火炬系统设计应注意的安全因素

中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林 132002

在石油化工装置中，火炬系统用于处理在开停车、正常操作、事故或紧急状态下排放的无法收集和再加工的有毒、有害、易爆等具有危险性的可燃性气体，保证装置正常、安全运行。然而，火炬系统设计存在着安全问题，设计不当不但起不到安全作用，反而会成为重大隐患。

火炬系统主要由火炬排放管网和包括分液罐、水封罐、火炬头、火炬筒体、点火系统等火炬装置组成。

1 火炬排放管网

在工程设计中，需考虑火炬排放管网安全因素。

1.1 事故状态时最大负荷

为使装置安全运行，一般会在设备上设置安全阀等泄压装置。当发生事故时，设备内压力达到泄放压力，泄压装置自动开启，使设备压力回落，达到保护装置的目的。为防止超压，设计首先需要考虑可能引起超压的各种事故，然后根据产生压力大小分析此时必需的泄放量。在火炬系统设计中，火炬的处理能力应根据可能发生的可燃性气体的最大泄放量来确定，即事故状态下的泄放量。确定事故状态下的泄放量，可考虑以下几种情况的最大值。

1.1.1 单个安全阀的泄放量

虽然并不常见，但有的情况下单个安全阀的泄放量确实可能会成为事故状态时火炬总管的最大泄放量，所以应该核算每个安全阀单独泄放时的流量。

1.1.2 紧急停车或火灾事故的泄放量

装置在紧急停车或火灾事故时，需要迅速将系统压力降低到可以接受的水平，避免破坏设备。这要通过紧急泄压阀来实现。在很多装置中，这种工况都可能产生火炬总管的最大泄放量。

1.1.3 多个安全阀的泄放量

全厂或装置停水、停电、停蒸汽、停仪表风等情况下导致多处安全阀同时起跳时发生的泄放量，或火灾工况下着火区域内多处安全阀或紧急泄压阀同时泄放的情形。

1.2 安全阀的设置

安全阀应靠近被保护设备，以使安全阀的进口管道压力损失在允许的范围内。在安全阀的额定排放量下，安全阀入口管道的压力降不应超过安全阀整定压力的3%(表压)；安全阀出口管道的压力降不应超过安全阀整定压力的10%。通常火炬总管设置在装置区的管廊上，有一定的高度，湿气体泄压系统排放管不应有袋形积液处，安全阀的安装高度应高于总管。安全阀出口管道应顺流向45°斜接在火炬总管的顶部，以免总管的凝液倒流入支管，并可减少安全阀的背压，见图1。

图1 安全阀成组布置在火炬总管上部

1.3 排放管网的设计

火炬气排放管道安装设计时，应注意有关安全问题[1]。

(1)火炬气不同于一般物料，管网的存液将直接影响管网的安全运行。火炬气的总管应坡向火炬区内的分液罐或水封罐。如确实有困难，可在总管的适当位置的最低点处设凝液收集和输送设施。由于火炬总管应有2‰～5‰的坡度要求，所以应在管廊上单独敷设，见图2。

图2 火炬总管敷设示意图

(2)装置内的排放设备或排放阀后的支管坡度不小于5‰，装置支干管的坡度以不小于2‰为宜，尽量避免袋形弯。当无法避免时，在低点要设易接近方便操作的放净阀。对于易凝气体，要在低点附近设蒸汽伴热，以免积液。

(3)接至火炬总管的支管，应在总管上方顺流向45°斜接。既可防止主管内的凝液倒流入支管，又可减少管路压力降，见图3。

图3 支管与总管的连接方式

(4)当火炬总管在装置边界处设有“8”字盲板和切断阀时，应在切断阀前(装置内侧)设DN20～DN40的排凝管，并在根部设双切断阀。凝液应回收，不得随意排放。

(5)应在可吹扫全部火炬排放总管的端部设蒸汽或氮气吹扫管。当扫线介质为蒸汽时，火炬总管应设水平敷设的“Π”型补偿器或波型补偿器。

(6)在地震设防地区，火炬总管应有防止滑落的管卡或挡铁。

(7)在火炬总管上，不得有死角，当改变管道走向时，应采用R=1.5DN弯头，尽可能不使用三通，见图4。

图4 总管改变走向的支撑方式

2 设计应注意的问题

2.1 保证排放气体完全燃烧

为保证可燃性气体完全燃烧，必须有足够的氧气，如燃烧不完全，则碳颗粒冷却生成黑烟，会对大气造成污染。通常火炬气排放量较大，仅靠大气自然供氧不能达到完全燃烧，一般采用注入蒸汽的方法进行强制补氧。用喷射的蒸汽使燃烧部位形成负压区，这样可以带入更多的氧气，以保证完全燃烧所需的氧气量。由于在生产过程中，火炬的排放量是经常变化的，所以要保证充足的氧气供给，就需要及时调节喷入的蒸汽量。同时，蒸汽的引入可以冷却火炬头部件，能够有效地防止火炬头被烧坏。在火炬设计中，规定了最小蒸汽量，其目的是对火炬头起冷却保护作用，并防止火焰反烧。因此，火炬在点燃的情况下，不允许停止保护蒸汽的供给。当排放量较大时，应调节蒸汽阀，加大蒸汽供给量。

