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）



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

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）

表1

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

①事故工况下火炬系统负压计算结果

②静态工况下火炬系统负压计算结果（环境温度-14℃）

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。

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］.