油田原油站場(chǎng)加熱爐區(qū)區(qū)域劃分

王延輝（大慶油田設(shè)計(jì)院）

大慶油田位于我國(guó)高寒地區(qū)并開采三高原油，在原油站場(chǎng)采用多種類型的加熱設(shè)備，特點(diǎn)是數(shù)量大、熱功率高、功能多、分布零散、介質(zhì)多樣[1]。各種加熱設(shè)備在原油站場(chǎng)按功能分區(qū)稱為加熱爐區(qū)或加熱裝置區(qū)，大中型站場(chǎng)加熱爐區(qū)布置的特點(diǎn)是集中布置的臺(tái)數(shù)多，經(jīng)常存在幾種加熱設(shè)備類型，部分?jǐn)U建產(chǎn)生不同危險(xiǎn)等級(jí)的加熱設(shè)備交叉。

自2017年以來，新建及擴(kuò)改建項(xiàng)目加熱爐區(qū)的區(qū)域劃分由無需劃分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)閯澐謪^(qū)域。為了統(tǒng)一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并正確實(shí)施區(qū)域劃分，探討了區(qū)域劃分的轉(zhuǎn)變問題。

1 在用加熱爐區(qū)的建設(shè)現(xiàn)狀及新建加熱爐區(qū)的區(qū)域劃分

1.1 加熱爐區(qū)布置和加熱設(shè)備配置

加熱爐區(qū)一般以人行道路間隔成獨(dú)立的功能分區(qū)，其主要包括各種加熱設(shè)備、燃料氣排水器、管匯及分支管道、閥門、儀表等。加熱爐區(qū)的一般布置原則為采用成排布置，同種加熱爐毗鄰布置，按危險(xiǎn)等級(jí)高低順序布置。

大慶油田早期的加熱設(shè)備采用明火燃燒器，火焰在設(shè)備燃燒器端直接外露大氣或在燒火間內(nèi)。近年來，新建的加熱設(shè)備均采用全自動(dòng)燃燒系統(tǒng)，配套燒火間可燃?xì)怏w報(bào)警，在用明火燃燒器逐步改造為全自動(dòng)燃燒系統(tǒng)并增加燒火間，現(xiàn)存的明火加熱設(shè)備總數(shù)量占總加熱設(shè)備的數(shù)量小于5%，部分加熱設(shè)備燒火間無可燃?xì)怏w報(bào)警和通風(fēng)設(shè)施。

1.2 加熱爐區(qū)區(qū)域劃分依據(jù)

在用加熱爐區(qū)區(qū)域劃分的依據(jù)是：1）在生產(chǎn)條件下，可燃?xì)怏w或可燃液體蒸氣可能與空氣混合形成爆炸性氣體混合物。

2）加熱爐區(qū)為室外通風(fēng)良好場(chǎng)所。

3）在生產(chǎn)過程中使用明火的設(shè)備附近，或熾熱部件的表面溫度超過區(qū)域內(nèi)可燃物質(zhì)引燃溫度的設(shè)備附近的條件[2]。

1.3 加熱爐區(qū)區(qū)域劃分

獨(dú)立布置的在用加熱爐區(qū)劃分為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域（圖1）。

圖1 在用加熱爐區(qū)劃分

1.4 新建加熱爐區(qū)的區(qū)域劃分

新建加熱爐區(qū)內(nèi)使用的加熱設(shè)備型式和工藝布置未發(fā)生變化，新的劃分標(biāo)準(zhǔn)將加熱爐區(qū)含原油介質(zhì)加熱設(shè)備爐體附近區(qū)域劃分為2區(qū)。燒火間內(nèi)為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)有自然通風(fēng)和可燃?xì)怏w報(bào)警。新建加熱爐區(qū)區(qū)域劃分見圖2。

圖2 新建加熱爐區(qū)劃分

2 加熱爐區(qū)區(qū)域劃分影響因素分析

2.1 釋放源和通風(fēng)

