普光氣田集輸火炬安全放空系統(tǒng)實用技術(shù)探討

摘 要

摘要：在開發(fā)難度相對較大的高酸性普光氣田，火炬安全放空系統(tǒng)是保障站場和裝置安全的最重要的設(shè)施之一，但它本身又存在危險因素。正確理解和掌握其操作程序，才能排除危險因素，保證
摘要：在開發(fā)難度相對較大的高酸性普光氣田，火炬安全放空系統(tǒng)是保障站場和裝置安全的最重要的設(shè)施之一，但它本身又存在危險因素。正確理解和掌握其操作程序，才能排除危險因素，保證安全生產(chǎn)。為此，對火炬放空管系計算方法和布置技術(shù)、集氣站火炬投用技術(shù)、火炬筒爆炸的可能性、火炬筒避雷針安全布置及地面火炬基本知識進行了探討，以確保酸性氣體集輸設(shè)施的安全投運。
關(guān)鍵詞：普光氣田；火炬安全放空系統(tǒng)；火炬管系布置；火炬投用回火；避雷設(shè)計；地面火炬
    火炬安全放空系統(tǒng)(以下簡稱“火炬系統(tǒng)”)是壓力容器、壓力管道超壓運行時的緊急泄放、安全燃燒系統(tǒng)(熱放空系統(tǒng))。由超壓檢測儀表、手動自動排放閥組件、壓力管道組件、火炬體組件等組成。作為石油化工裝置中氣體或液體的安全、有效排放設(shè)施，火炬系統(tǒng)是事故泄放系統(tǒng)必不可少的組成部分。
    火炬有不同類型：按燃燒器是否遠離地面可分為地面火炬和高架火炬；按火炬燃燒器的形式可分為單點燃燒火炬和多點燃燒器火炬；從放空后是否燃燒分為冷放空火炬和熱放空火炬(冷放空一般設(shè)計放空立管而不是火炬，由排放介質(zhì)特性決定)；按介質(zhì)溫度分為常溫放空火炬、高溫熱流放空火炬和低溫放空火炬。
    高架火炬應(yīng)用較普遍，地面火炬由于占地少、維護方便、安全、環(huán)保性較好，在國外已得到廣泛運用，但在國內(nèi)使用較少。普光氣田酸性氣井放噴或試氣作業(yè)時采用的就是地面火炬，但設(shè)計還應(yīng)進一步完善。
1 火炬放空管系計算方法
    嚴格的火炬放空管系計算較復雜，應(yīng)按最高(低)溫度、最高壓力、最大震動時的有效泄放量等條件來計算。
    火炬放空管道包括支管和總管，支管計算較簡單，下面重點討論總管計算。火炬系統(tǒng)總管的管徑確定是個比較復雜的問題，可按以下步驟來進行：
    1) 對于每一個壓力容器，給出可能引起超壓的原因，確定相應(yīng)工況下的泄放負荷，從而確定所應(yīng)選用安全閥的大小和類型。在進行此項工作時最好不要采用直接按經(jīng)驗選取的方法，應(yīng)按照規(guī)范逐個分析，詳細計算出每種工況下的泄放負荷和泄放條件，以及相應(yīng)的泄放面積。
    2) 選定單個安全閥后，根據(jù)選用閥門計算實際泄放量，反過來對安全閥背壓進行驗算。
    3) 根據(jù)規(guī)范，對于每個可能引起超壓的原因進行分析，并分析由此造成安全閥同時泄放的總泄放負荷及相應(yīng)的泄放條件。
    4) 根據(jù)確定的總泄放負荷和泄放條件確定火炬系統(tǒng)總管的參數(shù)。
    5) 在選定火炬氣總管參數(shù)后，還要對每個安全閥的背壓重新進行驗算。
SH 3009—2001《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第4.0.6明確了火炬總管設(shè)計排放量的計算方法：“排放系統(tǒng)的設(shè)計排放量，選取系統(tǒng)內(nèi)最大排放裝置的一次最大排放量和同一事故中幾個裝置同時泄放的排放量總和中的較大值”。據(jù)此，普光氣田集氣站的火炬排放量確定如下：取其井組單井設(shè)計最大排產(chǎn)量的小時流量作為基數(shù)，考慮在此期間其他臨近氣井流程中可能的泄放量。
 
