火炬水封罐水封高度設(shè)置的分析及應(yīng)用

王 鄭，吳新團(tuán)，楊愛萍

1.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東青島 266000

2.青島中油巖土工程有限公司，山東青島 266000

煉油化工廠在生產(chǎn)運(yùn)行中會出現(xiàn)各種工況的放空，比如停水、停電、開停工、火災(zāi)、安全閥緊急泄放等工況的放空。基于環(huán)保、安全、節(jié)能等需要，放空氣需要集中處理。放空氣的處理通常采取兩種措施，即回收和燃燒。在正常生產(chǎn)時(shí)，放空氣通常采用氣柜回收；當(dāng)緊急工況放空時(shí)，一般采取火炬放空燃燒。

水封罐的設(shè)置是防止火炬發(fā)生回火爆炸時(shí)波及水封罐前端的放空氣系統(tǒng)管道及其相關(guān)設(shè)備的重要措施和手段[1]。水封高度設(shè)置主要在于滿足水封的功能需要。SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對水封高度的要求主要考慮阻火、維持系統(tǒng)壓力的目的，其計(jì)算結(jié)果只推薦了水封高度的最低要求，而對水封高度上限沒有做出明確要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中，水封高度的設(shè)置在計(jì)算的最低要求基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合生產(chǎn)操作需要，如氣柜回收所需的管網(wǎng)背壓、氣柜聯(lián)鎖關(guān)斷閥。

近年來某煉廠新建裝置增多，為緩解老火炬系統(tǒng)的壓力，減少煉油火炬系統(tǒng)隱患，依托現(xiàn)有火炬，新建一套低壓火炬放空管道系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)分液罐、水封罐及其他配套設(shè)施的改造。

1 水封罐結(jié)構(gòu)

考慮新建放空管道路徑較長，納入放空系統(tǒng)的放空量較大，為盡量降低沿途管架高度，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，從經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性上綜合考慮，本項(xiàng)目水封罐結(jié)構(gòu)采用臥式水封罐。

本項(xiàng)目放空系統(tǒng)有兩個(gè)火炬同時(shí)操作，按照SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，設(shè)置2個(gè)水封罐。放空系統(tǒng)的放空氣經(jīng)分液罐后，分別經(jīng)各自的水封罐進(jìn)入火炬燃燒排放。在計(jì)算過程中，按照兩個(gè)水封罐并聯(lián)、每個(gè)水封罐靠近各自火炬考慮，取排放總量的一半作為單個(gè)水封罐計(jì)算的排放總量。新建低壓火炬系統(tǒng)水封罐（結(jié)構(gòu)見圖1） 規(guī)格為φ4 000 mm×16 000 mm，水封罐進(jìn)口處放空管道管徑為DN800。

圖1 水封罐結(jié)構(gòu)

2 水封高度的設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算依據(jù)

設(shè)計(jì)中水封高度的計(jì)算主要依據(jù)SH 3009—2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對水封高度提出如下要求[2]：

（1）需要達(dá)到放空系統(tǒng)在正常工況下有效阻止火炬回火的目的，并保障放空氣體在事故工況下能夠順利沖破水封進(jìn)入火炬進(jìn)行燃燒排放。

（2）放空氣中含有大量氫氣、乙炔、環(huán)氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性介質(zhì)時(shí)，水封高度的計(jì)算應(yīng)按式（1）進(jìn)行，且高度取值不應(yīng)小于300 mm。

式中：hw為水封高度，m；p1為水封前管網(wǎng)需保持的壓力（絕壓），kPa；g為重力加速度，9.81m/s2；ρw為水封液體密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；F1為系數(shù)，kPa·K/m，取 3.308 26 kPa·K/m；F2為系數(shù)，m，取8 361.4 m；H為火炬頭出口至地面的垂直距離，m；Ta為環(huán)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；M為為排放氣體平均相對分子質(zhì)量；R為氣體常數(shù)，取8 314 N·m·kg-1·K-1；T 為排放氣體的溫度，K。

（3）放空氣密度小于空氣時(shí)，水封高度的計(jì)算應(yīng)按式（1）進(jìn)行，且高度取值不應(yīng)小于200mm。

2.2 計(jì)算過程

水封罐水封高度的計(jì)算主要基于阻火、維持系統(tǒng)壓力的需要來計(jì)算。式（1）也是基于水封界面的前、后壓力關(guān)系推導(dǎo)。

壓力平衡關(guān)系基于考慮水封高度所產(chǎn)生的壓力與水封水面上的氣體因火炬高度所產(chǎn)生的壓力p2之和大于等于水封前管網(wǎng)放空氣體的壓力p1（p1≤hw×ρw×g+p2）。

根據(jù)依托條件和放空系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果（見表1、表2），求得最小水封高度為0.43 m。

表1 輸入數(shù)據(jù)

表2 中間數(shù)據(jù)

