高架火炬系统负压问题的计算分析及安全防范措施.pdf

理论 实践 110 2016年06月 中国石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20 万吨 年 合成气制乙二醇工业示范装置设一座高架火炬系统满足工艺 装置开 停车及发生事故时火炬气的排放要求 该装置设计为 本质安全 高效 节能型火炬气燃烧排放系统 确保装置的HSE 生产 高架火炬系统由江苏中圣高科技产业有限公司采取EP 的模式设计 供货 指导安装 高架火炬系统于2013 年10 月交 货 于2014 年3 月正式投用 高架火炬采用固定捆绑火炬技术 火炬总高度100 米 火 炬塔架支撑两套火炬系统 一套含氧火炬系统 火炬筒体直径 DN1000 及一套含氢火炬系统 火炬筒体直径DN1000 高架火炬系统包括火炬头 含流体封 火炬筒体 火炬塔 架 分液罐 水封罐 地面内传焰点火器 高空电点火装置及相 应的管道 电气及仪表系统等 高架火炬系统占地为34 米 45 米 所有设备及系统均布置于其中 含氧火炬头采用带伴烧燃烧器的引射和中心蒸汽消烟 低 噪声 无烟燃烧型火炬头 可实现一定排放量下的无烟燃烧和 低噪声运行 含氢火炬头采用气化炉火炬头形式 以控制火炬头出口马 赫数 保证火炬气出口流速在合理范围内 确保火炬气的完全 燃烧 含氧火炬头和含氢火炬头各设四支长明灯 长明灯保持常 燃 两套火炬系统共用一套地面内传焰点火器 每支长明灯各 设一套高空电点火装置 可实现长明灯的自动点火 远程遥操 点火和现场就地点火 高架火炬系统严格按照SH3009 2013 石油化工企业燃 料气系统和可燃性气体排放系统设计规范 进行设计 设计完 成后由业主 中石化湖北化肥分公司 总体院 中石化上海工 程公司 江苏中圣高科技产业有限公司对火炬系统进行了安 全设计检查 对火炬系统的负压问题进行了计算分析 根据计 算分析结果对原设计进行了相应的调整 1 高架火炬系统负压产生的原因分析 SH3009 2013 石油化工企业燃料气系统和可燃性气体 排放系统设计规范 中对负压产生的原因作了如下说明 可燃性气体排放管网在特定的条件下存在两种负压工 况 一种负压工况是高温气体排放停止时遇到降雨 管道内气 体温度大幅降低将导致整个管网出现负压 如果密封水量不 足 则会导致空气由火炬头进入管网系统 另一种负压工况是 在大气压高程差作用下 密度小于空气密度的排放气体处于缓 高架火炬系统负压问题的计算分析及安全防范措施 鲁广松 江苏中圣高科技产业有限公司 江苏 南京 210009 摘要 火炬系统是石化厂处理全厂排放可燃气体的重要的安全环保设施 火炬系统的安全可靠运行是全厂各装置安全可靠运行 的重要保证 火炬系统负压会导致外界空气从火炬头倒吸进入火炬筒体 造成回火爆炸等严重的安全事故 尤其是对于大型高架 火炬系统 负压平衡容积大 火炬头开口大 更容易导致空气倒吸 随着化工装置的大型化 如何避免火炬系统的负压影响 对于火 炬系统的本质安全运行至关重要 本文介绍了中国石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20 万吨 年合成气制乙二醇项目高架 火炬系统负压问题的分析计算以及安全防范措施 对今后同类设计具有借鉴和指导意义 关键词 高架火炬系统 负压问题 计算分析 安全防范 慢流动或不流动时 水封罐至火炬出口的任意点处均处于不同 的负压状态 如果此时水封水量不足及系统管网维持正压措施 失灵 则整个可燃性气体排放系统会出现负压 但这种负压是 自平衡的 不会造成空气由火炬头进入管网系统 但可以导致 空气由放空管道或设备上的腐蚀等形成的孔洞进入系统 根据本项目的具体情况 高架火炬系统负压的还会在如下 情况下产生 1 1 大流量事故排放工况下火炬系统的负压值 对于分子量较空气轻的含氢火炬 由于火炬头采用的是带 扩口形式的气化炉火炬结构形式 火炬头出口直径远大于火炬 筒体的直径 火炬头出口动压大大减少 使得火炬系统的水封 罐处出现较大负压的情况 1 2 静态工况下由于火炬管道中介质的冷凝产生的负压 含氧火炬及含氢火炬系统中均含有大量常温下易冷凝的 气体 如甲醇 沸点64 7 甲酸甲酯 沸点33 乙酸甲酯 沸 点57 8 火炬管道遇冷火炬气体冷凝后 火炬系统就会产生 较大的负压值 1 3 由于火炬头消烟蒸汽喷射产生的头部附加负压 对于含氧火炬 火炬头的结构形式采用蒸汽消烟结构 消 烟蒸汽投用时由于蒸汽的抽引将会对火炬系统产生较大的负 压效应 2 高架火炬系统负压的计算 2 1 计算条件 见表1 2 2 计算方法 根据火炬系统负压产生的原因分析 负压计算分为两种工 况下的计算 即 火炬气管内事故工况下高速气体流动火炬系 统负压 火炬气管内无气体流动的静态工况下火炬系统负压 1 事故工况下火炬系统负压计算方法 对于含氢火炬 火炬头采用的气化火炬头形式 利用火炬 系统计算软件Flaresim 直接进行计算 正确设定火炬头出口直 