碼頭罐區的地面火炬系統設計

王增輝，高　桐,韓　雪

(中海油石化工程有限公司 工藝室，山東青島　266101)

按照結構形式劃分，火炬可以分為高架火炬和地面火炬。高架火炬在燃燒時，火炬頭處所產生巨大火焰造成的熱輻射對附近的工作人員及設備有很大的影響，因此高架火炬必須建在離廠區較遠而且人口稀少的地方[1-2]。地面火炬因其熱輻射低、噪音低的特點，適合應用于碼頭罐區。

董家口某碼頭罐區包含3000m3液化氣球罐及其它罐區，為滿足液化氣球罐事故狀態下的排放要求，設置火炬系統。火炬系統由火炬管網、水封罐、分液罐和地面火炬組成[3]。本文從火炬系統排放量確定、火炬管網計算、分液罐計算、安全防護距離幾個方面，探討火炬系統的設計。

1　地面火炬系統的設計

1.1　火炬系統排放量的確定

本地面火炬用于碼頭罐區的事故泄放。主要泄放源為：球罐組的3000 m3液態烴球罐在事故狀態時的泄放，以及裝卸車區和其它管線的超壓泄放。根據地面火炬設置的一般規定，火炬系統需滿足工況如下：

(1)裝車時的超壓泄放，組分為甲苯、甲醇、乙醇，裝車時產生的氣相泄放量為85Nm3/h,間斷工況。

(2)液態烴管線因熱脹超壓而產生的泄放。

(3)球罐區，因發生地面火災而產生的超壓泄放，泄放組分為丙烯或液化氣，最大泄放量為105t/h(47089Nm3/h)，間斷。

綜合考量，地面火炬的設計能力以3000m3液態烴球罐的最大事故泄放量105t/h為設計基礎。火炬燃燒的氣體主要是C3～C4烴類，符合《石油化工可燃性氣體排放設計規范》SH3009-2013地面火炬燃燒的要求。由于放空氣體總量和毒性都較小，設置地面火炬可以滿足設計要求。

1.2　火炬管網計算

火炬管網的工藝設計應符合如下要求[4-5]：

(1)從火炬頭開始反算全廠可燃性氣體排放系統管網裝置邊界處的各節點的排放背壓，各節點的背壓應低于該點的允許背壓。

(2)排放系統管網的馬赫數不應大于0.7，可能出現凝液的可燃性氣體排放管道末端的馬赫數不宜大于0.5。

(3)全廠可燃性氣體排放系統管網壓力應保持不低于1kPa。

Aspen Flare System Analyzer 軟件是進行火炬系統和泄放管網設計與計算的專業軟件，可以模擬火炬系統[5]。根據上述要求，使用該軟件建立模型如圖1所示。

圖1　Aspen Flare System Analyzer火炬管網模型

各管路計算結果如表1所示。

表1　火炬管網的管路數據

經核算，當火炬主管網管徑取DN500時，各節點背壓低于允許背壓，各分支馬赫數小于0.5，符合安全泄放要求。

1.3　分液罐計算

設計中采用臥式分液罐，對火炬氣中的液體進行分離。根據《石油化工可燃性氣體排放設計規范》SH3009-2013中的計算方法[6]：被分離液滴直徑取600μm。分液罐直徑根據公式(1)(2)進行試算：

(1)

式中：Uc——液滴沉降速度,(m/s);

ρ1——操作條件下的液滴密度，(kg/m3)；

g——重力加速度，取9.81，(m/s2) ；

ρg——操作條件下的氣體密度，(kg/m3)；

D——液滴直徑，m；

C——液滴在空氣中的阻力系數。

(2)

式中：Dsk——試算分液罐直徑，m；

a——罐內液體高度與罐直徑比值；

b——罐內液體截面積與罐總截面積比值；

qv——入口氣體流量，(Nm3/h)；

P——操作條件下的氣體壓力(絕壓)，kPa；

φ——系數，一般取2.5～3.0。

根據試算結果分液罐直徑應不小于1.76m，結合工程經驗確定直徑取2.4m，長度取7.2m。分液罐可以滿足容納火炬氣連續排放20～30min的凝結液量，分液罐液相空間滿足15min不會被泵抽，分液罐氣相空間滿足氣相通過時間大于液體沉降時間，氣體流動截面積大于入口管道截面積的3倍。分液罐設計符合火炬系統分液要求。

1.4　安全防護距離

封閉式地面火炬設施由地面燃燒爐、地面燃燒爐支柱、地面燃燒器、防風墻、分級燃燒系統以及長明燈自動點火裝置所組成[3，6-7]。

《石油化工企業設計防火規范》GB50160-2008關于火炬的防火間距提出，封閉式地面火炬的設置應按照明火考慮，火炬的輻射熱不應影響人身及設備安全。地面火炬的安全防護距離需要根據最大排放量進行詳細計算和模擬設計，允許輻射強度小于等于1.58kW/m2[8-9]。

本項目地面火炬經核算，直徑13.2m，高度40m。根據規定，在地面火炬外部設置一個內徑Φ17m，高7.5 m的防風墻。防風墻的作用如下[10]：

(1)可以防止地面燃燒爐底部側風對地面燃燒器燃燒狀態的影響。

(2)采用鋼筋混凝土制成，墻內壁襯有輕質耐火耐高溫陶瓷纖維毯，可最大限度地降噪和防止熱輻射外漏。

(3)有效阻止操作人員進入地面火炬高溫區域。

地面火炬設施運行時，防風墻外最大熱輻射強度小于1.58kW/m2，噪聲低于 80分貝，滿足人員活動要求。地面火炬安全防護距離的決定因素為40 m高處排煙口的輻射區域，經flaresim軟件簡單模擬[9]，安全防護距離為39.3 m。詳見圖2。

圖2　安全防護距離范圍示意圖

2　總結

(1)封閉式地面火炬因其安全防護距離低、噪音低的特點，有效解決了碼頭罐區空間受限的影響。

(2)《石油化工可燃性氣體排放設計規范》SH3009-2013為火炬系統設計提供了基本原則與方法。

(3)采用Aspen Flare System Analyzer 軟件進行火炬系統和泄放管網設計是較為普遍的做法。