    普光氣田集氣站的火炬有2種情況可能達到設(shè)計排放量，對照普光氣田集氣站工藝流程(見圖1[1])分析如下：
    1) 單井投運時。單井高壓BDV調(diào)試完畢后，打開其旁通閥(加熱爐入口前的一級節(jié)流閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài))，在不超過單井設(shè)計排產(chǎn)量的條件下逐漸加大開井量，高壓酸氣首先通過BDV旁通向高空火炬持續(xù)排放并充分燃燒，此時其他臨近井應(yīng)不運行或在60%以下負荷運行。待該井達到設(shè)計排產(chǎn)量后，平穩(wěn)運行20～30min，如無異常，然后降低產(chǎn)量至60%設(shè)計負荷，開始導入生產(chǎn)流程(方法是逐漸并緩慢地開啟加熱爐入口處的一級節(jié)流閥，閥后系統(tǒng)務(wù)必提前全開且保持暢通)。調(diào)節(jié)一級節(jié)流閥的節(jié)流比在P2/P1大于0.5范圍內(nèi)(即節(jié)流比小于2)，同時逐漸關(guān)閉BDV旁通并保持BDV正常運行(BDV前后閥門禁止關(guān)閉)。單井逐一調(diào)試完畢后，根據(jù)產(chǎn)量需求再逐一調(diào)節(jié)單井產(chǎn)量達到設(shè)計滿負荷運行。至此可以看出高壓酸氣氣井投運時火炬系統(tǒng)的重要性。我們在任何時候不推薦直接開井進入下游流程的開車方案，盡管開井前已用空氣、凈化氣或N2對系統(tǒng)進行調(diào)試并合格。
    2) 事故狀態(tài)時。如流程主管路閥門因關(guān)閉(或未全部打開)造成管路不通時，井口BDV將完全打開緊急泄壓放空至最大單井生產(chǎn)量，嚴重時可能導致井口SSV關(guān)閉。
2 火炬放空管系布置技術(shù)
2.1 管徑要求
    1) 安全閥的出口管徑應(yīng)滿足安全閥允許最高背壓和支點放空流通能力的要求。安全閥進口規(guī)格一般小于出121規(guī)格1”～2”(1”等于25.4mm)、旁通管規(guī)格一般不小于安全閥進口規(guī)格。
    2) 放空支管管徑一般不大于其連接的干管管徑。
2.2 放空支管宜斜45°插入放空干管[2]
    放空支管宜斜45°插入放空干管，這里的斜45°插入是“宜”而不是必須，分兩種情況討論：
    一般安全放空閥要求的背壓比較低，放空支管和總管的壁厚比較薄，如果泄放前壓力比較高還是應(yīng)斜45°插入最好。對普光氣田集氣站而言，無論是自動放空還是手動放空壓差都很高，在這樣高壓差下物流沖擊力很大，如果垂直插入會直接作用到主管壁上產(chǎn)生較大反推力，容易產(chǎn)生管道撕裂、管壁沖蝕等問題，斜45°插入就會導流掉大部分氣體，使反推力降低。
    而對普光氣田集氣站燃料氣等低壓放空支管，系統(tǒng)泄放前的壓力不是很高，此時可以垂直插入。
2.3 火炬總管布置探討
    1) 應(yīng)滿足柔性設(shè)計。放空總管應(yīng)在滿足柔性設(shè)計前提下盡量取直。放空總管的柔性設(shè)計應(yīng)進行正反計算對比：如配管的自然彎曲補償能滿足要求，可以不單獨加設(shè)補償器；反之，應(yīng)增加補償。計算表明：普光地形復雜，平面上采用“Z”字形彎加上縱向自然彎曲，完全可以滿足柔性設(shè)計。
