火炬系统结冰分析与防护措施

李晓芳，卢立祥

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

火炬系统结冰分析与防护措施

李晓芳，卢立祥

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

针对工程设计项目中火炬系统可能产生结冰情况的分析，指出其影响原因及危害程度，并提出相应的防护措施以保证火炬系统的安全运行。

火炬系统；排放气；结冰分析；负压；防护措施

火炬系统由火炬气排放管网系统和火炬装置组成[1]，其自身工艺技术的安全性非常重要，如排放不畅，就有可能造成爆炸的危险，对人员和设备构成巨大威胁。

本文结合工程设计某煤制烯烃项目火炬系统，分析其中设置的高压富氢火炬系统可能产生结冰的情况及危害程度，并提出相应的防护措施以保证火炬系统的安全运行。

1 结冰分析

煤制烯烃项目是一个联合装置，包括煤气化装置、合成气净化装置、甲醇合成、甲醇制烯烃（MTO）装置、PP装置及PE装置。因此，火炬系统的设置需根据各装置正常工况、开停车工况、事故工况火炬排放条件分析来确定。基于各装置火炬气的排放量、排放气组成及排放压力三个因素，在全厂设置了三套火炬系统：即高压富氢火炬系统、低压重烃火炬气系统、酸性火炬气系统。其中，高压富氢火炬系统的排放条件见表1。

表1 高压富氢火炬系统排放条件表

由表1发现高压富氢火炬系统排放气中含H2O 57.93%（V），若温度降低就会有大量水蒸气冷凝、结冰。以下再结合高压富氢火炬系统的走向示意图（见图1），对火炬系统结冰情况进行分析。

1.1 气化装置排放的影响

由于气化炉上喷嘴的寿命只有50d左右，气化炉投用后50d，就要停车更换喷嘴，之前启动备用气化炉，备用炉需逐步升压至正常生产，过程中气体需放空去火炬系统，排放温度241℃，含57.93%(V)饱和水。平均每10d有一台炉进行开停车排放一次，排放气组成见表1，排放量5×10-5Nm3/h（负荷60%～70%）。冬季气温较低时该排放气在管线中会发生冷凝、结冰。

另外，从图1火炬系统走向图中看出，气化装置在排放气体时，净化装置及甲醇合成装置部分的火炬管线成了死区和盲端，气体在一定时间里会扩散充满全管线，因此会有排放气体流入盲端，不断冷凝，在寒冷的气候下会结冰，并且随着排放时间的增长结冰厚度增加。而且，正常生产情况下甲醇合成装置与净化装置不排放火炬气，火炬管在盲端中形成的结冰得不到融化，经过气化装置的几次开停车，盲端的火炬管很有可能被结冰堵塞，此时，若甲醇合成装置、净化装置发生事故需安全阀排放，如排放不畅，就有可能造成火炬管线损坏事故甚至影响到装置的安全生产。

在气化装置内，由于没有设置火炬气体分液罐，装置内产生的火炬气凝液需排入全厂火炬总管。而气化炉的频繁开停车，排放气将充满整个火炬系统，此时，在气化装置内安全阀及火炬管存在盲区，同样在冬季这些盲区会产生冷凝、结冰甚至堵塞的可能，对安全阀的事故排放造成安全隐患。

1.2 净化装置排放的影响

净化装置每一次开车都要向火炬系统排放，使系统逐步升压稳定后再停止排放，排放气体组成和温度与气化装置相同，由于排放气是高温气体且含有大量的饱和水，温度的降低将产生大量的水，遇冬季气温低时可能产生结冰现象。

在净化装置内，由于没有设置火炬气体分液罐，在装置内安全阀及火炬管存在盲区，冬季这些盲区会产生冷凝、结冰堵塞管道，不利于安全阀的顺畅排放。

1.3 产生负压的影响

气化装置、净化装置排出含H20 57.93%(V)的富氢火炬气，在流速低于一定值时管网中气体的压力小于2kPa（表压）,由于水封的阻挡，气体滞留在高压富氢管网中，当气体压力为2kPa（表压）、温度降到85℃时，水蒸气瞬间冷凝，负压产生。这时如环境温度为-31.4℃（当地极端最低气温），冷凝水会继续冷却直至结冰，经过计算极端负压约为-81 kPa(表压)。计算过程如下：

高压富氢水封阀的最小水封值为300mm，安全水封罐的水封值为200mm，这意味着高压富氢火炬管网中压力小于2kPa（表压）时，就不能冲破水封排到火炬筒。气化装置排出的火炬气中含H2O 57.92%，其余42.08%为不凝气。环境温度按照极端最低温度-31.4℃考虑。

