封闭式地面火炬在天然气长输管道站场中的安全设计

杨娜

摘 要：介绍了封闭式地面火炬的特点、事故状态下可能存在的风险，并针对封闭式地面火炬的主要安全设施设计进行了分析和探讨。

关键词：封闭式地面火炬;安全设施设计

1 概述

为保证天然气长输管道站场的正常生产和紧急事故状态下的安全排放，一般设置高架火炬，用来收集和处理天然气。随着天然气长输管道的快速发展，高架火炬由于辐射热影响范围较大，征地范围大，造成的征地困难问题也越来越严重。为节约用地，同时考虑到环保、安全等方面的优势，国内已开始使用封闭式地面火炬作为天然气长输管道站场的排放处理装置。

2 国内外放空火炬的应用情况

2.1 高架火炬。高架放空火炬在国内天然气长输管道项目的站场中广泛应用，技术已非常成熟，其中包括已建的西气东输、川气东送等大型的输气管道工程，均使用高架放空火炬系统作为输气站场的点火放空措施。

2.2 地面火炬。上世纪70年代初，国外开始进行地面火炬的研究和开发，制造出多种地面火炬排放系统，主要分为大排量多级多燃烧器开放式地面火炬和封闭式地面火炬。全世界十几个大型乙烯项目、一些大型的炼油生产和天然气开采项目都采用了多级多燃烧器地面火炬，国内也有一些企业采用了开放式和封闭式地面火炬。

目前封闭式地面火炬在天然气长输管道站场放空中的应用较少，因此其安全设计尤为重要。

3 封闭式地面火炬的特点

封闭式地面火炬主要由地面燃烧炉、燃烧器组、防风墙以及点火系统等组成，可保证气体需要排放时能够及时、安全、可靠地放空燃烧，保证在运行过程中实现低噪音无烟燃烧。

封闭式地面火炬有以下特点：

①地面火炬采用自动分级燃烧控制系统，根据压力自动逐级打开燃烧器，以适应不同的排放流量，处理范围广。

②地面火炬及其附属流程占地面积小、检修方便，仅入口阀及总管需常规检查与检修，而该部分位于防风墙外;燃烧炉内的火炬头可以在装置的开停车期间进行检修。

③封闭式地面火炬炉壁内部衬有耐火耐高温的陶瓷纤维，减少向四周扩散的热辐射，防风墙外热辐射值≤1.58kW/m2，同时可以起到降噪效果。

④封闭式地面火炬及其附属流程对周边的防火间距要求比高架火炬小。

⑤最大限度地减少了对周围环境的空气污染、光污染和噪声污染。

4 事故状态下封闭式地面火炬可能存在的风险

①事故状态下长明灯熄灭，点火失败，造成大量可燃气体从地面火炬排出，与周围空气混合成易燃易爆混合物，在扩散过程中如遇到点火源，可能发生爆炸。

②分级燃烧时，二、三级燃烧支路阀门故障无法开启，放空天然气不能快速泄放，可能导致站场内憋压。

③由于天然气站场运行压力较高，放空时节流温降加大，可能析出液态烃，造成炉膛内燃烧温度过高。

④空气供应不足，可能导致天然气燃烧不完全，产生黑烟，造成环境污染。

⑤封闭式地面火炬与天然气站场的安全间距与高架火炬相比要小的多，由于距离站场较近，如站内工艺装置区发生泄漏，在特定气象条件下，地面火炬可能将其引燃而发生火灾甚至爆炸。

5 封闭式地面火炬的主要安全设施设计

针对天然气长输管道站场放空特点，建议进行以下安全设计：

①封闭式地面火炬的设计处理能力及处理范围。天然气长输管道站场内放空量及放空时间等工况多变，事故紧急放空时气量大、压力高，正常运行时站内设备检修放空气量小、压力小。封闭式地面火炬的设计处理能力考虑满足事故状态时峰值泄放量的排放要求，同时按照不同的放空气压力设置分级燃烧，一级放空设为常开，满足站内检修等放空气量小、压力低的排放要求，放空气量及放空压力增加时，陆续开启后续各级燃烧，满足排放需求。

②火炬系统采用独立的PLC控制系统

a长明灯控制。燃烧炉炉膛内设置若干长明灯，以确保任何气量的放空气通过燃烧器火嘴时都能实现燃烧，避免未燃烧的放空气与空气混合形成爆炸性环境。一般采自动控制点火方式控制长明灯燃料气阀、点火枪燃料气阀、点火器。为确保火炬的燃烧稳定，整个封闭式地面火炬在排放过程中必须保持长明灯常燃。在事故状态下，长明灯熄灭，在人工确认安全可控的前提下，可通过中控室内的强制点火按钮实现人工手动强制点火。

b火炬气排放阀控制。为了保证工艺装置泄放的气体在燃烧器组的烧嘴处满足最佳燃烧的压力条件，按照不同的放空压力，设置多级燃烧控制。每一级设置不同数量的燃烧器烧嘴，依据烧嘴的设计参数，通过PLC系统自动控制分级管路切断阀的开或关来调整放空气通过哪一级或哪些级投入燃烧，以使放空气得以充分燃烧。

c通风口控制进风量实现无烟燃烧。放空气在燃烧器火嘴处与空气充分混合，实现充分无烟燃烧，燃烧后的高温烟气在抜力的作用下通过燃烧炉顶部排出，燃烧器火嘴处形成局部负压，空气通过燃烧炉与防风墙之间的通风口进入燃烧炉，如此循环，实现放空气的完全无烟燃烧和排放。同时，在燃烧炉外围设置挡风墙，防止侧风直吹燃烧炉底部的燃烧器火嘴，确保燃烧火焰向燃烧炉中心集束，避免火焰偏斜。

③氮气吹扫。设置氮气瓶及氮气吹扫系统，用来对各级排放阀后管路进行氮气吹扫，以维持排放管道的微正压，防止空气倒流入放空管道。

④可燃气体检测报警装置。封闭式地面火炬燃烧炉下部及防风墙外围的附属流程工艺装置区设置多个可燃气体检测报警装置，各个报警装置互为备用，避免放空管路或阀门泄漏导致产生爆炸性气体环境。

⑤针对雷雨天气，封闭式地面火炬燃烧炉外壁为钢结构，炉体完全接地。

⑥阻火设计。燃烧炉炉膛内设若干长明灯，保证放空气在任何一级燃烧器火嘴处排放时均能实现燃烧，同时在各个长明灯的燃料气管线上设置阻火器，在常开的一级燃烧支路上设置阻火器，防止回火。

⑦防憋压设计。除一级燃烧支路之外，其余各级燃烧支路切断阀设置爆破片旁通，防止切断阀故障时放空系统憋压。

⑧封闭式火炬前设置分液罐，将由于节流温降产生的液态烃分出，防止炉膛内燃烧温度过高。

⑨封闭式地面火炬的配套电气、仪表均采用防爆设计。

⑩地面火炬周围设置各种指示、警示作业安全、逃生避难及风向等警示标志。

6 结语

封闭式地面火炬与高架火炬相比有较多优势，但在国内天然气长输管道站场的应用还没有普及，相关规范标准的制定比较滞后。因此，在封闭式地面火炬的设计中应充分考虑各种因素，参考国外相关标准及先进的设计经验进行安全设施设计，最大限度地确保封闭式地面火炬的安全、稳定运行。

参考文献：

[1]刘向宏，王一丁，潘丽芳.地面火炬系统的安全设计[J].辽宁化工，2010，39（3）.