合理選擇火炬放空系統(tǒng)防回火措施

王艷玲 王 非 張鳳波

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041 2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 84100

0 前言

火炬放空系統(tǒng)選擇合理的防回火措施非常重要。凈化廠檢修或事故狀態(tài)下，放空系統(tǒng)內(nèi)的烴類氣體和空氣混合，其濃度在爆炸范圍內(nèi)，遇明火時(shí)，火炬放空系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生燃燒爆炸。

1 火炬放空系統(tǒng)防止回火措施

火炬放空系統(tǒng)防止回火措施包括在放空管路上設(shè)置密封罐，在放空管路上設(shè)置阻火器，采用連續(xù)的吹掃氣來(lái)防止逆燃三種。

1.1 密封罐

密封罐是防止回火和爆炸的可靠措施之一［1］。使用液體密封的理由很多，部分理由如下：

a）逆燃保護(hù)。液封用于提供可靠的保護(hù)，防止火焰擴(kuò)散進(jìn)入裝置管線。對(duì)極易燃?xì)怏w，如乙炔、氧乙烯和氫氣，正確的設(shè)計(jì)和維持液封可提供極好的逆燃保護(hù)。如果火炬氣本身含有氧，推薦把增加的液封盡可能地靠近火源。為了密封，逆燃保護(hù)必須采用特殊設(shè)計(jì)。

b）維持正壓頭。液封用于提供保護(hù)的措施是維持火炬總管的壓頭總是正壓。保證火炬總管的任何泄露結(jié)果只能是火炬總管中的氣體進(jìn)入大氣，而非空氣進(jìn)入火炬總管?？諝饴┤牖鹁婵偣芸赡軐?dǎo)致潛在危險(xiǎn)，即放空氣和空氣混合，在火炬塔或火炬總管內(nèi)引起爆炸。

c）導(dǎo)引火炬氣流。液封也用于引導(dǎo)火炬氣在兩個(gè)或多個(gè)火炬系統(tǒng)之間流動(dòng)。例如，氣體的正常流動(dòng)可進(jìn)入一個(gè)封閉的火炬，然而，當(dāng)達(dá)到該封閉火炬處理量時(shí)，液封應(yīng)設(shè)計(jì)成火炬氣的背壓將超過(guò)液封的液體深度產(chǎn)生的背壓。因此，氣體將流入另一個(gè)處理這些附加流量的火炬系統(tǒng)。

為了安全起見，預(yù)調(diào)試和正常生產(chǎn)時(shí)用不含氧氣的介質(zhì)吹掃火炬筒體。預(yù)吹掃置換了火炬系統(tǒng)中存在的任何氣體，連續(xù)吹掃保證了低流量條件操作期間空氣不能經(jīng)過(guò)火炬頭進(jìn)入火炬系統(tǒng)。如果液封安裝靠近火炬塔基座，可取消連續(xù)吹掃的要求。設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)時(shí)，要保證即使內(nèi)部空間發(fā)生爆炸，火炬系統(tǒng)也不受到損壞。但是對(duì)于LNG工廠，放空氣溫度可能很低，放空時(shí)會(huì)使水封罐結(jié)冰，故通常不采用此種密封方式。

1.2 阻火器

阻火器最惡劣的工況是在火炬放空系統(tǒng)中形成障礙物，只有當(dāng)可燃?xì)怏w是無(wú)腐蝕的干燥氣體且沒(méi)有可凝固的液體時(shí)才推薦采用。在火炬系統(tǒng)內(nèi)這種條件很少遇到，阻久器還有另一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)火炬系統(tǒng)排出熱物質(zhì)后若突然冷卻，此時(shí)，空氣就可能通過(guò)阻火器被抽進(jìn)火炬系統(tǒng)。

1.3 分子封及動(dòng)密封

用連續(xù)的吹掃氣來(lái)防止逆燃。研究表明［2］：如果保持無(wú)氧天然氣的正流量并保證離火炬頭7.6 m處的氧氣濃度不超過(guò)6 %，那么含有烴—空氣混合物的系統(tǒng)就是安全的。需要的吹掃氣流量一旦確定，就可以確定限流孔板的尺寸，在供氣壓力恒定的條件下，天然氣供應(yīng)量是恒定的。在火炬氣低負(fù)荷運(yùn)行期間，空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)內(nèi)，放空氣混合可能產(chǎn)生爆炸。有兩種常見的機(jī)械密封，通常位于或低于火炬頭，它用于減少防止空氣滲入火炬系統(tǒng)中所需要的連續(xù)吹掃氣量。

