淺談火炬系統設計

李 勝

(廣東寰球廣業工程有限公司 ，廣東 廣州 510000)

化工設計

淺談火炬系統設計

李 勝

(廣東寰球廣業工程有限公司 ，廣東 廣州 510000)

化工裝置隨著社會的發展數量和規模都在快速增加。正常生產、開停工、事故等工況下的火炬氣排放量也相應的增加。安全和環保日益嚴格的要求對火炬系統的設計提出了越來越高的要求。

火炬；系統設置；能力確定；設計與計算

隨著社會的發展，化工產品越來越多的融入到現如今的生活中，相應的化工裝置數量也快速增長，規模也越來越大。這些裝置在開停工、正常生產、事故等工況下或連續或斷續的向火炬系統排放著可燃有毒氣體。火炬系統作為最后的防線，必須要能保證火炬氣能在任何情況下都順利排放。因此，合理設計火炬系統是保證化工裝置安全生成、減少污染的重要舉措。

火炬系統的設計主要包括系統設置、處理能力確定、管徑的計算、管道設計、分液及水封系統設計、燃燒設施及輔助設施的設計。本文簡要談下火炬氣系統設計的細節。

1 火炬系統設置原則

火炬系統應能保證工藝裝置、壓力儲罐等設施發生各種事故時可燃性氣體能安全排放，應保證可燃性氣體排放系統本身能安全運行，且正常生成條件下排放的可燃性其他宜回收利用。

2 火炬系統的處理能力

火炬系統的處理能力應根據各個裝置在開停工、火災事故、停水、停電及蒸汽、儀表空氣供應中斷等公用工程事故以及其他事故等工況下可能產生的氣體量來考慮，應能保證最大工況下排放量的要求。

如果有多套工藝裝置同時排放，可參考《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》SH-3009-2013中6.2條來執行[1]。

3 火炬管道設計

火炬排放總管的管徑主要由最大允許背壓和馬赫數來確定。

SH3009-2013中的5.4.4條規定，各裝置在緊急事故時排入可燃性氣體排放系統官網的可燃性氣體，在裝置邊界處的眼里不宜小雨0.15MPaG。管道的馬赫數可以用公式

計算出來的數值應與《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》SH-3009-2013中的7.1.2條中的數值進行比較以保證馬赫數的取值比較合理

一般計算管徑需先假設管徑數值。根據假設的管徑值和火炬的最大處理能力，以火炬頭為起點，反向計算背壓，保證所得值小于最大允許背壓，且馬赫數滿足規定馬赫數即可。目前利用計算機搭建管網水力模型，可以很快的算出火炬管徑[2-3]。

火炬管道在進行管道走向設計時，為了避免火炬總管內的凝液倒流入支管，增大裝置排放的被壓，影響安全卸放，故要求所有火炬支管按流向由上方斜45°接入主管。一般火炬總管敷設在管廊上需要有不小于千分之2的坡度，同時為保證火炬系統一直處于正壓狀態，宜在火炬總管端部設氮氣吹氣裝置。火炬管道沿線若出現低點，應設置分液罐或者集液罐，保證將系統內的凝液及時分離出去，避免因兩相流而造成的管道震動。現如今的大型化工裝置，火炬燃燒點與生產裝置的距離比較遠，火炬管線不僅長度較長，而且管徑很大，沿途需要設置一些補償措施來消除應力。管道補償措施主要有自然補償(π彎)和膨脹節。膨脹節的結構特點致使其低點易聚集凝液。凝液會對膨脹節產生腐蝕，進而影響火炬排放管道的穩定性。不過可以對膨脹節局部進行伴熱，以消除其使用過程中的薄弱環節。自然補償可以保證整個系統管道具有相同的強度，有利于火炬氣的穩定排放，但是缺點也很明顯，π彎占地面積達，管道當量長度很長。火炬系統的熱補償措施應根據各裝置的實際情況酌情考慮。

4 分液及水封系統

除酸性氣體排放系統外，可燃性氣體排放總管進入火炬前應設置分液罐，且火炬總管宜每隔1000～1500m設置一次分液設施。分液罐的作用是把火炬氣中夾帶的直徑大于600μm的液滴分離出來，防止液滴夾帶到火炬頭發生火雨，從而保證了火炬的安全運行。典型的分液系統設計一般為：火炬氣總管采用步步高的布置方式到達火炬分液罐進行分液處理后，由集液泵送至相應儲罐中。