區(qū)域劃分是基于易燃性混合物存在的可能性而進(jìn)行的[3]，對(duì)加熱設(shè)備可能的釋放源考察釋放等級(jí)和通風(fēng)情況。原油加熱設(shè)備及管路可能的釋放源包括法蘭、人孔、閥門、控制閥、安全閥和取樣閥等，其釋放等級(jí)為二級(jí)釋放源，主要考慮比空氣重的可燃?xì)怏w或蒸氣，加熱設(shè)備附近通風(fēng)良好，可降低爆炸危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)。燒火間參照鍋爐房鍋爐間的規(guī)范要求，為無需劃分的非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，設(shè)置防爆通風(fēng)裝置和吸風(fēng)口滿足燃燒用風(fēng)量和換氣量[4]。

2.2 非電氣引燃源

已建加熱爐區(qū)未進(jìn)行劃分，是依據(jù)加熱設(shè)備附近存在明火或高溫表面，即只要加熱設(shè)備含有這樣的非電氣引燃源，就不進(jìn)行劃分。其原因一是通風(fēng)良好降低了劃分等級(jí)，二是在泄漏初期，明火或高溫表面的溫度足以引燃可燃?xì)怏w，而不發(fā)生爆炸。

但是隨著原油加熱技術(shù)的發(fā)展，不進(jìn)行劃分所依據(jù)的“明火”、“高溫表面”和“設(shè)備附近”條件均有不同程度的變化。各種加熱設(shè)備的非電氣引燃源變化示例見圖3。

2.2.1 非電氣引燃源種類和位置的變化

明火加熱爐數(shù)量較少并被逐步淘汰，加熱設(shè)備采用全自動(dòng)燃燒系統(tǒng)后，引燃源由火焰明火轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷乇砻?；設(shè)置燒火間后，中低位置具有較高溫度的和較大表面積的尾部煙箱和煙囪起點(diǎn)段“封閉”于燒火間內(nèi)，室外煙囪高溫表面的引燃源面積縮小、位置升高（明火加熱設(shè)備的火焰距地面高度1.5～2 m，帶有燒火間加熱設(shè)備的燒火間外煙囪起點(diǎn)高度約3 m）并受燒火間頂部阻擋（燒火間頂面尺寸一般為2.6 m×2.2 m和3.0 m×2.8 m）。非電氣引燃源的上述變化，縮小了其作用范圍。

圖3 各種加熱設(shè)備的非電氣引燃源

2.2.2 高溫表面溫度的變化

高溫表面指加熱設(shè)備尾部裸露煙箱和光管煙囪。油田原油站場(chǎng)爆炸性氣體混合物的引燃溫度分組為T4組別，引燃溫度135℃＜t＜200℃，加熱組合裝置和水套爐尾部裸露煙箱和光管煙囪起點(diǎn)段設(shè)計(jì)溫度為260℃，高效相變爐設(shè)計(jì)溫度為200℃，煙箱至煙囪頂點(diǎn)溫度逐漸降低。加熱設(shè)備在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排煙溫度會(huì)顯著下降，在油田經(jīng)常發(fā)生排煙結(jié)露產(chǎn)生尾部煙道和煙囪低溫腐蝕，根據(jù)2011年對(duì)大慶油田正常運(yùn)行的400臺(tái)加熱爐運(yùn)行效率測(cè)試結(jié)果，加熱爐平均運(yùn)行負(fù)荷率為52.19%，平均運(yùn)行排煙溫度為175℃，最低排煙溫度為140℃[5]。因此，部分加熱爐燒火間頂部以外的煙囪高溫表面已不能作為可靠的非電氣引燃源。

2.2.3 加熱設(shè)備尺寸

石油、石化行業(yè)一般將距加熱爐外壁1.2～1.5 m范圍內(nèi)劃分為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域[6-7]。多功能組合加熱裝置本體尺寸較長(zhǎng)，加上高溫表面的位置和溫度變化，不能將“設(shè)備附近”作為劃分依據(jù)。例如，2.5 MW加熱分離緩沖沉降裝置的爐體長(zhǎng)度達(dá)到20.028 m，燒火間外的煙囪高溫表面無法對(duì)其長(zhǎng)度范圍內(nèi)、積聚于地面附近的可燃?xì)怏w進(jìn)行引燃。大慶油田常用的幾種加熱設(shè)備爐體尺寸見表1。

