封閉式地面火炬在天然氣長輸管道站場中的安全設計

楊娜

摘 要：介紹了封閉式地面火炬的特點、事故狀態(tài)下可能存在的風險，并針對封閉式地面火炬的主要安全設施設計進行了分析和探討。

關鍵詞：封閉式地面火炬;安全設施設計

1 概述

為保證天然氣長輸管道站場的正常生產(chǎn)和緊急事故狀態(tài)下的安全排放，一般設置高架火炬，用來收集和處理天然氣。隨著天然氣長輸管道的快速發(fā)展，高架火炬由于輻射熱影響范圍較大，征地范圍大，造成的征地困難問題也越來越嚴重。為節(jié)約用地，同時考慮到環(huán)保、安全等方面的優(yōu)勢，國內已開始使用封閉式地面火炬作為天然氣長輸管道站場的排放處理裝置。

2 國內外放空火炬的應用情況

2.1 高架火炬。高架放空火炬在國內天然氣長輸管道項目的站場中廣泛應用，技術已非常成熟，其中包括已建的西氣東輸、川氣東送等大型的輸氣管道工程，均使用高架放空火炬系統(tǒng)作為輸氣站場的點火放空措施。

2.2 地面火炬。上世紀70年代初，國外開始進行地面火炬的研究和開發(fā)，制造出多種地面火炬排放系統(tǒng)，主要分為大排量多級多燃燒器開放式地面火炬和封閉式地面火炬。全世界十幾個大型乙烯項目、一些大型的煉油生產(chǎn)和天然氣開采項目都采用了多級多燃燒器地面火炬，國內也有一些企業(yè)采用了開放式和封閉式地面火炬。

目前封閉式地面火炬在天然氣長輸管道站場放空中的應用較少，因此其安全設計尤為重要。

3 封閉式地面火炬的特點

封閉式地面火炬主要由地面燃燒爐、燃燒器組、防風墻以及點火系統(tǒng)等組成，可保證氣體需要排放時能夠及時、安全、可靠地放空燃燒，保證在運行過程中實現(xiàn)低噪音無煙燃燒。

封閉式地面火炬有以下特點：

①地面火炬采用自動分級燃燒控制系統(tǒng)，根據(jù)壓力自動逐級打開燃燒器，以適應不同的排放流量，處理范圍廣。

②地面火炬及其附屬流程占地面積小、檢修方便，僅入口閥及總管需常規(guī)檢查與檢修，而該部分位于防風墻外;燃燒爐內的火炬頭可以在裝置的開停車期間進行檢修。

③封閉式地面火炬爐壁內部襯有耐火耐高溫的陶瓷纖維，減少向四周擴散的熱輻射，防風墻外熱輻射值≤1.58kW/m2，同時可以起到降噪效果。

④封閉式地面火炬及其附屬流程對周邊的防火間距要求比高架火炬小。

⑤最大限度地減少了對周圍環(huán)境的空氣污染、光污染和噪聲污染。

4 事故狀態(tài)下封閉式地面火炬可能存在的風險

①事故狀態(tài)下長明燈熄滅，點火失敗，造成大量可燃氣體從地面火炬排出，與周圍空氣混合成易燃易爆混合物，在擴散過程中如遇到點火源，可能發(fā)生爆炸。

②分級燃燒時，二、三級燃燒支路閥門故障無法開啟，放空天然氣不能快速泄放，可能導致站場內憋壓。

③由于天然氣站場運行壓力較高，放空時節(jié)流溫降加大，可能析出液態(tài)烴，造成爐膛內燃燒溫度過高。

④空氣供應不足，可能導致天然氣燃燒不完全，產(chǎn)生黑煙，造成環(huán)境污染。

⑤封閉式地面火炬與天然氣站場的安全間距與高架火炬相比要小的多，由于距離站場較近，如站內工藝裝置區(qū)發(fā)生泄漏，在特定氣象條件下，地面火炬可能將其引燃而發(fā)生火災甚至爆炸。