當火炬系統可燃氣體壓力過低出現負壓時，空氣會通過火炬頭進入火炬官網，產生回火或者閃爆，影響火炬系統的安全，所以需要在分液罐與火炬之間設置水封罐，隔斷火焰的傳播。水封罐作為火炬系統防止回火的一種措施，水封的安全有效至關重要。當可燃氣體排放接近結束時，水封罐的水量必須滿足有效密封水量的需求。水封高度可由SH3009-2013中的8.2.7條來設置。水封罐中的儲水量會因為自身蒸發、氣體夾帶等原因而越來越少，所以需要設置一定的補水措施。目前工程上常用限流孔板來控制補水量。

5 火炬燃燒設施

火炬燃燒設施主要包含火炬頭、長明燈、點火系統及其他輔助設施。此部分一般由火炬廠家設計制造。

火炬頭是燃燒火炬氣的設施。一般不僅要求火炬要有好的燃燒狀況，消除燃燒時產生的黑煙，還要求火炬頭在低噪音下運行。而這兩點是相互矛盾的，即消除燃燒黑煙改善燃燒狀況往往是以增大噪音為代價。現在一般建議采用蒸汽助燃技術以代替傳統的擴散燃燒方式，以達到一個燃燒狀況和噪音均衡點的狀態。

由于火炬氣的排放具有不確定性，時間不定，排放量不定，排放介質性質不確定等因素，為保證火炬氣能在任何工況下都能隨時點燃，需要設置長明燈來保證隨時可以點燃火炬氣。長明燈的點燃由點火系統來完成。

高架火炬的點火系統一般設置高空電點火和地面內傳焰點火兩種方式。高空電點火系統是利用高壓電能產生電火花，將長明燈中的燃料氣點燃。長明燈設置熱電偶，當檢測到長明燈熄滅后，PLC點火控制系統自動發出點火信號來點燃長明燈。地面內傳焰點火系統為手動點火，需先打開燃料氣與儀表空氣管線閥門，使兩種氣體在混合器內混合至爆燃比例，由高壓電能產生的電火花點燃形成爆燃火焰，經內傳焰管將火焰送至火炬頭，從而點燃長明燈。

6 輔助設施

消煙措施。在火炬頭處設置蒸汽消煙設施。蒸汽消煙由火炬頭環管蒸汽和火炬筒體中心蒸汽兩路組成。環管蒸汽將足夠的蒸汽和空氣送至火焰中心區域，有效加強火炬氣和空氣、蒸汽的混合效果，可加強火焰剛度，縮短火焰長度及托高火焰；中心蒸汽可以降低火炬氣中碳氫化合物濃度，同時托高火焰，有效降低小流量時火炬頭"燜燒"的現象。同時，環管蒸汽和中心蒸汽的注入可同時降低火炬頭的溫度，延長火炬頭的使用壽命。

伴熱設施。火炬筒體底部及火炬頭消音器、蒸汽環管均需設置電伴熱設施，以防凝液在冬季凍結。

可燃氣體探測設施。火炬區設置可燃氣體及有毒氣體檢測報警設施，保證氣體發生泄漏時能夠及時發現、及時處理，避免人身傷害和財產損失。

隨著化工裝置規模的不斷擴大，火炬排放量也在不斷增加，排放工況也更復雜，為保證火炬系統安全穩定運行，需要在滿足規范的前提，不斷優化設計方案才能保證火炬系統安全高效的運行。

[1] 中國石油化工集團公司儲運設計技術中心站.SH 3009-2013 石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].北京：中國石化出版社,2014.

[2] 王松汗.石油化工設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社, 2001：677-681.

[3] 張 領.煉油廠火炬系統設計工藝[J].化工管理 , 2015(18):171.

(本文文獻格式：李 勝.淺談火炬系統設計[J].山東化工，2017，46(08)：128-129.)

2017-02-28

李 勝(1986—)，安徽池州人，工程師，主要從事化工設計。

TQ022.11+5

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1008-021X(2017)08-0128-02