道，內(nèi)外筒組成的環(huán)形通道為助燃空氣流道?？扇夹詺怏w從內(nèi)筒下部進入，經(jīng)過速度密封器和內(nèi)筒上部沿圓周均布的多個可燃性氣體出口，然后進入若干盒狀穩(wěn)壓槽，接著通過頂部密布的火孔均勻噴出，進入大氣。盒狀穩(wěn)壓槽布置在內(nèi)筒和外筒之間的環(huán)形通道內(nèi)，空氣被這些盒狀穩(wěn)壓槽和外筒組成的空間分割成若干流束，有利于空氣和可燃性氣體充分混合，同時可以利用空氣托高火焰，使得火焰懸浮在火炬頭上方一定距離，降低燃燒對火炬頭的熱輻射強度,有效延長火炬頭使用壽命。盒狀穩(wěn)壓槽頂部密布的多排火孔可利用可燃性氣體自身的能量，將大股可燃性氣體分成多股小流量可燃性氣體，增加可燃性氣體和空氣的接觸面積。同時小孔的設(shè)置使多股可燃性氣體對撞沖擊、射流相交，增強可燃性氣體和空氣的混合效果，對火炬頭的燃燒起促進作用[6]。

3.2.6 速度密封器

速度密封器安裝在火炬頭下部靠近入口法蘭處，屬于火炬頭的一部分。速度密封器是通過減小局部面積及改變空氣滲入流向的方法，使得用于防止空氣由火炬頭滲入的吹掃氣體量減至最少的一種干氣密封。速度密封器結(jié)構(gòu)原理見圖4，圖4中火炬頭頂部長度未按照實際尺寸比例繪制。

圖4 速度密封器結(jié)構(gòu)原理

速度密封器主要由幾排錐形折流擋板組成。火炬頭分為火炬頭底部、速度密封器和火炬頭頂部3部分。當環(huán)境空氣沿火炬頭頂部內(nèi)壁進入時，由于錐形折流擋板的作用，環(huán)境空氣逐漸改變方向，逆行流動回退至速度密封器的頂部。同時帶壓的吹掃氣體由火炬頭下部流動至速度密封器處，隨著進入速度密封器中相對小的位置，吹掃氣體的流動速度也隨著增至最大，最終到達速度密封器的頂部噴射而出。這樣，較高速度的吹掃氣體依靠引射作用，將不斷挾帶著進入速度密封器頂部的空氣回噴至火炬頭頂部并進入大氣中，從而達到防止回火的目的。

速度密封器主要在火炬頭停止燃燒時起作用，在防止回火的同時減少吹掃氣體的量。

4 應(yīng)用實例

4.1 可燃性氣體組成

某氣田的可燃性氣體流量為1.2×104m3/d，密度為1.06 kg/m3，安全閥出口的平均泄放溫度為65 ℃，安全閥設(shè)定背壓為15 kPa，可燃性氣體組成見表1。這些可燃性氣體經(jīng)過可燃性氣體排放管道輸送，依次經(jīng)過分液罐、水封罐、火炬筒體，最后經(jīng)過空氣助燃型火炬頭燃燒后排放。

表1 可燃性氣體組成

4.2 系統(tǒng)配置

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱SH 3009—2013)第7～9章，該氣田采用空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)，其基本配置如下：

自支撐式高架火炬：高度25 m。

火炬頭：DN 300 mm空氣助燃消煙型火炬頭，高度5 m。

火炬筒體：內(nèi)筒DN 300 mm輸送可燃性氣體，外筒DN 400 mm，環(huán)形通道輸送空氣，高度20 m。

臥式水封罐： DN 1 200 mm，總長3 m。

臥式分液罐： DN 1 200 mm，總長3 m。

長明燈：2支。

防回火措施：氮氣吹掃+水封罐。

點火系統(tǒng)：高壓電點火裝置和地面內(nèi)傳焰點火裝置。地面內(nèi)傳焰點火是指在一定壓力下，燃料氣和儀表風(fēng)在地面點火盤中混合后點燃，火焰沿著管道內(nèi)壁向上傳播，從而點燃火炬。

4.3 火炬高度

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013第9.1節(jié)，高架火炬的高度依據(jù)人或者設(shè)備允許的熱輻射強度計算得到，本文中熱輻射強度是指接受體(地面)單位面積所接受的熱輻射熱流量。計算火炬高度時，火炬筒體地面處允許的熱輻射強度(含太陽輻射)應(yīng)小于等于1.58 kW/m2。

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013第9.3節(jié)的計算方法，利用Flaresim 5.0軟件，對火炬高度取整[7]，最終火炬高度確定為25 m。