本次放空氣組分密度小于空氣，且含有大量氫氣，計(jì)算結(jié)果滿足不應(yīng)小于300 mm的要求。

按照規(guī)范要求，當(dāng)放空系統(tǒng)管網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)壓工況時(shí)，水封罐有效水封水量至少滿足水封罐進(jìn)口處立管充水量達(dá)到3 m高[2-3]。

距水封罐進(jìn)口3 m處立管（DN800）內(nèi)水量Q≥1.6 m3，換算成水封罐水封所需水量高度h2（≥0.1 m），則計(jì)算所得水封高度hw≥0.43 m，滿足要求。

水封高度的選取還需考慮其對水封罐氣相空間和凝液功能的影響。根據(jù)規(guī)范要求，水封罐上部氣相空間氣體流動的徑向截面面積應(yīng)大于或等于進(jìn)口管道橫截面面積的3倍，并能夠?qū)崿F(xiàn)撇除分離直徑大于或等于600 μm的凝結(jié)水滴的功能[2]。

在滿足維持系統(tǒng)壓力需要的計(jì)算基礎(chǔ)上，通過對水封罐計(jì)算的驗(yàn)證，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新建水封罐正常水封高度選取600 mm用于正常投產(chǎn)工況；預(yù)留400、800 mm兩個(gè)檔位，分別用于開停工、生產(chǎn)調(diào)整等操作工況。

3 方案討論

如果新建水封罐的設(shè)計(jì)液位太低，壓力聯(lián)鎖值偏低或火炬管網(wǎng)緩沖余地很小；則裝置排放量稍有變化便可能造成水封頂開，導(dǎo)致火炬燃放。這樣既不利于低壓放空氣的回收利用，也不利于當(dāng)?shù)貙Νh(huán)保生產(chǎn)的要求。

提出新建水封罐水封高度由600 mm調(diào)整至正常水封1 600 mm。這樣，既能提高放空氣回收量，又能減少火炬點(diǎn)火事故。

鑒于舊火炬系統(tǒng)水封罐水封高度以及低壓火炬氣回收的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保生產(chǎn)要求，將水封高度分別設(shè)置為400、800、1 600 mm并進(jìn)行模擬計(jì)算，以確定增加水封高度后產(chǎn)生的額外壓力降。

通過調(diào)研以及模擬分析，當(dāng)水封高度調(diào)整至1 600 mm，在進(jìn)行緊急放空時(shí)容易出現(xiàn)以下問題：其一，水封罐震動較大；其二，水封罐前放空氣壓力測量值較計(jì)算值偏高；其三，氣柜入口切斷閥無法自動啟用。

結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析存在以上情況的可能原因有：其一，水封高度過高，放空氣放空時(shí)，破水封的氣體不連續(xù)，造成水封液面較大的波動，引起水封罐震動；其二，水封高度增加，會增加放空氣體在水中的摩阻；其三，水封高度過高，造成氣柜入口切斷閥自動切斷，火炬放空結(jié)束后，水封前壓力過高，無法自動恢復(fù)至切斷閥自動啟動的壓力值。

為避免放空時(shí)水封罐震動過大、氣柜入口切斷閥的啟動等問題，結(jié)合氣柜操作壓力（3.6 kPa），水封高度最終設(shè)置為600 mm，投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

當(dāng)水封高度的設(shè)置需要考慮提供放空氣回收的管網(wǎng)背壓的功能時(shí)，需要結(jié)合氣柜入口聯(lián)鎖關(guān)斷壓力值，既要起到有效阻止火炬回火，保障氣柜回收火炬氣所需的管網(wǎng)背壓，起到放空氣回收的目的，同時(shí)應(yīng)確保排放氣體在事故時(shí)能順利沖破水封排入火炬，并保障氣柜聯(lián)鎖關(guān)斷閥的正常使用。

如果水封高度值設(shè)置過高，一方面，放空系統(tǒng)內(nèi)積氣太多，放空氣在突破水封時(shí)會形成間斷性的排氣，危險(xiǎn)性增大，放空氣排放不通暢，火炬燃燒不穩(wěn)定；另一方面，放空結(jié)束后，水封前壓力高于氣柜聯(lián)鎖閥自動啟的聯(lián)鎖值，造成聯(lián)鎖閥無法自動啟，影響放空氣回收。如果氣柜入口聯(lián)鎖閥失效，過高壓力的氣體會進(jìn)入氣柜，造成氣柜破壞事故。水封罐水封高度的選取應(yīng)在規(guī)范計(jì)算要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)和安全需要，既滿足安全需要和操作功能，又能起到放空氣最大回收的環(huán)保目的。在實(shí)際生產(chǎn)中，在滿足規(guī)范要求的水封最低高度基礎(chǔ)上，考慮放空氣回收需求時(shí)，提出水封高度相應(yīng)壓力宜高出氣柜的操作壓力0.50～3.00 kPa（相當(dāng)于50～300 mmH2O） 的建議。