蘇里格氣田常壓火炬與音速火炬應用效果分析

吳付洋，郭永強，程小路，周忠強，劉 彬，李 希，王 昊

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

蘇里格氣田常壓火炬與音速火炬應用效果分析

吳付洋1，2，郭永強2，程小路2，周忠強2，劉 彬2，李 希2，王 昊2

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300）

為減少事故狀態下排放的天然氣對環境的污染，蘇里格氣田設計使用高低壓火炬放空系統用于處理廠及來氣干線緊急事故狀態天然氣的燃燒泄放。本文通過對常壓高架火炬和音速高架火炬系統工藝流程、設計初衷、事故狀態下天然氣燃燒泄放能力等重要參數進行計算分析，提出了常壓火炬及音速火炬在日常生產出現的問題及對應的解決措施，對火炬日常應用有指導性意義。

處理廠；常壓火炬；音速火炬；泄放量

為保證蘇里格氣田天然氣處理廠在事故和檢修狀態下全廠設備裝置的安全，蘇里格各天然氣處理廠均設置了火炬放空系統（見圖1）?；鹁嫱采喜吭O有分子封，密封氣為燃料氣，該燃料氣由處理廠系統提供，火炬筒始終保持微正壓，以防止火炬筒中形成爆炸性氣體，在放空時引起爆炸，毀壞火炬放空系統影響處理廠安全生產。設計合理的放空火炬能保證火炬燃燒效率、熱輻射、氣體擴散和火雨等達到環境保護的有關要求，有效減輕污染，保護天然氣處理廠的安全生產[1，2]。

圖1 火炬放空系統工藝流程圖

1 常壓高架火炬與音速火炬運行效果分析

放空火炬的類型根據泄放的流速可分為音速火炬和非音速火炬。蘇里格天然氣處理廠內集氣、配氣、高壓燃氣區、增壓站、脫烴脫水裝置等區域天然氣排放壓力較低壓燃氣區、60 m3緩沖罐、閃蒸分離、凝析油穩定等區域天然氣排放壓力高，且差別較大，為保證天然氣處理廠在檢修及緊急狀況下的安全生產，蘇里格天然氣處理廠均設置高、低壓兩套放空管網，為節約投資、控制成本，高、低壓火炬共用一個塔架，蘇里格天然氣處理廠設置火炬高為78 m～80 m。

1.1 設計初衷

依據《SH3009-2010石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》和《SH3009-2013石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范》中6.2節多套工藝裝置可燃性氣體排放量疊加原則，即（1）全廠最大排放量不考慮所有裝置均同時排放的最大量排放；（2）每個排放系統在同一事故中的最大排放量，按排放量最大裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%計算（體積流量），但不應低于系統中兩個不同裝置最大排放單點的總量；（3）排放量最大的裝置排放量的100%與全廠剩余裝置排放量的30%之和作為確定火炬安全區域的設計排放量[1]，及現有天然氣處理廠火炬放空自控連鎖設置等級可見，設計緊急事故下天然氣泄放量偏大，增加了設備投資，浪費了能源。

蘇里格天然氣處理廠均采用ESD緊急停車系統，可實現設備、裝置、全廠連鎖放空/連鎖不放空四級自動、手動緊急停車。因此，在滿足天然氣處理廠緊急狀況下天然氣泄放要求的同時，考慮將天然氣放空系統與ESD緊急停車系統有效結合，最大限度地減少天然氣泄放量。根據美國石油協會推薦減壓、降壓指導標準APIRP521中規定：火災泄壓放空通常根據輸送介質是否含有輕烴來設置泄放壓力。對于輸送介質含輕烴的裝置，應在15min內使其壓力降至690 kPa或壓力降至容器設計壓力的50%，并取其較低值；對于輸送介質不含烴的裝置，考慮15min內使其壓力降至容器設計壓力的50%。而天然氣放空為瞬態過程，因此，天然氣處理廠天然氣放空初期的氣源壓力，決定了其最大泄放量，天然氣處理廠管網內天然氣儲量是天然氣泄放量的重要影響因素（見圖2、圖3）。

