火炬排放管道負(fù)壓影響分析及處理措施

史紀(jì)元

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

石油化工企業(yè)火炬系統(tǒng)的主要作用是及時(shí)燃燒各裝置開(kāi)停工或事故狀態(tài)下排放的可燃性氣體或含有H2S的酸性氣，避免引起安全和環(huán)保事故。

火炬系統(tǒng)的安全運(yùn)行主要包括排放安全、點(diǎn)火安全以及操作安全三方面的要求。排放安全要求各裝置排放的火炬氣可以順利進(jìn)入全廠火炬氣排放管網(wǎng)，防止排放管網(wǎng)背壓過(guò)高導(dǎo)致裝置無(wú)法正常排放；同時(shí)還需要防止氧氣進(jìn)入排放管網(wǎng)形成爆炸性氣體環(huán)境。點(diǎn)火安全要求點(diǎn)火系統(tǒng)要有較高的安全可靠性，確保在任何條件下均能為長(zhǎng)明燈提供可靠的火源，防止火炬氣直接排放至大氣。操作安全要求火炬氣排放系統(tǒng)的設(shè)備安全可靠，能夠隨時(shí)處理各裝置排放的火炬氣。

當(dāng)事故工況下大量火炬氣排放結(jié)束后，火炬排放管道處于微正壓、高溫的狀態(tài)。但隨著溫度的降低，火炬排放管道內(nèi)的壓力也隨之降低，形成負(fù)壓狀態(tài)。在水封罐密封水量滿足要求的情況下，火炬排放系統(tǒng)這種負(fù)壓狀態(tài)是自平衡的，空氣不會(huì)通過(guò)火炬頭、水封罐進(jìn)入火炬排放管道。但是，火炬長(zhǎng)期運(yùn)行后，可能出現(xiàn)腐蝕穿孔，法蘭連接之間可能存在孔隙，在火炬排放管道形成負(fù)壓后，空氣可能會(huì)通過(guò)孔隙處進(jìn)入火炬排放系統(tǒng)，導(dǎo)致火炬排放管道內(nèi)氧含量超標(biāo)，形成爆炸性氣體環(huán)境。所以，需要采取有效措施防止火炬排放管道負(fù)壓狀態(tài)引起的安全隱患。

1 火炬排放管道防止負(fù)壓措施分析

為防止出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣進(jìn)入火炬排放管道，需要采取以下幾個(gè)措施：

(1)增大水封罐的設(shè)計(jì)，確保在最低水封高度下，水封罐內(nèi)有足夠的密封水量，防止空氣通過(guò)火炬頭、水封罐倒流入火炬排放管道。

從本質(zhì)安全角度考慮，增大水封罐設(shè)計(jì)，確保水封罐擋液板內(nèi)有足夠的水封水，可以避免水封罐火炬氣入口管道露出水面，從而阻斷空氣由火炬頭進(jìn)入火炬排放管道。

(2)增加獨(dú)立的水封罐補(bǔ)水回路，確保實(shí)際水封液位偏離設(shè)計(jì)水封液位時(shí)，可以快速將水封罐內(nèi)液位補(bǔ)充至設(shè)計(jì)水封液位。

(3)在水封罐前的火炬排放管道上增加補(bǔ)充氣體的措施。若將裝置到水封罐之間的火炬排放管道看作是密閉空間，那么在確保密封水量充足的情況下，火炬排放管道中的負(fù)壓狀態(tài)是自平衡的，不會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)。但是，放空管道和設(shè)備上在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)腐蝕穿孔，法蘭連接處可能出現(xiàn)孔隙，導(dǎo)致空氣進(jìn)入火炬排放管道，形成爆炸性混合氣體。因此，在水封罐前的火炬排放管道上需要增加補(bǔ)充氣體的措施。

圖1 火炬排放系統(tǒng)防負(fù)壓流程

2 水封罐防負(fù)壓水封水量分析

在火炬一次性排放完成后，工藝裝置至水封罐之間的火炬排放管道可視為密閉空間。系統(tǒng)內(nèi)的壓力維持在3～4 kPa的微正壓狀態(tài)，此時(shí)火炬管道內(nèi)的氣體可以視為理想氣體。可利用理想氣體狀態(tài)方程對(duì)火炬管道負(fù)壓工況進(jìn)行分析[2]。