    2) 應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求。迂回曲折的安裝方式可滿足柔性要求，但不利于管道的穩(wěn)定，高壓放空時可能會因阻力增大形成沖擊而導致放空管系的震蕩或失穩(wěn)。低管架敷設(shè)時，應(yīng)增加徑向穩(wěn)管措施(如以管卡牢固地固定在地面砼墩上等)；高管架敷設(shè)時應(yīng)設(shè)雙腳支架等(加拿大常用)。
    3) 放空總管應(yīng)坡向火炬分液罐，中間不應(yīng)出現(xiàn)袋形彎。根據(jù)加拿大現(xiàn)場經(jīng)驗，如必須出現(xiàn)袋形彎時，務(wù)必在最低點加排液閥，站內(nèi)其他酸氣管道也應(yīng)盡可能做到這一點。
    4) 關(guān)于埋地敷設(shè)。對于地處復雜地形的酸氣管道，不推薦埋地敷設(shè)，原因有二：一是避免袋形彎；二是便于維護檢修。普光氣田集氣站內(nèi)流程管道均地面布置，加拿大也是這么做的。
3 普光氣田集氣站火炬投用技術(shù)
    1) 開井前，火炬應(yīng)首先投運。
    2) 檢查并確認所有安全閥工作正常，且已全部處于備用狀態(tài)。
    3) 對裝置內(nèi)所有與火炬相連的系統(tǒng)進行N2置換。N2置換采用憋壓、泄壓的方法(從放空系統(tǒng)掃線管引入至火炬頂部，對大氣進行放空)，經(jīng)采樣分析，確認系統(tǒng)內(nèi)O2的體積分數(shù)小于2%時，N2置換完畢。
    N2置換操作有2種做法。一是全系統(tǒng)變流量、不憋壓、多點進出氣操作：在裝置區(qū)多處選點同時進氣，多點間斷排氣，反復2～3次后開始取樣分析(要求采樣點分布在裝置各處，具有代表性)，直至合格。二是分兩段變流量、部分憋壓、多點進出氣操作，此方法N2用量較少、置換徹底，但操作較麻煩，具體操作為：先用“8”字盲板將火炬分液罐出口封堵，分前后兩段分別置換。保持火炬分液罐出口前系統(tǒng)為0.1～0.2MPa壓力，調(diào)換“8”字盲板方向，向火炬總管和火炬筒排放N2，火炬分液罐出口至火炬燃燒器之間的置換不憋壓，采用變流量直排方式進行。反復2～3次后開始取樣分析，直至合格。推薦方法一。
    4) 完成上述操作，且分析結(jié)果全部合格后，立即聯(lián)系調(diào)度，申請開啟火炬燃料氣(甲烷氣)總閥，準備甲烷氣吹掃作業(yè)。設(shè)計手冊《石油化工企業(yè)含烴(可燃)氣體排放系統(tǒng)》第四章對火炬氣(甲烷氣)吹掃做出了規(guī)定：火炬筒采用火炬氣(甲烷氣)吹掃速度為0.9m/s，吹掃時間不小于20min，吹掃后開始置換長明燈管道3～5min(甲烷與氮氣混合物達到燃燒下限以上時，長明燈可引燃主火炬)，聯(lián)系調(diào)度并申請點燃長明燈和主火炬，點燃后適當加大10%～15%火炬密封用燃料氣量，使高空火焰暫時可視(正常生產(chǎn)時，利用燃燒器周圍的火焰探測器來監(jiān)視火炬密封氣系統(tǒng)的正常工作狀態(tài))，再關(guān)閉長明燈和主火炬，調(diào)試并投用電子點火系統(tǒng)(以電子點火方式代替長明燈點火方式)。
    5) 始終保持長明燈、電子點火系統(tǒng)全部處于工作狀態(tài)，始終保持主火炬密封氣燃燒，以使火炬系統(tǒng)處于完全備用狀態(tài)。至此，火炬投產(chǎn)結(jié)束。
4 火炬筒爆炸的可能性