2.2 确保空气不漏入火炬系统

2.2.1 保持火焰的稳定性

当气流量较小时，火焰焰峰有可能回入竖管内部燃烧而发生回火；若气量更低，可能在竖管顶部发生空气的返混而形成爆炸混合物。反之，若气体的流量过大，火焰升到烧嘴之上与空气湍流混合，会产生离焰，即火焰会离开火炬顶部一定的距离，并发生严重的颤动。若流量再增加，火焰会继续往上浮，将有火焰熄灭的危险，这叫“脱火”，这将使大量有毒、有腐蚀、易燃易爆的气体外溢、扩散，不仅会造成人员伤亡，污染环境，严重的会导致爆炸、火灾。为保持火焰的稳定性，火炬顶部气体线速度一般控制在0.2～0.5马赫数[2]。

2.2.2 密封系统的设置

为了防止空气进入火炬系统而产生回火或爆炸危险，火炬系统应设置密封系统，包括水封罐和气体密封。

(1)水封罐的设置有两方面的作用：①平衡压力。即在正常情况下，当火炬系统总管压力较低时，排放气体被水封住，不排入火炬。当工艺装置非正常或重大事故紧急排放状况下，火炬系统总管压力超过一定值时，排放气体冲破水封排向火炬燃烧；②防止回火。当排放气体总管或火炬系统的设备内部出现负压时，火炬头部的明火可能返回火炬筒体，甚至进入相邻的排放气体总管和设备，从而引起爆炸事故。

(2)气体密封使火炬在无火炬气体排放时维持正压，防止空气进入火炬系统，保证操作安全。

2.2.3 火焰稳定圈

为了增加火焰燃烧时的均匀、稳定，防止火焰被吹离而产生脱火造成爆炸危险，火炬系统应设置火焰稳定圈，见图5。

图5 火焰稳定圈

火炬头直径的设计依据主要是考虑速度因素。对于正常操作情况下释放气体的马赫数可按0.2考虑，对于偶然发生特大事故状态时的瞬时峰值下释放气体的马赫数可达0.5。

火炬头燃烧火焰的稳定性与火炬头出口的火炬气流速(马赫数)有关，马赫数是火炬头出口火炬气线速度与声波在火炬气中的传播速度之比。火炬顶部气体马赫数在0.2以下时能稳定燃烧。没有火焰稳定圈的火炬头马赫数超过0.2时，火焰的稳定性开始降低，马赫数达到0.5时，火焰有产生离焰造成脱火的危险。设置火焰稳定圈的主要目的是在正常生产没有大量排放时维持小火或者微火；在事故状态下大量排放时改变出口气流方向不易脱火。设置火焰稳定圈后，在遇到偶然发生特大事故时，火炬仍然能稳定燃烧。

2.3 可靠的点火设施

由于装置在生产过程中排放的火炬气量和组成是波动的，要求设计的火炬系统能够安全处理各种工况下排放的火炬气。火炬系统应设有可靠的点火设施，确保在不同气象条件下能及时点燃火炬。目前比较先进的点火系统为自动点火装置，正常生产中长明灯处于熄灭状态，当装置出现排放时，通过压力或流量信号使长明灯自动打火点燃可燃气，进而实现安全排放。

2.4 防止下火雨

火炬气体进入火炬筒前，要设置气液分离罐。气液分离罐用来分离气体中的液滴。去除液滴的原因：①火炬气体中的烃类液滴燃烧时能产生大量烟雾；②当液滴随火炬气体一起燃烧时，点燃的液滴将向火炬下方洒落，造成火雨，严重危及人员及设备的安全。

为防止产生火雨，一方面严格控制装置的排放，可燃液体必须经过蒸发器蒸发后才允许排入火炬系统；另一方面，为解决排放气体在输送过程中产生凝液，输送火炬气管道要求有一定的坡度，并且设有足够容积的分液罐，以达到气液分离目的。

为防止产生火雨，分液罐应能分离排放气体中直径300～600μm的液滴，最好将直径150μm的液滴也分离下来，尽量减少液滴夹带。分液罐直径一般为其长度的1/2～1/3，并为火炬总管尺寸的3～4.5倍。分液罐的尺寸以最大排液量计算，能储存10～30 min的排液量[3]。

2.5 确保操作人员和设备的安全

火炬是以燃烧方法处理大量的火炬气，在燃烧过程中的火焰及烟气所产生的辐射热、噪声、烟尘及烟气中有害物质的传播和扩散，造成环境污染及公害。在火炬系统设计时，需确定合理的火炬筒体高度及安全距离，满足热辐射强度要求，确保操作人员和设备的安全，并应符合现行有关的国家标准、石油化工企业设计防火规范及环境保护标准的要求。

3 结语

火炬系统的设计是一个复杂的过程，需要注意解决的问题很多。火炬设计必须在充分分析各种安全因素的基础上，综合考虑每个环节，才能设计出高质量的火炬系统，从而保证整个化工装置的安全运行。

参 考 文 献

1 张德姜，王怀义，刘绍叶主编.石油化工装置工艺管道安装设计手册(第一篇设计与计算.)(第三版)[M].北京：中国石化出版社，2007:232.

2 SH 3009-2001, 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 [S]:30.

3 HG/T 20570-95, 化工装置工艺系统工程设计规定(二)[S]:401.