2.2.4 全自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的可靠性

加熱爐主要依靠全自動(dòng)燃燒系統(tǒng)提供高溫表面能量和安全保護(hù)，根據(jù)長(zhǎng)慶油田2013年加熱爐燃燒器專項(xiàng)安全檢測(cè)結(jié)論，檢測(cè)的312臺(tái)燃燒器中允許使用的99臺(tái)，監(jiān)控使用的35臺(tái)，建議整改的178臺(tái)，其中點(diǎn)火保護(hù)裝置不合格率10.9%，熄火保護(hù)裝置不合格率12.5%[8]。

表1 常用加熱設(shè)備爐體尺寸

2.3 電氣引燃源

對(duì)區(qū)域劃分是為了便于電氣設(shè)備的選擇、設(shè)計(jì)和安裝，即在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域防止產(chǎn)生電氣引燃源。加熱爐區(qū)內(nèi)電氣引燃源的位置和不考慮加熱設(shè)備非電氣引燃源時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域劃分見圖4。

圖4 各種加熱設(shè)備的釋放源和電氣引燃源

2.3.1 原油直接加熱型組合裝置

雖然獨(dú)立的法蘭、閥門、控制閥、安全閥和取樣閥等在正常操作條件下，釋放可燃?xì)怏w的可能性很小，但與含原油介質(zhì)的壓力容器組合起來危險(xiǎn)性較高，這也是含原油介質(zhì)壓力容器整體劃分為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域的原因。原油加熱組合裝置設(shè)備容積常大于95 m3，為大容量設(shè)備。在非電氣引燃源的有效作用范圍外或在非電氣引燃源停止作用時(shí)，來自裝置的電氣引燃源具有引燃爆炸性氣體混合物的危險(xiǎn)，電氣引燃源來自于如圖4所示設(shè)備區(qū)域內(nèi)較多的儀表。

2.3.2 原油間接加熱相變爐和水套爐

原油間接加熱相變爐和水套爐由于可能的釋放源僅為換熱盤管法蘭、閥門，加熱盤管內(nèi)的原油容量較小且無直接泄漏可能，爆炸危險(xiǎn)性較低。電氣引燃源較少，來自于如圖4所示相變爐和水套爐進(jìn)出口端的溫度、壓力儀表。

2.4 毗鄰分級(jí)區(qū)域

長(zhǎng)尺寸的加熱組合裝置（如?4000 mm×20 028 mm加熱分離緩沖沉降裝置）相對(duì)于燒火間的另一側(cè)，往往與2區(qū)的廠房或原油壓力容器毗鄰布置，此時(shí)加熱設(shè)備的進(jìn)出口端需考慮毗鄰分級(jí)區(qū)域的影響。

3 加熱爐區(qū)提高安全性的措施

3.1 區(qū)域劃分

大慶油田原油站場(chǎng)新建加熱設(shè)備主要是相變加熱爐和各種加熱組合裝置。加熱爐區(qū)主要布置多臺(tái)加熱組合裝置、加熱組合裝置和相變加熱爐、多臺(tái)相變加熱爐。危險(xiǎn)性最高的原油加熱組合裝置布置區(qū)域宜進(jìn)行區(qū)域劃分，在有可靠的安全應(yīng)用依據(jù)時(shí)，原油相變加熱爐布置區(qū)域可不進(jìn)行區(qū)域劃分。通過提高電氣防護(hù)要求來提高加熱爐區(qū)整體安全度時(shí)可以對(duì)所有含原油介質(zhì)加熱設(shè)備布置區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分。