    消除火炬筒爆炸的起因，是防止類似事故發(fā)生的關(guān)鍵。重點應(yīng)避免以下幾種情況發(fā)生。
    1) N2置換不徹底，O2的體積分數(shù)超過2%的指標[3]?；鹁婵偣艿闹脫Q和O2含量檢測比較簡單，單點單管都可以做到。但是，如果裝置內(nèi)部的N2置換不徹底，可能導致引入火炬總管的O2含量超標，應(yīng)引起高度重視。應(yīng)從不同管系、不同位置、不同置換出口反復排氣、檢測，直至整個可燃氣體管道系統(tǒng)(含設(shè)備)O2含量達標。
    2) 嚴重回火。普光氣田集氣站火炬燃燒器下部設(shè)有單向微壓閥瓣，可有效防止空氣進入，具有防止一般回火的功能。向火炬總管連續(xù)輸入密封燃料氣并燃燒的做法是防止空氣進入的補充措施。
    回火是需要的燃燒壓力高或燃燒器燃燒壓力設(shè)計不合理(燃燒速度大于燃氣流速)造成的。嚴重的不穩(wěn)定的回火可能導致火炬筒體內(nèi)吸入大量剩余空氣，有引起火炬總管爆炸的可能性，會造成嚴重事故，務(wù)必高度重視。阻火器、分子封、氮氣封、水封罐固定水封等都是避免回火的有效措施。
    3) 密封氣失效。普光氣田集氣站采用的是燃料氣體密封，要保持火炬系統(tǒng)微正壓狀態(tài)，就應(yīng)保持密封氣壓力和流量。任何原因停止密封氣供應(yīng)的做法都是不能接受的。應(yīng)強調(diào)的是：密封氣的供應(yīng)、火炬長明燈和電子點火系統(tǒng)的正常工作應(yīng)處于連續(xù)監(jiān)控狀態(tài)之中。一旦發(fā)現(xiàn)失控，應(yīng)立即修復，甚至關(guān)閉井口SSV或井口閘板閥，以保證此時無超壓泄放發(fā)生，此時嚴禁關(guān)閉站場出站總閥門。
    4) 事故狀態(tài)下放空過量。酸氣管道或設(shè)備泄漏時，系統(tǒng)余氣過量進入火炬、吸入空氣易引發(fā)爆炸。管道或設(shè)備泄漏時，系統(tǒng)余氣引入火炬燃燒，以減少H2S在暴露空氣中的量是可以實現(xiàn)的，但切不可排放過量，以免引起火炬筒爆炸，導致事故擴大。
    大量泄漏發(fā)生后，應(yīng)緊急關(guān)井并啟動BDV引燃主火炬。高壓火炬燃燒速度較快，井口高壓放空時最高速度可達171.5m/s(O.5馬赫)，最低也達34.3m/s(0.1馬赫)，因此應(yīng)及時關(guān)閉放空，以免從不同的泄漏點引入空氣而形成爆炸性混合物。建議的關(guān)閉壓力為0.05～0.1MPa。0.1MPa壓力下，集氣站酸氣系統(tǒng)自然泄漏可釋放出的酸氣小于200m3，其中H2S小于30m3，與火炬爆炸的風險相比是可以接受的。
5 火炬筒避雷針安全布置
    普光氣田集氣站火炬有兩種(塔架式和拉繩式)，共16個，高度為65～85m，設(shè)靜電接地和非獨立避雷鐘。由于火炬較高，在其周圍布置避雷針不現(xiàn)實，只有固定在火炬架頂端或燃燒器外側(cè)?；鹁娌淮嬖诶浞趴?，一直有密封氣在燃燒，不存在雷電打火引燃的情況。
6 地面火炬基本知識
6.1 地面火炬的技術(shù)特點
    地面火炬通常指封閉火炬，但也包括地面多燃燒器火炬，具體選型主要是根據(jù)事故泄放的量來選擇。前者主要用于泄放量較小的化工廠，后者主要用于泄放量大的乙烯和天然氣項目。地面火炬組成部件除具有一般火炬所具有的燃燒器、引火器及其點燃器、火焰探測器、浮性或速度密封、氣液分離罐、易燃易爆氣體探測器、液封、管道、煙塵消除控制系統(tǒng)和輻射防護設(shè)備外，還有封閉體和燃氣岐管。地面火炬裝置能有效保證生產(chǎn)裝置在開/停車狀態(tài)、正常狀態(tài)和事故狀態(tài)工況下產(chǎn)生的放空氣體能夠及時、安全、可靠地放空燃燒，滿足熱輻射、有害氣體排放達標等環(huán)保要求。
