高架火炬系統(tǒng)負壓問題的計算分析及安全防范措施

魯廣松（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210009）

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高架火炬系統(tǒng)負壓問題的計算分析及安全防范措施

魯廣松（江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210009）

摘要：火炬系統(tǒng)是石化廠處理全廠排放可燃氣體的重要的安全環(huán)保設(shè)施，火炬系統(tǒng)的安全可靠運行是全廠各裝置安全可靠運行的重要保證。火炬系統(tǒng)負壓會導(dǎo)致外界空氣從火炬頭倒吸進入火炬筒體，造成回火爆炸等嚴重的安全事故。尤其是對于大型高架火炬系統(tǒng)，負壓平衡容積大、火炬頭開口大，更容易導(dǎo)致空氣倒吸。隨著化工裝置的大型化，如何避免火炬系統(tǒng)的負壓影響，對于火炬系統(tǒng)的本質(zhì)安全運行至關(guān)重要。本文介紹了中國石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20萬噸/年合成氣制乙二醇項目高架火炬系統(tǒng)負壓問題的分析計算以及安全防范措施，對今后同類設(shè)計具有借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高架火炬系統(tǒng)；負壓問題；計算分析；安全防范

中國石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20 萬噸/年合成氣制乙二醇工業(yè)示范裝置設(shè)一座高架火炬系統(tǒng)滿足工藝裝置開、停車及發(fā)生事故時火炬氣的排放要求，該裝置設(shè)計為本質(zhì)安全、高效、節(jié)能型火炬氣燃燒排放系統(tǒng)，確保裝置的HSE生產(chǎn)。高架火炬系統(tǒng)由江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司采取EP的模式設(shè)計、供貨、指導(dǎo)安裝。高架火炬系統(tǒng)于2013年10月交貨，于2014年3月正式投用。

高架火炬采用固定捆綁火炬技術(shù)，火炬總高度100 米。火炬塔架支撐兩套火炬系統(tǒng)，一套含氧火炬系統(tǒng)（火炬筒體直徑DN1000） 及一套含氫火炬系統(tǒng)（火炬筒體直徑DN1000）。

高架火炬系統(tǒng)包括火炬頭（含流體封）、火炬筒體、火炬塔架、分液罐、水封罐、地面內(nèi)傳焰點火器、高空電點火裝置及相應(yīng)的管道、電氣及儀表系統(tǒng)等。高架火炬系統(tǒng)占地為34 米×45米，所有設(shè)備及系統(tǒng)均布置于其中。

含氧火炬頭采用帶伴燒燃燒器的引射和中心蒸汽消煙、低噪聲、無煙燃燒型火炬頭，可實現(xiàn)一定排放量下的無煙燃燒和低噪聲運行。

含氫火炬頭采用氣化爐火炬頭形式，以控制火炬頭出口馬赫數(shù)，保證火炬氣出口流速在合理范圍內(nèi)，確保火炬氣的完全燃燒。

含氧火炬頭和含氫火炬頭各設(shè)四支長明燈，長明燈保持常燃。兩套火炬系統(tǒng)共用一套地面內(nèi)傳焰點火器，每支長明燈各設(shè)一套高空電點火裝置，可實現(xiàn)長明燈的自動點火、遠程遙操點火和現(xiàn)場就地點火。

高架火炬系統(tǒng)嚴格按照SH3009-2013《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》進行設(shè)計。設(shè)計完成后由業(yè)主（中石化湖北化肥分公司）、總體院（中石化上海工程公司）、江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司對火炬系統(tǒng)進行了安全設(shè)計檢查，對火炬系統(tǒng)的負壓問題進行了計算分析，根據(jù)計算分析結(jié)果對原設(shè)計進行了相應(yīng)的調(diào)整。

1 高架火炬系統(tǒng)負壓產(chǎn)生的原因分析

SH3009-2013《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》中對負壓產(chǎn)生的原因作了如下說明：

可燃性氣體排放管網(wǎng)在特定的條件下存在兩種負壓工況。一種負壓工況是高溫氣體排放停止時遇到降雨，管道內(nèi)氣體溫度大幅降低將導(dǎo)致整個管網(wǎng)出現(xiàn)負壓，如果密封水量不足，則會導(dǎo)致空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng)；另一種負壓工況是在大氣壓高程差作用下，密度小于空氣密度的排放氣體處于緩慢流動或不流動時，水封罐至火炬出口的任意點處均處于不同的負壓狀態(tài)，如果此時水封水量不足及系統(tǒng)管網(wǎng)維持正壓措施失靈，則整個可燃性氣體排放系統(tǒng)會出現(xiàn)負壓。但這種負壓是自平衡的，不會造成空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng)，但可以導(dǎo)致空氣由放空管道或設(shè)備上的腐蝕等形成的孔洞進入系統(tǒng)。

