火炬設施水封罐設計

吳新團 唐芳(中國石油工程建設公司華東設計分公司， 山東 青島 266071)

火炬設施水封罐設計

吳新團 唐芳(中國石油工程建設公司華東設計分公司， 山東 青島 266071)

水封罐作為火炬設施的重要設備之一，對火炬系統的安全運行提供重要保障。本文從水封罐的分類、選型、結構尺寸、水封高度設計等進行分析探討,為工程設計優化提供經驗。

火炬設施；水封罐；設計

火炬設施是煉油廠的重要安全環保設施，主要用來處理生產裝置在開停工或發生火災、停電、停水、停汽等事故狀態下排放的可燃料性氣體。火炬設施水封罐是為了防止空氣進入火炬排放系統發生爆炸、或為分配流量、或為排放氣體回收建立背壓而設置的火炬與排放總管的隔離設施，是防止火炬回火和爆炸的一項常用安全措施。

本文從水封罐的分類、選型、結構尺寸、水封高度設計等進行分析探討。

1 水封罐分類及設計選型

水封罐按照結構形式可分為臥式水封罐和立式水封罐兩大類。臥式水封罐按照結構形式可細分為：帶擋液板式臥式水封罐和不帶擋液板式臥式水封罐。

1.1 臥式水封罐

就同等直徑帶擋液板式臥式水封罐和不帶擋液板式臥式水封罐對比而言，帶擋液板的臥式水封罐水封表面積遠小于不帶擋液板的臥式水封罐水封表面積。進而導致帶擋液板的臥式水封罐有效水封量也遠小于不帶擋液板的臥式水封罐有效水封量。因此，同等直徑的帶擋液板的臥式水封罐水封液面的穩定性遠不如不帶擋液板的臥式水封罐，容易造成水封高度不穩定。

在《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》(SH3009-2013)第8.2.6條規定“臥式水封罐內不宜采用擋液板分割空間的方式撇除水面上積聚的凝結液。若采用此結構，應確保水封罐內的水量減掉由擋液板分割開用于撇液空間的最大容積后的有效水封水量滿足水封設計要求。”因此，火炬系統不宜選用帶擋液板的臥式水封罐。

1.2 立式水封罐

立式水封罐多用在自立式火炬上。但是隨著石油化工廠的大型化，火炬排放系統放空量越來越大，相應的水封罐尺寸也越來越大，立式水封罐的高度遠大于臥式水封罐，給配管造成了很多不便。另外，立式水封罐水封液面的穩定性遠不如臥式水封罐，容易造成溢流水量過大或水封失效等問題。

綜上所述，除了自立式火炬 可選用立式水封罐外，其他火炬系統水封罐宜選用不帶擋液板的單流式臥式水封罐。

2 水封罐尺寸計算

2.1 臥式水罐計算

(1)臥式水封罐試算 臥式水封罐的直徑應按式(1)通過試算確定，當滿足Dsw≤Dw時，假定的Dw即為臥式水封罐的直徑。

式中：Dsw為試算的水封罐直徑，m；aw為水封罐內液面高度與罐直徑比值；qv為入口氣體流量(對于中間進兩端出的臥式罐取總流量的一半)，Nm3/h；bw為水封罐內液體截面積與罐總截面積比值。水封罐內液面高度與罐直徑比值aw按式(2)計算。

式中：h1為用于防止回火工況設置的水封液面高度，m；Dw為假定的水封罐直徑，m。

水封罐內液體截面積與罐總截面積比值bw按式(3)計算。

水封罐氣體進出口距離按式(4)計算。

式中：Lw為氣體入口至出口的距離，m。

(2)臥式水封罐直徑核算 按式(1)計算出臥式水封罐的直徑后，應按式(5)對其進行核算，水封罐的直徑應滿足式(5)核算結果。

水封罐還應滿足以下規定：①水封罐內的有效水封水量應至少能夠在可燃性氣體排放管網出現負壓時，滿足水封罐入口立管3m充滿水量。②臥式水封罐內氣體流動的徑向截面積應大于或等于入口管道橫截面積的3倍。

式中：q為操作狀態下入口氣體體積流量，m3/s；Vc為臥式水封罐內氣體水平流動的臨界流速，m/s；其值可由圖2查得。水封罐內氣體水平流動的臨界速度Vc根據MP/T的值由圖1查取。見圖1。