1.3.1 浮力型密封

浮力型密封利用吹掃氣和滲入空氣的分子質(zhì)量差來(lái)形成重力密封，防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)。密封器中布置的環(huán)形擋板迫使空氣在進(jìn)入火炬系統(tǒng)前要經(jīng)過(guò)2個(gè)180°的轉(zhuǎn)彎（一個(gè)向上，一個(gè)向下）。如果吹掃氣比空氣輕，吹掃氣將蓄積在密封器頂部，防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)中；如果吹掃氣比空氣重，吹掃氣將蓄積到密封器底部，防止空氣滲入到火炬系統(tǒng)中。這種密封型式通常把經(jīng)過(guò)火炬頭所要求的吹掃氣速度減到0.3 mm/s。對(duì)某些吹掃氣的組分，這個(gè)速度將限制氧含量低于該裝置的氧含量，且小于0.1%，此時(shí)需要更高的吹掃氣速度以防止火炬頭內(nèi)部發(fā)生氣體逆燃。

1.3.2 速度型密封

速度型密封在下述前提下工作：滲入的空氣進(jìn)入，穿過(guò)火炬頭緊靠在火炬筒體的側(cè)，速度密封是一個(gè)錐形頭障礙物，帶有一個(gè)或多個(gè)折流板。折流板迫使空氣離開火炬筒體內(nèi)壁，遇到集中吹掃氣流并被沖出火炬頭。這種密封通常把經(jīng)過(guò)火炬頭的吹掃氣速度減到0.6～1.2 mm/s，保證了氧氣濃度低于密封要求的4%～8%。需要更高的吹掃氣速度來(lái)防止火炬頭內(nèi)部發(fā)生氣體逆燃。

2 防回火措施的選擇

采用密封罐是防回火爆炸的可靠措施。但在操作壓力較高的天然氣處理廠和工藝方案本身有低溫氣體（如JT閥脫水）放空時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生低溫工況；大多數(shù)LNG工廠氣體操作溫度處于低溫區(qū)，放空氣溫度也處于低溫區(qū)間，水封罐就會(huì)結(jié)冰，故一般不推薦采用水封罐。

對(duì)于阻火器，雖然相關(guān)規(guī)范上稱其偶爾被用來(lái)防止回火，但是在實(shí)際使用中尤其是長(zhǎng)輸管道中經(jīng)常采用；內(nèi)部集輸系統(tǒng)中也會(huì)用到。在新疆地區(qū)的塔中Ⅰ號(hào)氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3/a試采地面工程中，設(shè)計(jì)時(shí)業(yè)主要求油氣處理廠火炬放空系統(tǒng)阻火設(shè)施采用阻火器加爆破片的旁路設(shè)計(jì)。中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司（簡(jiǎn)稱CPE-SW）設(shè)計(jì)在滿足規(guī)范要求的前提下，堅(jiān)持最大程度地讓業(yè)主滿意的原則，多次進(jìn)行專家討論，認(rèn)為在滿足以下條件時(shí)可以按業(yè)主要求設(shè)計(jì)：

a）合理設(shè)計(jì)阻火器壓力降、選擇防腐功能較好、制造水平過(guò)硬的廠家生產(chǎn)的阻火器和爆破片（爆破片的選擇和安裝，應(yīng)符合《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定［3］）；

b）生產(chǎn)運(yùn)行單位安全管理到位，操作人員定期檢查和更換阻火器絲網(wǎng)和爆破片，確保放空發(fā)生時(shí)，阻火器不成為放空管道的障礙物；

c）在放空總管的起始段設(shè)計(jì)氮?dú)獯祾?，在阻火器后面設(shè)計(jì)燃料氣及氮?dú)獯祾撸Ｗo(hù)放空總管和火炬筒體，最大程度地保證火炬放空系統(tǒng)的安全。