根據(jù)本項目的具體情況，高架火炬系統(tǒng)負壓的還會在如下情況下產(chǎn)生。

1.1 大流量事故排放工況下火炬系統(tǒng)的負壓值

對于分子量較空氣輕的含氫火炬，由于火炬頭采用的是帶擴口形式的氣化爐火炬結(jié)構(gòu)形式，火炬頭出口直徑遠大于火炬筒體的直徑，火炬頭出口動壓大大減少，使得火炬系統(tǒng)的水封罐處出現(xiàn)較大負壓的情況。

1.2 靜態(tài)工況下由于火炬管道中介質(zhì)的冷凝產(chǎn)生的負壓

含氧火炬及含氫火炬系統(tǒng)中均含有大量常溫下易冷凝的氣體，如甲醇（沸點64.7℃），甲酸甲酯（沸點33℃），乙酸甲酯（沸點57.8℃）。火炬管道遇冷火炬氣體冷凝后，火炬系統(tǒng)就會產(chǎn)生較大的負壓值。

1.3 由于火炬頭消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的頭部附加負壓。

對于含氧火炬，火炬頭的結(jié)構(gòu)形式采用蒸汽消煙結(jié)構(gòu)，消煙蒸汽投用時由于蒸汽的抽引將會對火炬系統(tǒng)產(chǎn)生較大的負壓效應(yīng)。

2 高架火炬系統(tǒng)負壓的計算

2.1 計算條件（見表1）

2.2 計算方法

根據(jù)火炬系統(tǒng)負壓產(chǎn)生的原因分析，負壓計算分為兩種工況下的計算，即：火炬氣管內(nèi)事故工況下高速氣體流動火炬系統(tǒng)負壓、火炬氣管內(nèi)無氣體流動的靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓。

（1）事故工況下火炬系統(tǒng)負壓計算方法

對于含氫火炬，火炬頭采用的氣化火炬頭形式，利用火炬系統(tǒng)計算軟件Flaresim直接進行計算，正確設(shè)定火炬頭出口直徑即可準確計算出火炬水封罐出口處實際負壓值。

對于含氧火炬，火炬頭采用蒸汽消煙火炬頭形式，利用火炬系統(tǒng)計算軟件Flaresim先算出火炬筒體背壓值，再利用Fluent模擬計算出消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的負壓，兩部分壓力疊加后最終確定水封罐出口處的實際壓力。（見圖1）

表1

圖1 Fluent模擬火炬頭消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的負壓

（2）靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓計算方法

火炬氣管與周圍環(huán)境間的換熱可引起管內(nèi)火炬氣降溫或冷凝，進而產(chǎn)生負壓，但這部分負壓可以通過補氮措施來平衡。由于相變所需要的熱量大，熱交換時間長，少量補氮即可達到壓力平衡。經(jīng)計算，火炬氣降溫引起的管道內(nèi)梯度遠大于相變。

計算可需運用高等數(shù)學微積分的概念，結(jié)合氣體狀態(tài)方程，由dT/dt（溫度梯度）推導(dǎo)出dn/dt（摩爾量變化梯度）進而得出吹掃流速。分析其過程，火炬管道系統(tǒng)剛開始降溫的時候，由于與環(huán)境間溫差最大，此時補氮流速最大就是求的該最大值。

（3）計算結(jié)果

①事故工況下火炬系統(tǒng)負壓計算結(jié)果

②靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓計算結(jié)果（環(huán)境溫度-14℃）

3 高架火炬系統(tǒng)負壓問題的安全防范措施

由上述計算可知，高架火炬在事故工況及靜態(tài)工況下水封罐前后均有可能產(chǎn)生負壓，但負壓產(chǎn)生的原因及安全防范措施有所不同，應(yīng)區(qū)別對待。

參考文獻：

［1］API 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems.

［2］API 537 Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service.

［3］SH3009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［N］.

［4］HG/T20570.12-95.火炬系統(tǒng)設(shè)置［N］.

［5］徐旭常，周力行.燒技術(shù)手冊［M］.