因此，在2kPa（表压）时，H2O的分压为（2+101.3）×0.5792=59.83kPa（绝压）

不凝气分压为（2+101.3）-59.83=43.47kPa（绝压），

把不凝气体作为理想气体，且取1m的火炬气进行分析：

则不凝气的分体积为0.4208m3，待水蒸气冷凝之后，不凝气体充满1m3的空间。

此时，对于不凝气体，状态 1：P1=103.3kPa（绝压），V1=0.4208m3，T1=241℃

状态 2：P2，V2=1m3，T2=-31.4℃根据状态方程PV=nRT得

即管网系统压力为19.41kPa（绝压）用负压表示为 -81.89kPa（表压）。

管网系统产生负压，会出现管道抽瘪的可能，另外，若火炬区水封罐水封高度不够，一旦发生回火则有爆炸的危险。

即使原来在高压富氢火炬管系中共有7根DN25（气化装置）、2根DN40（甲醇合成装置）及1根DN50（全厂管网）的连续充氮管，按设计流速0.03m/s（火炬气管内流速）计算，连续充氮量600Nm3/h左右，也不能克服瞬间的负压值。

2 防护措施

根据以上分析高压富氢火炬系统中如果发生气体冷凝、结冰，没有得到及时排出造成的安全隐患，需设置相应的防护措施，以确保生产的安全运行。

2.1 为防止甲醇合成装置、净化装置的火炬系统在气化装置正常开停车时排放形成的盲端冷凝、结冰，给这两套装置火炬排放带来安全隐患，采取对甲醇合成装置盲端至气化装置1041m这一段高压富氢火炬管线进行蒸汽伴热保温。

另外，在距甲醇合成装置火炬盲端1041m处设置第一套分离液罐，及时将这一段管道中凝液分离出去。

分离液罐的尺寸以排放物流中最大排液量计算，储存10～30min的排液量[2]，由计算设计容积为7m3的分离液罐，带外蒸汽盘管加热。并对分液罐的气、液相管线进行蒸汽伴热防止发生管线内部结冰。分液罐上设有液位报警，当液位达到50%时发出报警，报警信号送到全厂火炬控制室。

2.2 考虑高压富氢火炬气在出气化装置和净化装置之前没有设置分离液罐，距火炬界区管线还有1739m，采取在这一段管道设置2套分离液罐，距第一套分离液罐700m处设置第二套分离液罐，距第二套分离液罐700m处设置第三套分离液罐，将这一段管线中排放后滞留在管线中的凝液分离出去，分离液罐的大小和液位控制同第一套分离液罐。

2.3 从气化装置、净化装置排出的高压富氢火炬气管线以及火炬排放总管设计压力为0.48MPa（表压），没有考虑当火炬排放结束时滞留在管线中的水蒸气冷凝时（环境温度按极端最低温度-31.4℃考虑）对整个火炬系统产生-81.89kPa（表压）负压的情况，为克服该负压对管网及火炬系统的影响，需要采取以下措施：

1）在高压富氢火炬管线上增设3套事故紧急补充氮气切断阀，通过对管道压力的检测，进行紧急补氮。当检测到火炬气管线中的压力低于-2kPa（表压），连锁紧急补充氮气切断阀向管道中紧急充氮，当管道压力升至1kPa（表压）时，停止补氮。

2）在高压富氢火炬管线上增设加强圈，防止管道抽瘪。

3）在火炬区内提高火炬系统有效水封的高度，即火炬气进水封罐的进气立管的高度要求大于8m，防止回火事故的发生。

3 结论

近年来，随着石油化工企业生产规模的逐步扩大，以及联合化工装置的发展趋势，安全泄放的排放量越来越大，火炬系统自身的安全也越来越重要。当火炬系统所担负的排放装置越多、排放量越大时，火炬气成份的复杂性、生产装置运行的多变性和排放的及时性，都对火炬系统的安全性提出了更高的要求，对火炬系统工艺技术的选择和优化必须进行充分细致的考虑，这不仅决定了火炬系统的平稳运行，也决定各装置的平稳运行。

通过对某煤制烯烃项目建设的高压富氢火炬系统存在结冰分析并提出及增设了相应防护措施，为该联合装置的安全运行提供了更有力的保障，同时对今后寒冷地区火炬系统的优化设计起了非常重要的指导意义。

［1］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].SH 3009-2001，中华人民共和国国家经济贸易委员会，2002，3.

［2］化工装置工艺系统工程设计规定[S].HG 20559-93，中华人民共和国化学工业部，1994，8.

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.05.015

TQ086.2

B

1008-1267（2010）05-042-03

2009-05-19

李晓芳（1978-），女，工程师，主要研究方向为精细化工、石油化工设计