由圖2、圖3可知火炬泄放量和放空壓力均隨放空時間變化而變化，即隨著放空時間的增加，火炬泄放量和放空壓力均越來越小。為避免緊急狀況下，處理廠各設備同時緊急切斷并泄壓所造成的火炬瞬時泄放量、火炬頭備壓及震動過大，引發安全生產事故。蘇里格某天然氣處理廠根據現有ESD（Emergency Shut Down System）緊急停車系統固有特點，針對處理廠緊急狀況下各設備區域緊急切斷放空時間進行優化、調整，將各設備區域緊急切斷并泄放時間由同時切斷泄壓改為不同區域緊急切斷并泄壓先后間隔15 s，有效降低了緊急狀況下設備泄壓放空所造成的火炬頭強烈震動及次生危險事故的發生。

圖2 火炬放空量變化曲線圖

圖3 火炬放空壓力變化曲線圖

1.2 泄放量及安全性

火炬放空氣體的速度一般用馬赫數來計算衡量。馬赫數是表示聲速倍數的數，即一倍聲速，記為Ma，定義為流場中某點的速度v同該點的當地聲速c之比，即Ma=v/c。APIRP521中規定：當場、站發生緊急事故造成停工，原料或產品氣體需全部排放時，可取0.6 Ma；單個裝置事故或停產檢修時，可取0.2 Ma[1]。

天然氣長輸管道站、場的慣用方法為以20%聲速為基礎作為火炬出口速度來決定火炬的尺寸。公式如下：

其中：D-火炬筒體出口直徑（m）；A-火炬筒體出口截面積，即火炬頭有效流通面積（m2）；F-放空氣體的體積流量（m3/s）；V-火炬出口氣體允許線速度（m/s）；m-馬赫數；K-放空氣體絕熱系數；P-理想氣體常數，取8.314。

1.2.1 常壓高架火炬 以蘇里格第六天然氣處理廠為例。根據《天然氣凈化廠設計規范》SY/T0011-2007中6.1.19的規定，進入天然氣凈化廠的天然氣管道上的截斷閥前應設置安全閥和泄壓放空閥，放空量均應為原料氣全量[2]。蘇里格第六天然氣處理廠不考慮所有干線放空量疊加，選擇輸氣量最大的蘇6-4干線840×104m3/d（35×104m3/h）為干線放空量。因此，火炬及放空系統按35×104m3/h放空量進行設計，即最大放空量F為840×104m3/d；高壓放空火炬管徑為DN700，低壓放空火炬管徑為DN200，取D=700mm；絕熱系數K由放空氣體組分決定，蘇里格第六天然氣處理廠放空氣體中90%以上為甲烷，而甲烷氣體的絕熱指數約為1.3，因此，近似取放空氣體絕熱系數K=1.3；氣體的摩爾質量M由氣體組分決定，同上，甲烷的相對分子質量為16g/mol，因此近似取M=16g/mol；將該氣體視為理想氣體，則R=8.314。在一定的溫度、壓力下，由上述公式（1）、（2）可得：

當t取最低溫度-20℃時，m=0.610；當t取最高溫度35℃時，m=0.553。

由此可知，蘇里格第六天然氣處理廠緊急狀態下，放空量最大時，環境溫度取值-20℃～35℃時，m＜0.6，基本符合APIRP521設計規定。因此，該處理廠設計使用常壓高架火炬即可滿足生產需求。

1.2.2 音速高架火炬 以蘇里格第四天然氣處理廠為例，蘇里格第四天然氣處理廠考慮所有干線放空量疊加。因此，火炬及放空系統按63.13×104m3/h放空量進行設計，即最大放空量F為1515.12×104m3/d；高壓放空火炬管徑為DN700，低壓放空火炬管徑為DN200，取D=700mm；絕熱系數K由放空氣體組分決定，由蘇里格第四天然氣處理廠放空氣體的組分可知，放空氣體中90%以上為甲烷，而甲烷氣體的絕熱指數約為1.3，因此，近似取放空氣體絕熱系數K=1.3；氣體的摩爾質量M由氣體組分決定，同上，甲烷相對分子質量為16g/mol，因此近似取M=16g/mol；將該氣體視為理想氣體，則R=8.314。在一定的溫度、壓力下，由上述公式（1）、（2）可得：