由理想氣體狀態(tài)方程：

(1)

式中：P——冷卻前管內(nèi)氣相壓力

V——冷卻前管內(nèi)氣相體積

T——冷卻前管內(nèi)氣相溫度

P1——冷卻后管內(nèi)氣相壓力

V1——冷卻后管內(nèi)氣相體積

T1——冷卻后管內(nèi)氣相溫度

排放前后V為定值，即：

(2)

式中：T1——環(huán)境溫度，可視為定值

P——水封壓力，也為定值

故冷卻后管內(nèi)的氣相壓力P1可視為火炬排放溫度T的單值函數(shù)。

假定T1為20 ℃，P=105 kPa，計(jì)算不同排放溫度下的壓力值，如圖2所示。

圖2 火炬排放溫度與排放后管內(nèi)壓力的關(guān)系

可見(jiàn)，在排放溫度為400 ℃時(shí)，若在裝置至水封罐前的火炬排放管道未采用補(bǔ)氣措施，冷卻至20 ℃時(shí)，管路內(nèi)壓力將降低至46 kPa(a)。

進(jìn)一步研究在不同排放溫度下，火炬系統(tǒng)冷卻至常溫所產(chǎn)生的負(fù)壓所能吸起的水柱高度，可得：

(3)

式中：Pa——水封罐后氣相壓力

不同排放溫度下對(duì)應(yīng)火炬排放管道降至20 ℃時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓所能吸起的水柱高度如表1所示。

表1 不同排放溫度對(duì)應(yīng)的水柱高度

如果在火炬排放管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，密封水量不足，將會(huì)導(dǎo)致空氣由火炬頭進(jìn)入火炬排放管道，與火炬氣形成爆炸性氣體混合物。在SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 8.2.5條中規(guī)定，水封罐內(nèi)的有效水封水量應(yīng)至少能夠在可燃性氣體排放管網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，滿足水封罐入口立管3 m充滿水量[4]。

隨著放空氣體溫度越來(lái)越高，在滿足規(guī)范最低要求的前提下，應(yīng)該根據(jù)火炬氣的最高排放溫度，核算水封罐內(nèi)的有效水封水量是否滿足防止火炬排放管道負(fù)壓的要求。

3 火炬排放管道補(bǔ)充氣體流量計(jì)算研究

3.1 火炬排放管道補(bǔ)充氣體流量計(jì)算方法

SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3條規(guī)定：氧氣含量大于2%(體積分?jǐn)?shù))的可燃性氣體不應(yīng)排入全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)。當(dāng)火炬排放系統(tǒng)形成負(fù)壓后，若管道上有穿孔或法蘭間存在縫隙，空氣不可避免會(huì)進(jìn)入火炬排放管網(wǎng)。認(rèn)為補(bǔ)充氣體的量保證火炬排放系統(tǒng)內(nèi)氧氣含量不大于2%即可滿足要求，以此為依據(jù)計(jì)算火炬排放系統(tǒng)需要補(bǔ)充氣體的流量。

可利用小孔模型計(jì)算從外界進(jìn)入火炬管道的空氣流量[5]。假設(shè)泄漏孔足夠小，而管道的容積足夠大，管內(nèi)壓力在泄漏過(guò)程中不發(fā)生變化[1]。

圖3 小孔泄漏模型

(4)

(5)

式中：M——?dú)怏w的摩爾質(zhì)量，g/mol

k——?dú)怏w的絕熱指數(shù)，無(wú)因次

Pa——環(huán)境壓力，Pa

Tm——點(diǎn)m處氣體的溫度，K

Pm——點(diǎn)m處氣體的壓力，Pa

A——泄漏面積

在實(shí)際過(guò)程中，隨著空氣從小孔進(jìn)入管道，以及當(dāng)管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，管道內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)饣蛉剂蠚猓艿纼?nèi)的壓力逐漸升高，空氣通過(guò)孔隙進(jìn)入火炬管道的流量逐漸減小[3]。本文在分析時(shí)，假定空氣從小孔進(jìn)入火炬管道的流量不變，計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況更為保守。

