氨火炬點火系統故障分析及技術改造

陳鳳壯，吳桂波，梁其奮

(海洋石油富島有限公司，海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司(簡稱富島公司)化肥一部擁有1套以天然氣為原料的年產30萬t合成氨裝置，采用ICI-AMV工藝。裝置設有氨罐區，在尿素裝置停車或當氨產量超過尿素裝置的需要時貯存成品液氨。氨罐區包括2個3 667 m3氨罐、小冰機、氨泵、氨加熱器、氨火炬、呼吸槽等主要設備。

氨火炬通過天然氣進行引燃，用于處理正常操作時常壓氨罐區連續、間歇,以及事故或非正常工況下排放氣氨，共有3個長明燈等角度分布在火炬排放口周圍，火炬高28 m，筒體從下往上分為3段，由粗到細分布，直徑分別為1 524.0 mm、914.4 mm、558.8 mm。進入氨火炬的介質共有3路，分別是氨罐氣氨放空管、罐區氣氨放空總管和罐區液氨排放總管。氨火炬燃燒器引燃天然氣也分3路，分別為氨火炬頂部長明燈燃氣管、進入氣氨放空管的摻燒管線和氨火炬點火系統燃料管線。氨火炬點火系統采用地面爆燃點火方式，由天然氣和壓縮空氣按一定的配比混合形成爆燃性氣體，通過電弧打火爆燃后再通過3根傳焰管引燃氨火炬頂部長明燈。

1 存在的問題

(1) 點火成功率低，火焰不穩定。

近幾年，氨火炬點火系統點火成功率極低，甚至無法正常使用。由于氨火炬主火炬僅在有氣氨放空時點燃，而進入氨火炬中的氣氨并不連續，因此不能保證主火炬長期燃燒，大多時候僅有長明燈在燃燒。實際使用過程中長明燈存在火焰不穩定，易熄滅的問題。由于點火系統點火成功率低，導致長時間無法點燃長明燈，無法實現應急點火，進入氨火炬的氣氨無法燃燒，而是直接排放至大氣，對環境造成影響。為了加快點火速度，操作人員不得不爬上火炬頂部用火把點火，既增加了工人的勞動強度，又存在較大的高空作業安全風險。

(2) 氨火炬堵塞。

由于點火成功率低，操作人員有時會在氣氨放空管線內加入天然氣進行摻燒，一方面可以保證火焰的連續穩定性，另外一方面可以通過主火炬燃燒反向點燃熄滅的長明燈。但由于天然氣燃燒產生的CO2和放空氣中的NH3容易發生反應，產生氨基甲酸銨白色固體結晶使得氨火炬發生多次堵塞，影響氨罐區系統的正常排放。

2 原因分析

分析氨火炬點火成功率不高的主要原因有傳焰管堵塞、傳焰距離較長、點火技術落后。

(1) 傳焰管堵塞。

原有地面爆燃點火裝置及傳焰管均使用碳鋼材質，且傳焰管連接彎頭較多，容易造成雜質累積。現場割開一段傳焰管進行檢查，發現管內腐蝕情況嚴重，存在大量鐵屑雜質，特別是在彎頭處堵塞情況嚴重。檢查點火系統前空氣和燃氣管線過濾器，同樣發現大量雜質(見圖1)。

圖1 氨火炬點火系統傳焰管堵塞

(2) 傳焰距離較長。

點火系統的燃氣和空氣管線,以及3根傳焰管的直徑均為25.4 mm，點火壓力為0.1 MPa，每根傳焰管長度約81 m，由16個直角彎頭連接。氨火炬點火系統安裝之初雖然可以實現點火，但是該設計存在傳焰動力不足的潛在隱患。由于傳焰阻力增加，傳焰動力不足的問題日益顯現，檢查顯示實際傳焰距離為35～40 m，火焰無法順利傳至長明燈，從而造成點火失敗。

(3) 點火技術落后。

地面爆燃點火技術中空氣和燃氣的配比十分關鍵，實際使用中大多存在點火成功率不足的問題[1-2]，而原有的點火系統中空氣和燃氣均為壓力控制，沒有安裝流量指示計，無法有效控制空氣和燃氣的流量配比，導致操作人員點火成功率不高。此外,富島公司一期氨火炬已投用23 a且一直沒有進行改造，僅有1套地面爆燃傳焰式點火裝置，沒有備用點火裝置，不符合相關規范要求。地面爆燃點火技術已經明顯落后，點火成功率明顯低于高能點火器。