當t取最低溫度-20℃時，m=1.10；當t取最高溫度35℃時，m=0.998。

由此可知，蘇里格第四天然氣處理廠緊急狀態下，放空量最大時，環境溫度取值-20℃～35℃時，m＞0.6，不符合APIRP521設計規定。按APIRP521要求可知，放空天然氣速度最大馬赫數不能超過0.7，否則容易發生溢流，造成放空管線及火炬抖動，引發安全事故。因此，蘇里格第四天然氣處理廠設計選用音速火炬，將其火炬頭設計成了7個φ270的小火炬頭，增加了火炬釋放面積，增大了空氣通入量，滿足了生產需求。

1.3 優缺點分析

1.3.1 常壓高架火炬

優點：常壓火炬主要用于燃燒效率高、低輻射、無煙燃燒、燃氣壓力低、帶液量少的放空場所。常壓火炬放空口無背壓，放空沖擊力小，不易發生火炬“脫火”現象，火炬使用壽命較長，該火炬運行維護簡單，操作費用低。

缺點：火炬燃燒有效面積小，天然氣泄放燃燒速率較慢，單位時間內泄放量少。

1.3.2 音速高架火炬

優點：音速火炬主要用于燃燒效率高、低輻射、無煙要求高、燃氣壓力較高帶液量較少的放空場所。

缺點：音速火炬獨特的噴嘴設計使得一定壓力的氣體通過文丘里噴嘴使氣流速度達到或者接近當地音速，其火炬頭背壓可達0.6MPa，高壓差、高流速是其核心技術，因此，高流速的放空氣對音速火炬頭沖擊力偏大，火炬頭震動大，造成火炬頭易破損，放空泄壓時，易造成火炬“脫火”且其運行維護復雜、操作費用高，約為常壓火炬的3倍。

2 音速火炬存在的問題及解決措施

2.1 存在問題

2013年蘇里格天然氣處理廠（2011年投產）在運行中發現高壓火炬頭放空主火筒與分火筒的焊接部位出現多處裂縫，2014年發現火炬焊縫開裂，瀕臨脫落，十分危險，因此，蘇里格天然氣處理廠于2014年8月1日-2014年8月7日，對焊縫進行了補焊維修，維修后正常運行。同年12月，高壓火炬焊縫再次開裂，并再次對裂縫處進行補焊，以保證處理廠安全生產。

2.2 解決措施

（1）蘇里格各天然氣處理廠均采用ESD四級緊急停車系統，且其與處理廠放空系統有效連鎖，建議優化處理廠ESD緊急停車系統，采用各設備區域延時放空，降低單位時間內天然氣泄放量，減小火炬放空壓力。

（2）常壓火炬震動小、破損率低、維修簡單，壽命長，而蘇里格各天然氣處理廠來氣壓力均為2.0MPa～2.4MPa，增壓后壓力均為 4.4MPa～4.8MPa，鑒于蘇里格天然氣處理廠（設計年集輸處理能力為50×108m3）投產至今火炬放空系統運行狀態良好，建議將音速火炬更換為常壓火炬。

（3）建議每年至少組織兩次火炬定檢，尤其對火炬頭焊縫處進行嚴格檢查。

（4）日常生產中密切關注火炬頭燃燒變化，發現異常情況，如火炬分火筒燒裂等，及時處理，保證處理廠安全生產。

3 結論

本文從天然氣處理廠火炬選型設計初衷、火炬泄放量、安全性能、優缺點及生產中存在的問題等方面對蘇里格氣田所采用的音速高架火炬和常壓高架火炬進行了淺要的分析、討論。由上述可知，常壓高架火炬完全可以滿足當前處理廠事故狀態下的天然氣泄放工作，且其設計優良、投資小、泄放量少、故障率低、維修便捷、使用壽命長，因此建議，蘇里格各天然氣處理廠更換音速火炬為常壓火炬。

［1]SH3009-2013.石油化工企業燃料氣系統和可燃性氣體排放系統設計規范［S］.2013.

［2]SY/T0011-2007.天然氣凈化廠設計規范［S］.2007.

TE966

A

1673-5285（2017）09-0051-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.013

2017－08-28