3.2 電氣儀表

在原油加熱設(shè)備非正常工作狀態(tài)下，在加熱設(shè)備和生產(chǎn)管道內(nèi)存有大量原油并處于壓力運(yùn)行時(shí)，電氣引燃源的存在仍然有較高的引燃爆炸風(fēng)險(xiǎn)。油氣集輸過程中所發(fā)生的著火爆炸，由電氣引發(fā)的占19.8%[9]。加熱爐周圍雖然不劃為爆炸危險(xiǎn)區(qū)，仍建議該區(qū)域盡量使用防爆電器。因此，原油加熱裝置在非燃燒工作狀態(tài)自動(dòng)切斷燃燒器送電時(shí)，裝置范圍內(nèi)的工藝儀表應(yīng)能獨(dú)立停止送電或工藝儀表按爆炸危險(xiǎn)環(huán)境采用防爆儀表。生產(chǎn)匯管的壓力溫度儀表設(shè)置點(diǎn)易遠(yuǎn)離加熱設(shè)備進(jìn)出管道閥門、法蘭處的釋放源危險(xiǎn)區(qū)域，儀表電氣線路宜沿爐體頂部避免受熱敷設(shè)或埋地附設(shè)。

3.3 燒火間可燃?xì)怏w報(bào)警

可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)置只能保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣泄漏，不能消除引發(fā)火災(zāi)事故，應(yīng)考慮設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，高限值報(bào)警、高高限值報(bào)警聯(lián)鎖控制系統(tǒng)緊急停運(yùn)燒火間內(nèi)加熱爐的燃燒器，同時(shí)切斷其燃料控制總閥[10]。

3.4 燒火間通風(fēng)

燒火間防爆通風(fēng)裝置和吸風(fēng)口設(shè)置應(yīng)保證燃燒用風(fēng)供給和換氣充分，吸風(fēng)口宜在燒火間底部?jī)蓚?cè)非障礙位置設(shè)置，防止與頂部通風(fēng)裝置形成置換氣體短路而產(chǎn)生可能積聚易燃?xì)怏w的死角。對(duì)于受毗鄰劃分區(qū)域影響的相變爐，吸風(fēng)口底部應(yīng)高于地面0.6 m以上安全距離，防止吸入易燃?xì)怏w。

3.5 燒火間圍堰

相變爐燒火間底部設(shè)有圍堰，雖然設(shè)有通風(fēng)口，仍然存在可能積聚易燃?xì)怏w的死角，圍堰內(nèi)區(qū)域應(yīng)考慮毗鄰分級(jí)區(qū)域的影響。

4 結(jié)論

大慶油田原油站場(chǎng)采用多種加熱設(shè)備以滿足生產(chǎn)工藝需求，隨著原油加熱技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些影響加熱爐區(qū)區(qū)域劃分的因素。原油加熱爐區(qū)的劃分已不能僅將明火、高溫表面、設(shè)備附近等作為劃分的依據(jù)。雖然部分小型加熱設(shè)備附近有據(jù)可依可以不進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分，但是大慶油田大中型站場(chǎng)加熱爐區(qū)集中布置多臺(tái)含原油介質(zhì)加熱設(shè)備，由于建設(shè)水平、管理、操作等各方面的因素，法蘭、閥門等泄漏可能性較低的釋放源在長(zhǎng)期使用、檢修、清淤、故障、異常操作等情況下很容易在加熱爐區(qū)產(chǎn)生爆炸性氣體混合物。在非電氣引燃源的作用范圍受限或停用時(shí)，電氣引然源很可能引燃爆炸性氣體混合物并產(chǎn)生爆炸。大慶油田1座原油站場(chǎng)負(fù)責(zé)幾百口甚至上千口油井的生產(chǎn)處理任務(wù)，加熱爐區(qū)的建設(shè)水平直接影響油田的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。在加熱爐區(qū)含原油介質(zhì)加熱爐區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，以適當(dāng)提高電氣防護(hù)要求來提高加熱爐區(qū)安全度是一種適應(yīng)油田發(fā)展的技術(shù)措施。