2.2 立式水封罐計算

立式水封罐的直徑應按式(6)計算。

式中：Dw為水封罐直徑， m；uc為液滴沉降速度， m/s；qv為入口氣體流量，Nm3/h；p為操作條件下的氣體壓力(絕壓)，kPa。

立式水封罐最大操作水封高度時，水封罐內氣相空間高度應大于或等于水封罐內徑，且不得小于1m。

3 水封高度的確定

水封罐水封高度必須滿足下列要求：①能滿足排放系統

在正常生產條件下有效阻止火炬回火，并確保排放氣體在事故排放時能沖破水封排入火炬。②對于含有大量氫氣、乙炔、環氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體火炬放空系統，水封高度應按式(7)計算，且最小操作水封高度不應小于300mm。③對于密度小于空氣的可燃性氣體放空系統，水封高度應按式(7)計算，且最小操作水封高度不應小于200mm。④對于密度大于等于空氣的可燃性氣體放空系統，最小操作水封高度應大于等于150mm。⑤對于酸性氣放空系統，酸性氣排放越暢通越好，因此酸性氣放空系統正常操作水封高度不應大于300mm。⑤對于含有火炬氣氣柜回收設施的放空系統，火炬氣回收設施正常回收時，火炬放空系統水封罐的正常操作水封高度應最少大于等于氣柜操作壓力0.5kPa(50mm水柱)。

圖1 臥式水封罐內氣體水平流動臨界流速

式中：hw為水封高度， m；p1為水封前管網需保持的壓力(絕壓)，kPa；ρw為水封液體密度，水取1000, kg/m3；F1為系數，取3.30826， kPa.K/m；F2為系數，取8361.4， m；H為火炬頭出口至地面的垂直距離， m；Ta為環境日平均最低溫度， K；p為火炬頭出口處的壓力(絕壓)，kPa；h為火炬水封液面至火炬頭出口的垂直距離，m。

4 防脈沖措施設計

《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》(SH3009-2013)第8.2.20條規定“水封罐氣體入口應采用有效的氣體分布結構，以防止由于密封水波動造成火炬脈沖式燃燒。當水封罐氣體入口底部采用齒狀端面時，入口管底部至水封罐底的距離宜大于等于0.25倍氣體進口的內徑。”第8.2.21條規定“水封罐內宜設置防止由于放空氣體沖擊而產生密封水的劇烈波動的措施”。因此水封罐內應設置防脈沖措施。

4.1 采用管口氣體分散結構

圖2 鋸齒型管口

圖3 喇叭型管口

圖4 水封罐撇油結構示意圖

圖5 A向側視示意圖

圖6 溢流管示意圖(一)

圖7 溢流管示意圖(二)

圖8 溢流管示意圖(三)

圖9 溢流管示意圖(四)

水封罐中常見的管口氣體分散結構有兩種，一種是底部采用鋸齒狀管口，鋸齒型管口的鋸齒高度宜為100mm，鋸齒角宜為30度；另一種是底部采用喇叭狀管口。具體如圖2和圖3所示：

4.2 采用防波動結構

水封罐防波動結構有兩種，一種在水封罐的徑向截面加帶孔隔板，把水封罐分成幾個艙室，以破壞或阻斷放空氣放空時所產生的脈沖；另一種是在操作水封面上加不銹鋼絲網，以破壞水面上所形成的波動波。采用帶孔隔板防波動時，宜根據水封罐的長度L決定隔板數量：L≤8m時，宜設1道隔板(或不設隔板)；8m＜L≤12m時，宜設2道隔板；L＞12m時宜設3道隔板。

建議水封罐防脈沖措施設計宜選用鋸齒型管口和徑向截面加帶孔隔板組合的方案。

5 撇油結構及水封溢流管設置

5.1 儲罐的撇油結構

《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》(SH3009-2013)第8.2.6條文說明里給出了臥式水封罐的三種撇油方式，其三種方式各有利弊，第一種減少了有效水封量，第二種在結構上實施起來較為困難，建議在第3種的基礎上對儲罐的撇油方式進行優化，具體如圖4和圖5所示：

5.2 水封溢流管設置

水封罐溢流管的設置主要有以下四種。從結構上看，第1、2種安裝方式是直接通過溢流總管溢流，在溢流總管底部容易造成催化劑等雜質聚集而堵塞溢流總管，溢流總管一旦堵塞造成水封液位升高，可能導致放空系統憋壓而造成事故。因此設計上宜優先選用第3、4種溢流方案。

6 結語

水封罐作為火炬設施的重要設備之一，對火炬系統的安全運行提供重要保障。設計者應嚴格按照石油化工企業相關規范要求，結合工程實際經驗優化設計，以保證整個煉油項目的安全生產。

[1] SH3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].

吳新團(1982- )，工程師，2005年畢業于石油大學(華東)油氣儲運專業，現主要從事煉油廠油氣儲運設計工作。