径即可准确计算出火炬水封罐出口处实际负压值 对于含氧火炬 火炬头采用蒸汽消烟火炬头形式 利用 火炬系统计算软件Flaresim 先算出火炬筒体背压值 再利用 Fluent 模拟计算出消烟蒸汽喷射产生的负压 两部分压力叠加 后最终确定水封罐出口处的实际压力 见图1 2016年06月 111 图1 Fluent模拟火炬头消烟蒸汽喷射产生的负压 2 静态工况下火炬系统负压计算方法 火炬气管与周围环境间的换热可引起管内火炬气降温或 冷凝 进而产生负压 但这部分负压可以通过补氮措施来平衡 由于相变所需要的热量大 热交换时间长 少量补氮即可达到 压力平衡 经计算 火炬气降温引起的管道内梯度远大于相变 计算可需运用高等数学微积分的概念 结合气体状态方 程 由dT dt 温度梯度 推导出dn dt 摩尔量变化梯度 进而得 出吹扫流速 分析其过程 火炬管道系统刚开始降温的时候 由 于与环境间温差最大 此时补氮流速最大就是求的该最大值 3 计算结果 事故工况下火炬系统负压计算结果 序号名称含氧火炬含氢火炬 1火炬气排放量 t h 286538115000 2火炬气排放温度 9250 3火炬气平均分子量38 28 57 4排放管径 mm DN 1000 DN 1000 5火炬头出口当量直径 mm DN 1000 DN 2000 6火炬气管内流速 m s 78 898 8 7火炬头出口速度 m s 78 824 7 8火炬头及速度封阻力降 Pa 640248 9火炬筒体阻力降 Pa 34161570 10火炬头出口动压头 Pa 4030640 11消烟蒸汽抽引负压 Pa 11500 12水封罐出口处动压 Pa 40302561 13水封罐出口处静压 Pa 2906 103 静态工况下火炬系统负压计算结果 环境温度 14 序号名称含氧火炬含氢火炬 1火炬气组分 mol 氢气078 1 一氧化碳0 0250 13 二氧化碳120 072 甲醇84 6120 75 甲酸甲酯1 10 乙酸乙酯2 2650 016 2火炬气排放温度 92126 3排放管径 mm DN 1000 DN 1000 4火炬气管道长度 m 650650 5环境温度时最大负压值 kPa 89 1 21 3 6平衡负压氮气补充量 Nm3 h 56 563 1 3 高架火炬系统负压问题的安全防范措施 由上述计算可知 高架火炬在事故工况及静态工况下水封 罐前后均有可能产生负压 但负压产生的原因及安全防范措施 有所不同 应区别对待 序号情况说明产生原因安全防范措施 1 事故排放工况 下含氢火炬水 封罐出口负压 为 103Pa 主要由于火炬头采用 气化火炬形式 动压 头小 导致排放前端 产生负压 火炬头处于正压环境 空气不 会倒抽进入火炬系统 在水封 罐后设氮气连续抽扫及事故吹 扫 2 静 态 工 况 下 含 氧 火 炬 在 水 封 罐 前 的 负 压 最 高 为 89 1kPa 部分组分的冷凝导致 火炬系统凝缩 但可 以通过补充氮气来平 衡火炬气系统负压 1 火炬气排放源头设氮气补 充 维持水封罐前压力大于 1kPa 2 设氮气的低压 低流量报 警 确保氮气的供应 3 静 态 工 况 下 含 氢 火 炬 在 水 封 罐 前 的 负 压 最 高 为 21 3kPa 部分组分的冷凝导致 火炬系统凝缩 但可 以通过补充氮气来平 衡火炬气系统负压 1 火炬气排放源头设氮气补 充 维持水封罐前压力大于 1kPa 2 设氮气的低压 低流量报 警 确保氮气的供应 参考文献 1 API 521 Guide for Pressure Relieving and Depressuring Systems 2 API 537 Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service 3 SH3009 石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系 统设计规范 N 4 HG T20570 12 95 火炬系统设置 N 5 徐旭常 周力行 烧技术手册 M 项目名称 湖北化肥分公司20万吨 年合成气制乙二醇工业示范装置 装置名称 乙二醇 装置片区火炬 业主文件号 1242018 H340 PR 001设计阶段 详细工程设计 设 备 编号 X005 X006 设备名称 含氧火 炬 含氢火炬 操 作 介质 氢气 甲醇 甲酸甲酯 乙酸甲酯等 数量 2 公用1座塔架 工艺参数火炬结构 名称 含氧 火炬 含氢 火炬 名称 含氧 火炬 含氢 火炬 火炬气 设计 工况 名称或 组成 含氧富氢 火炬 尺寸 直径 mm DN1000 DN1000 平均分 子量 38 28 57高度 m 100100 流量 Kg h 286538115000 出口马赫数 不大于 0 250 2 温度 9250密封器1有 2无11 压力 MPaG 0 020 02密封器型式速度封速度封 低发热 值 KJ Kg 3002830783长明灯 及引 火管 直径 mm 25