5 封閉式地面火炬的主要安全設施設計

針對天然氣長輸管道站場放空特點，建議進行以下安全設計：

①封閉式地面火炬的設計處理能力及處理范圍。天然氣長輸管道站場內放空量及放空時間等工況多變，事故緊急放空時氣量大、壓力高，正常運行時站內設備檢修放空氣量小、壓力小。封閉式地面火炬的設計處理能力考慮滿足事故狀態(tài)時峰值泄放量的排放要求，同時按照不同的放空氣壓力設置分級燃燒，一級放空設為常開，滿足站內檢修等放空氣量小、壓力低的排放要求，放空氣量及放空壓力增加時，陸續(xù)開啟后續(xù)各級燃燒，滿足排放需求。

②火炬系統(tǒng)采用獨立的PLC控制系統(tǒng)

a長明燈控制。燃燒爐爐膛內設置若干長明燈，以確保任何氣量的放空氣通過燃燒器火嘴時都能實現(xiàn)燃燒，避免未燃燒的放空氣與空氣混合形成爆炸性環(huán)境。一般采自動控制點火方式控制長明燈燃料氣閥、點火槍燃料氣閥、點火器。為確保火炬的燃燒穩(wěn)定，整個封閉式地面火炬在排放過程中必須保持長明燈常燃。在事故狀態(tài)下，長明燈熄滅，在人工確認安全可控的前提下，可通過中控室內的強制點火按鈕實現(xiàn)人工手動強制點火。

b火炬氣排放閥控制。為了保證工藝裝置泄放的氣體在燃燒器組的燒嘴處滿足最佳燃燒的壓力條件，按照不同的放空壓力，設置多級燃燒控制。每一級設置不同數(shù)量的燃燒器燒嘴，依據(jù)燒嘴的設計參數(shù)，通過PLC系統(tǒng)自動控制分級管路切斷閥的開或關來調整放空氣通過哪一級或哪些級投入燃燒，以使放空氣得以充分燃燒。

c通風口控制進風量實現(xiàn)無煙燃燒。放空氣在燃燒器火嘴處與空氣充分混合，實現(xiàn)充分無煙燃燒，燃燒后的高溫煙氣在抜力的作用下通過燃燒爐頂部排出，燃燒器火嘴處形成局部負壓，空氣通過燃燒爐與防風墻之間的通風口進入燃燒爐，如此循環(huán)，實現(xiàn)放空氣的完全無煙燃燒和排放。同時，在燃燒爐外圍設置擋風墻，防止側風直吹燃燒爐底部的燃燒器火嘴，確保燃燒火焰向燃燒爐中心集束，避免火焰偏斜。

③氮氣吹掃。設置氮氣瓶及氮氣吹掃系統(tǒng)，用來對各級排放閥后管路進行氮氣吹掃，以維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流入放空管道。

④可燃氣體檢測報警裝置。封閉式地面火炬燃燒爐下部及防風墻外圍的附屬流程工藝裝置區(qū)設置多個可燃氣體檢測報警裝置，各個報警裝置互為備用，避免放空管路或閥門泄漏導致產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境。

⑤針對雷雨天氣，封閉式地面火炬燃燒爐外壁為鋼結構，爐體完全接地。

⑥阻火設計。燃燒爐爐膛內設若干長明燈，保證放空氣在任何一級燃燒器火嘴處排放時均能實現(xiàn)燃燒，同時在各個長明燈的燃料氣管線上設置阻火器，在常開的一級燃燒支路上設置阻火器，防止回火。

⑦防憋壓設計。除一級燃燒支路之外，其余各級燃燒支路切斷閥設置爆破片旁通，防止切斷閥故障時放空系統(tǒng)憋壓。

⑧封閉式火炬前設置分液罐，將由于節(jié)流溫降產(chǎn)生的液態(tài)烴分出，防止爐膛內燃燒溫度過高。

⑨封閉式地面火炬的配套電氣、儀表均采用防爆設計。

⑩地面火炬周圍設置各種指示、警示作業(yè)安全、逃生避難及風向等警示標志。

6 結語

封閉式地面火炬與高架火炬相比有較多優(yōu)勢，但在國內天然氣長輸管道站場的應用還沒有普及，相關規(guī)范標準的制定比較滯后。因此，在封閉式地面火炬的設計中應充分考慮各種因素，參考國外相關標準及先進的設計經(jīng)驗進行安全設施設計，最大限度地確保封閉式地面火炬的安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]劉向宏，王一丁，潘麗芳.地面火炬系統(tǒng)的安全設計[J].遼寧化工，2010，39（3）.