    地面火炬作為一種極為有效的封閉式廢氣焚燒系統(tǒng)，具有以下特點：
    1) 火炬向四周擴散的熱輻射較小，封閉體外的熱輻射值低于1.6kW/m2，可以減少防護區(qū)的面積。
    2) 檢修方便，除封閉體較高外，其余的設(shè)施均在地面上。
    3) 最大限度地減少了對周圍環(huán)境的空氣污染、光污染和噪聲污染，提高了火炬操作的安全性。
    4) 占地面積少。地面火炬由于燃燒發(fā)生在地面，不會發(fā)生火雨，主要依據(jù)輻射熱計算確定防火間距。
6.2 地面火炬的特殊要求
    1) 地面火炬與裝置之間的安全防護距離的規(guī)定。由于目前國內(nèi)地面火炬應(yīng)用較少，《含硫天然氣管道安全規(guī)程》[3]在第五章第六節(jié)中僅對高架火炬的設(shè)置提出了要求，對地面火炬與裝置之間的安全防護距離并無規(guī)定。國外地面火炬應(yīng)用較普遍，在火炬的有關(guān)規(guī)范(API 521[4]、API 537[5])中，對地面火炬與裝置之間的安全防護距離計算均提出了明確要求。
    2) 地面火炬的設(shè)計要根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件、氣象條件和要求的地震設(shè)防烈度綜合設(shè)計。
    3) 地面火炬系統(tǒng)要將氣體放空燃燒火焰完全控制在防輻射隔熱罩內(nèi)，盡量讓外界看不到火焰，以最大限度地減少熱輻射、噪音對工作人員和周圍設(shè)備的影響。
    4) 地面火炬應(yīng)設(shè)置安全防護墻，以禁止人員隨意進入火炬區(qū)，并在火炬發(fā)生爆燃或爆炸的極端事件時，能夠承受爆炸沖擊而不損壞，并迫使爆炸波向上泄放而不對地面的人員和設(shè)備造成危害。
參考文獻
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[2] 中華人民共和國經(jīng)濟費易委員會.SH 3009—2001石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2002.
[3] 中華人民共和國國家石油和化學工業(yè)局.SY6457—2000含硫天然氣管道安全規(guī)程[S].北京：石油工業(yè)出版社，2000.
[4] 美國石油協(xié)會.API 521 Guide for pressure-relieving and depressuring systems(泄壓和減壓系統(tǒng)導則)[S].Washington：reproduced under licence by ILI，1997.
[5] 美國石油協(xié)會.API 537 Flare details for general refinery and petrochemical service(通用煉油及石油化工設(shè)施火炬細則)[S].Washington：reproduced under licence by ILI.2003.
 
(本文作者：楊發(fā)平1 李時杰2 萬衛(wèi)東2 1.中國石化中原油田普光分公司采氣廠；2.勝利油田勝利工程設(shè)計咨詢有限公司西南分公司)