4.3.1 軟件輸入條件

Flaresim 5.0是國內(nèi)計算火炬燃燒熱輻射強度的軟件，輸入條件如下：

氣象參數(shù)：環(huán)境溫度為15.56 ℃；空氣平均相對濕度為66.2 %；年平均風(fēng)速為8.6 m/s。

太陽的熱輻射強度：0.9 kW/m2。

可燃性氣體物性參數(shù)：見第4.1節(jié)。

可燃性氣體排放系統(tǒng)參數(shù)：見第4.2節(jié)。

吹掃氣體流量：5.0 m3/h。

4.3.2 軟件計算結(jié)果

火炬熱輻射計算圖見圖5。

圖5 火炬熱輻射計算圖

圖5中，坐標系是以火炬筒體中心線和火焰中心線所構(gòu)成的平面建立的，橫坐標零點為火炬筒體中心線與地面的交點，橫坐標地面距離表示坐標系所在平面內(nèi)的點在地面上的投影點到橫坐標零點的距離，其中負值表示與風(fēng)向相反方向的距離；縱坐標標高是以火炬筒體中心線與地面的交點所在地面為基準面的物體在垂直方向的高度，而火炬裝置所在地面可以看作水平面，其標高為0；黑色直線代表高架火炬筒體及火炬頭的中心線，紅色斜線代表在風(fēng)吹作用下傾斜的火焰的中心線；K為熱輻射強度。以火焰中心為圓點，不同輻射強度對應(yīng)的范圍詳見圖5中彩色圓。例如，火焰中心的坐標約為(5.5 m，29.0 m)，指火焰中心正下方地面到火炬筒體中心線的距離為5.5 m，火焰中心距地面的標高為29.0 m，可看出在風(fēng)速作用下火焰中心偏離筒體約5.5 m。火焰中心正下方地面的點在藍色圓外，該點熱輻射強度在圖5中可近似查得為1.06 kW/m2，按圖5查詢所得到的熱輻射強度包含了太陽熱輻射強度。該圖中平面上其余任意點熱輻射強度的查詢方法類似。

4.3.3 計算結(jié)果校核

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013第9.3.4條，對Flaresim 5.0軟件計算結(jié)果進行校核，熱輻射強度按照如下公式計算，其中公式(1)計算結(jié)果不包含太陽熱輻射強度。

(1)

(2)

式中K——熱輻射強度，kW/m2

ε——熱輻射系數(shù)

Фf——火焰產(chǎn)生的熱流量，kW

dR——火焰中心至受熱點的距離，m

Hi——排放氣體的低熱值，kJ/m3

RH——空氣平均相對濕度，%，已知值，為66.2%

根據(jù)氣體組成和流量計算，可得Фf為5 014 kW。本次研究對象為火焰中心對地面最大熱輻射強度的點，該點位于火焰中心對地面的投影所對應(yīng)的點，根據(jù)已知條件，該點dR為29 m。根據(jù)氣體組成計算，可得Hi為36 132 kJ/m3。

根據(jù)公式(1)計算得到火焰的熱輻射強度為0.064 kW/m2，已知當?shù)氐奶枱彷椛鋸姸葹?.9 kW/m2，兩者相加可得總熱輻射強度為0.964 kW/m2。軟件計算結(jié)果所近似查到的熱輻射強度為1.06 kW/m2?？梢?，公式計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果基本吻合，且都滿足規(guī)范SH 3009—2013規(guī)定的熱輻射強度小于1.58 kW/m2的要求。

該氣田可燃性氣體主要組分為碳氫化合物，燃燒后的產(chǎn)物基本為二氧化碳和水蒸氣，不涉及到有毒氣體，故火炬高度不需要污染物濃度的校核。

4.4 火炬頭

該可燃性氣體組成中含有一定比例的重?zé)N類有機物，且可燃性氣體壓力較低，上游安全閥設(shè)定背壓只有15 kPa，火炬頭有冒煙的傾向。該氣田缺乏蒸汽，根據(jù)上文的描述，采用空氣助燃消煙方式。

火炬頭采用圖3所示的型式，由鼓風(fēng)機鼓入的空氣提供化學(xué)計量比燃燒所需15%～50 %的空氣，其余空氣由周圍環(huán)境提供，從而達到消煙的目的。

為了防止回火，采用水封罐加注入吹掃氣體的方法。速度密封器安裝在火炬頭下半部，靠近火炬頭入口法蘭處。

吹掃氣體流量設(shè)計時需要考慮2個因素：安全流速和吹掃時間。根據(jù)SH 3009—2013第9.5.6條，當火炬采用速度密封器時，吹掃氣體的安全流速應(yīng)不小于0.012 m/s。在實際工程中，當火炬停止運行時，吹掃氣體在一定時間內(nèi)應(yīng)該能夠?qū)⒐芏?及火炬筒體吹掃干凈，根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，大多數(shù)工程設(shè)計吹掃時間大約為30 min。本文在設(shè)計計算中綜合考慮了安全流速和吹掃時間兩個因素，并滿足上述兩方面的要求，吹掃氣體流量取5.0 m3/h。