最終火炬及放空系統(tǒng)阻火設(shè)計(jì)采用阻火器加爆破片的旁路設(shè)計(jì)。

為減少密封氣量，可采用浮力型密封或速度型密封形式。究竟采用何種密封形式，要根據(jù)火炬形式和全廠的密封氣來(lái)源綜合考慮。一般的高架火炬可分為高壓音速火炬和常規(guī)高壓火炬，高壓音速火炬一般采用動(dòng)密封；常規(guī)高壓火炬可采用分子封或動(dòng)密封。由于浮力型密封相對(duì)速度型密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，相同尺寸的火炬，分子封的外形尺寸大于動(dòng)密封，導(dǎo)致相鄰火炬的間距變大，可能使帶分子封的火炬相對(duì)應(yīng)的塔架及基礎(chǔ)造價(jià)高于帶動(dòng)密封的火炬。雖然一次性投資帶分子封的火炬及塔架高于投資帶動(dòng)密封的火炬及塔架，但一般情況下動(dòng)密封火炬密封氣用量是帶分子封火炬密封氣用量的2倍，不同的廠家可能存在差別。根據(jù)廠家資料，由于密封氣量的差別，會(huì)使分子封的后期運(yùn)行費(fèi)用低于動(dòng)密封。如果能夠充分利用天然氣處理過(guò)程中的廢氣作為密封氣，在不產(chǎn)生安全隱患的前提下，推薦采用動(dòng)密封方式。動(dòng)密封前期投資低，后期操作運(yùn)行成本不受影響。但如果使用廢氣作為密封氣，會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患，推薦使用節(jié)能的浮力型密封。比如CPE-SW公司目前正在進(jìn)行的湖北500×104m3/d LNG工廠國(guó)產(chǎn)化示范工程EPC項(xiàng)目，最終采用密封氣量較小的帶分子封的火炬來(lái)滿足我國(guó)節(jié)能減排需要。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制的措施之一［4］。

如果放空天然氣中含有水和硫化氫，SY/T0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》規(guī)定：在露點(diǎn)和露點(diǎn)以下，當(dāng)氣體中的硫化氫分壓大于或等于0.000 3 MPa（a），稱為酸性天然氣［5］。酸性天然氣可引起敏感材料的硫化物應(yīng)力開裂。為了防止酸性放空天然氣對(duì)放空管道的腐蝕，在放空總管上注入連續(xù)的凈化氣來(lái)進(jìn)行吹掃，同時(shí)增加伴熱系統(tǒng)使放空管道的操作溫度在放空氣露點(diǎn)之上。

3 結(jié)論

應(yīng)合理選擇火炬放空系統(tǒng)的阻火設(shè)施。通過(guò)火炬放空系統(tǒng)阻火設(shè)施的設(shè)計(jì)和研究，對(duì)于天然氣處理廠和LNG工廠火炬放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出如下建議：

a）分析全廠氣源，選擇安全、經(jīng)濟(jì)合理的密封氣；

b）設(shè)置阻火器時(shí)，在旁路設(shè)置爆破片；

c）選擇分子封和阻火器時(shí)，操作人員要加強(qiáng)此類設(shè)備的檢修維護(hù)。

［1］API 521-2007，Guide for Pressure-Relieving and Depressurizing Systems ［S］.

［2］SY/T 10043-2002，泄壓和減壓系統(tǒng)指南［S］.SY/T 10043-2002，Guide for Pressure-Relieving and Depressurizing Systems ［S］.

［3］GB 50183-2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.GB 50183-2004，Code for Fire Protection Design of Petroleum and Natural Gas Engineering［S］.

［4］向 華，韓 莉.龍崗氣田試采地面工程設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制的探討［J］.天然氣與石油，2008，26（6）：48-51.Xiang Hua，Han Li.Discussion about Cost Control of Longgang Field Production Test Engineering ［J］.Natural Gas and Oil，2008，26（6）：48-51.

［5］王 澎.H2S對(duì)天然氣處理設(shè)備的腐蝕及相應(yīng)對(duì)策［J］.天然氣與石油，2010，28（2）：34-36.Wang Pen.H2S Corrosion of Natural Gas Processing Equipment and the Corresponding Countermeasures ［J］.Natural Gas and Oil，2010，28（2）：34-36.