空氣中氧含量約為20%，故火炬管道形成負(fù)壓后，管道內(nèi)氧含量升至2%所需的時(shí)間為：

0.2Qt=0.02V

(6)

(7)

式中：t——火炬管道形成負(fù)壓后，管道內(nèi)氧含量升至2%所需的時(shí)間

D——火炬管道管徑

L——火炬管道長(zhǎng)度

由理想氣體狀態(tài)方程，火炬管道溫度降低出現(xiàn)負(fù)壓后，補(bǔ)充氣體使管道內(nèi)外壓力平衡的總量為：

(8)

故火炬管道補(bǔ)充氮?dú)饣蛉剂蠚獾牧髁繛椋?/p>

(9)

簡(jiǎn)化后，得：

(10)

由此可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、可能存在的泄漏孔徑、氣體組成確定的情況下，火炬排放管道需要的補(bǔ)氣量?jī)H與火炬排放溫度有關(guān)，并不受火炬排放管道容積的影響。

3.2 火炬排放管道補(bǔ)充氣體流量實(shí)例分析

根據(jù)3.1節(jié)所述計(jì)算方法，利用MATLAB計(jì)算軟件編制火炬管道補(bǔ)氣量計(jì)算程序，計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 補(bǔ)氣量計(jì)算框圖

某煉廠火炬系統(tǒng)，火炬排放管徑為DN1200，火炬管道總長(zhǎng)為3 km。火炬氣密度為1.9 kg/m3，相對(duì)分子質(zhì)量為24.2，外界大氣壓為101 kPa。取火炬氣排放溫度為100～420 ℃，計(jì)算火炬排放管道所需要的補(bǔ)氣量。

由公式(10)得排放溫度與管道冷卻后壓力的關(guān)系，如表2所示。

表2 不同排放溫度對(duì)應(yīng)的管內(nèi)壓力

假設(shè)泄漏孔徑為2 mm，火炬排放管道可能有3處泄漏點(diǎn)。利用計(jì)算程序計(jì)算不同排放溫度下火炬排放管道需要的補(bǔ)氣量，如表3所示。

表3 不同排放溫度對(duì)應(yīng)的補(bǔ)氣量

可見(jiàn)，火炬排放管道需要的補(bǔ)氣量與火炬排放溫度正相關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)防止水封罐前的火炬排放管道負(fù)壓影響主要有兩個(gè)措施：

① 保證水封罐內(nèi)有足夠的密封水量，防止火炬排放管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，空氣從火炬頭進(jìn)入火炬排放管網(wǎng)；

②在火炬排放管道設(shè)置補(bǔ)氣措施，選擇合理的補(bǔ)氣量，防止火炬系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)空氣從孔隙處進(jìn)入管道，使火炬排放管道含氧量超標(biāo)。

(2)水封罐所需的密封水量需滿足水封罐入口立管h高度的充滿水量。h可用以下公式計(jì)算：

(11)

當(dāng)環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、氣體組成確定的情況下，h僅與火炬氣的排放溫度有關(guān)。隨著裝置火炬排放氣放空溫度越來(lái)越高，在滿足規(guī)范水封罐入口立管3 m充滿水量最低要求的前提下，應(yīng)該根據(jù)火炬系統(tǒng)的最高排放溫度，核算水封罐內(nèi)的有效水封水量是否滿足防止火炬排放管道負(fù)壓的要求。

(3)水封罐前火炬排放管道的補(bǔ)氣量的選取需要滿足在火炬排放管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，火炬管道內(nèi)的氧含量不會(huì)因空氣從孔隙進(jìn)入而超標(biāo)。以此為依據(jù)，得出核算火炬排放管道補(bǔ)氣量的計(jì)算方法，火炬排放管道需要的補(bǔ)氣量與火炬排放溫度正相關(guān)。