4.5 火炬筒體和助燃風(fēng)機

根據(jù)可燃性氣體的組成計算所得化學(xué)計量比燃燒空氣量約為4 712 m3/h，考慮30 %的化學(xué)計量比燃燒空氣量和在此基礎(chǔ)上10%的富裕量，并取整，選擇助燃風(fēng)機的額定風(fēng)量為1 600 m3/h。

火炬筒體規(guī)格選擇內(nèi)筒DN 300 mm，外筒DN 400 mm，其風(fēng)機進口管道、火炬筒體環(huán)形空氣流道和火炬頭空氣出口壓力降(火炬供貨商反饋火炬頭設(shè)計工況下空氣的壓力降為450 Pa)約為650 Pa，考慮20 %的富裕量并取整，選擇助燃風(fēng)機的額定風(fēng)壓為800 Pa。

根據(jù)工藝計算結(jié)果，選擇一臺額定風(fēng)壓為800 Pa，額定風(fēng)量為1 600 m3/h的變頻軸流風(fēng)機，為可燃性氣體提供30%的化學(xué)計量比燃燒空氣量，達到消煙的目的。

在運行過程中，根據(jù)可燃性氣體的壓力或流量調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機的頻率，實現(xiàn)火炬的無煙運行。

4.6 系統(tǒng)水力計算

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013第3.2節(jié)，背壓是指排放系統(tǒng)內(nèi)的阻力導(dǎo)致的壓力泄放裝置出口的壓力，該系統(tǒng)的背壓為圖2中的管道入口(即節(jié)點7)處的壓力。計算的背壓應(yīng)小于安全閥設(shè)定背壓，否則會造成泄放裝置前壓力過大，帶來安全隱患。

根據(jù)規(guī)范SH 3009—2013第7.1.1條，應(yīng)從火炬頭開始反算全廠可燃性氣體排放管道的排放背壓。將空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)各組成部分進行編號(如圖2所示)。

已知條件：火炬頭設(shè)計工況下可燃性氣體的壓力降為1.95 kPa(由火炬頭供貨商提供)，火炬頭高度為5 m，筒體高度為20 m，筒體內(nèi)直徑為300 mm。管段1為水封罐到火炬筒體之間的可燃性氣體排放管道，長度為6 m，內(nèi)直徑為300 mm。水封罐和分液罐在設(shè)計工況下的壓力降分別為4.25 kPa和0.31 kPa(由火炬設(shè)備供貨商提供)。管道2為分液罐和水封罐之間的可燃性氣體排放管道，長度為2.5 m，內(nèi)直徑為300 mm。管道3為安全閥出口到分液罐入口之間的可燃性氣體排放管道，長度為500 m，內(nèi)直徑為300 mm。

根據(jù)以上已知條件，經(jīng)計算，可燃性氣體排放系統(tǒng)水力計算結(jié)果見表2。

表2 可燃性氣體排放系統(tǒng)水力計算結(jié)果

由以上計算結(jié)果得出，在設(shè)計工況下，從火炬頭出口壓力為0 kPa開始反算到可燃性排放氣體接口處的壓力為10.03 kPa，小于安全閥設(shè)定背壓(15 kPa)，可燃性氣體排放系統(tǒng)的設(shè)計滿足要求。

4.7 其他

該可燃性氣體排放系統(tǒng)其他組成部分(例如分液罐[2]、水封罐[2]、吹掃系統(tǒng)[8]等)的工藝設(shè)計可以參考規(guī)范SH 3009—2013。

5 結(jié)論

針對空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)，探討了系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)和原理，并提出可燃性氣體排放系統(tǒng)的阻火和防止回火措施宜采用水封罐加注入吹掃氣體的方法。水封罐水封作用通過罐內(nèi)液位和入口立管插入高度來實現(xiàn)，可防止火焰?zhèn)飨蛏嫌卧O(shè)備；使用速度密封器和吹掃氣體保證火炬頭與大氣接觸的出口流速大于安全流速，從而起到防止回火的作用，并減少氮氣的吹掃量。

針對某氣田可燃性氣體排放設(shè)計了一套空氣助燃型可燃性氣體排放系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)熱輻射強度計算，保證在設(shè)計工況下地面熱輻射強度滿足規(guī)范要求；通過對該系統(tǒng)水力計算，使可燃性氣體排放系統(tǒng)的裝置邊界的壓力小于安全閥的設(shè)定背壓；助燃風(fēng)機提供一部分助燃空氣，使可燃性氣體燃燒穩(wěn)定，且消煙效果明顯，滿足環(huán)保要求。