3 技術改造

針對以上問題，富島公司一期先后對氨火炬進行點火室移位改造和點火系統更新改造。

3.1 點火室移位

將地面爆燃點火系統，包括相關管線的閥組整體向火炬方向遷移，具體遷移位置見圖2。同時,將點火室后的傳焰管全部更換直徑為25.4 mm的不銹鋼管。技術改造后的點火室與氨火炬的實際距離為2.5 m，點火室至氨火炬頂部的傳焰管實際長度為31 m左右，相比改造前的傳焰管長度減少了近50 m，其中每根傳焰管的直角連接彎頭減少了8個。

圖2 氨火炬點火室移位改造圖

3.2 點火系統改造

(1) 新增3個高空高能點火器。

針對現有地面爆燃點火系統點火成功率不高，且沒有第二種點火方式的情況，在每個長明燈配套新增1個S31008材質的高能點火器，通過點燃高能點火器后引燃長明燈，進而點燃主火炬(見圖3)。高能點火系統主要包含高空高能點火器、高壓發生器組、高壓抗腐蝕電極、金屬裸線、高壓石英連接裝置、高壓電纜等部件(見圖4)。高能點火器采用內傳遞、負壓式結構設計，具有定向導火、點火可靠、自然配風等特點。高能點火器的工作原理是利用防風傳焰筒內的少量燃氣將火源裝置中的電弧火花上傳，點燃出口處火焰噴嘴的燃氣，形成二次火源。該設計使得火源裝置遠離火焰區，可有效提高火源裝置的使用壽命，同時也加大了點燃火炬的二次火源能量，提高點火可靠性。高壓發生器采用內封閉式雙極點火設計，能夠同時輸出±7.5 kV 電壓經兩電極放電，當裝置內部某部分繞組出現故障時，高空點火器兩電極中的某一電極仍能對地放電實現正常點火，能在大風、大雨、大霧潮濕、高溫等惡劣環境下使用。高壓輔助系統采用裸導線配合石英設計，具有抗高溫、抗腐蝕、抗氧化、使用壽命長等優點[3-4]。

圖3 氨火炬點火系統改造流程圖

(a) 改造前的地面爆燃點火系統

高空高能點火器操作簡單，現場實際點火成功率超過95%，點火步驟為：①確認燃料氣正常；②把點火切換開關切換到手動，確認高壓發生器工作正常；③把點火切換開關切換到一鍵點火；④按下一鍵點火開關，同時打開點火器與長明燈手閥，點燃長明燈；⑤若長明燈沒有被點燃，應關閉點火器與長明燈手閥，等待3～5 s后，再次重復第④步操作，重復次數不得大于3次。

(2) 更換1套地面爆燃點火器。

新地面爆燃點火器采用S30408材質，主要包含切斷閥、減壓閥、壓力表、調節閥、流量計、爆燃室、傳焰管等部件。新裝置在空氣管線和燃氣管線上均設置有流量計，運用調壓穩流技術保證混合氣體的配比濃度，可根據現場流量計的指示準確調節閥門的開度，確定燃氣和空氣配比后保持不變，確保點火成功率。

(3) 更換3套節能型長明燈。

原長明燈火焰管線存在管線堵塞、燃燒頭損壞、易熄滅問題，對3套長明燈全部進行更換。長明燈通過調節合適的燃氣空氣混合比例并保持一定的出口速度提升抗風能力，同時通過減小燃氣噴孔尺寸實現節約燃氣的目的。

4 改造效果

改造完成后，點火成功率大大提高，改造數據對比見表1。

表1 改造前后主要參數對比

5 結語

富島公司化肥一部氨火炬點火系統單一且技術落后，點火成功率較低，操作人員不得不通過點燃火把引燃長明燈的方式點燃火炬，不但無法及時點燃火炬且大大增加操作風險。為解決此問題，從燃料氣熱值、爆燃氣壓力、傳焰管堵塞、傳焰管長度及點火技術方面進行研究，經過2次改造，成功地解決了氨火炬點火系統的故障問題，提高了氨罐區氨火炬運行的安全和穩定性。