火炬设施水封罐设计

吴新团 唐芳(中国石油工程建设公司华东设计分公司， 山东 青岛 266071)

火炬设施水封罐设计

吴新团 唐芳(中国石油工程建设公司华东设计分公司， 山东 青岛 266071)

水封罐作为火炬设施的重要设备之一，对火炬系统的安全运行提供重要保障。本文从水封罐的分类、选型、结构尺寸、水封高度设计等进行分析探讨,为工程设计优化提供经验。

火炬设施；水封罐；设计

火炬设施是炼油厂的重要安全环保设施，主要用来处理生产装置在开停工或发生火灾、停电、停水、停汽等事故状态下排放的可燃料性气体。火炬设施水封罐是为了防止空气进入火炬排放系统发生爆炸、或为分配流量、或为排放气体回收建立背压而设置的火炬与排放总管的隔离设施，是防止火炬回火和爆炸的一项常用安全措施。

本文从水封罐的分类、选型、结构尺寸、水封高度设计等进行分析探讨。

1 水封罐分类及设计选型

水封罐按照结构形式可分为卧式水封罐和立式水封罐两大类。卧式水封罐按照结构形式可细分为：带挡液板式卧式水封罐和不带挡液板式卧式水封罐。

1.1 卧式水封罐

就同等直径带挡液板式卧式水封罐和不带挡液板式卧式水封罐对比而言，带挡液板的卧式水封罐水封表面积远小于不带挡液板的卧式水封罐水封表面积。进而导致带挡液板的卧式水封罐有效水封量也远小于不带挡液板的卧式水封罐有效水封量。因此，同等直径的带挡液板的卧式水封罐水封液面的稳定性远不如不带挡液板的卧式水封罐，容易造成水封高度不稳定。

在《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》(SH3009-2013)第8.2.6条规定“卧式水封罐内不宜采用挡液板分割空间的方式撇除水面上积聚的凝结液。若采用此结构，应确保水封罐内的水量减掉由挡液板分割开用于撇液空间的最大容积后的有效水封水量满足水封设计要求。”因此，火炬系统不宜选用带挡液板的卧式水封罐。

1.2 立式水封罐

立式水封罐多用在自立式火炬上。但是随着石油化工厂的大型化，火炬排放系统放空量越来越大，相应的水封罐尺寸也越来越大，立式水封罐的高度远大于卧式水封罐，给配管造成了很多不便。另外，立式水封罐水封液面的稳定性远不如卧式水封罐，容易造成溢流水量过大或水封失效等问题。

综上所述，除了自立式火炬 可选用立式水封罐外，其他火炬系统水封罐宜选用不带挡液板的单流式卧式水封罐。

2 水封罐尺寸计算

2.1 卧式水罐计算

(1)卧式水封罐试算 卧式水封罐的直径应按式(1)通过试算确定，当满足Dsw≤Dw时，假定的Dw即为卧式水封罐的直径。

式中：Dsw为试算的水封罐直径，m；aw为水封罐内液面高度与罐直径比值；qv为入口气体流量(对于中间进两端出的卧式罐取总流量的一半)，Nm3/h；bw为水封罐内液体截面积与罐总截面积比值。水封罐内液面高度与罐直径比值aw按式(2)计算。

式中：h1为用于防止回火工况设置的水封液面高度，m；Dw为假定的水封罐直径，m。

水封罐内液体截面积与罐总截面积比值bw按式(3)计算。

水封罐气体进出口距离按式(4)计算。

式中：Lw为气体入口至出口的距离，m。

(2)卧式水封罐直径核算 按式(1)计算出卧式水封罐的直径后，应按式(5)对其进行核算，水封罐的直径应满足式(5)核算结果。

水封罐还应满足以下规定：①水封罐内的有效水封水量应至少能够在可燃性气体排放管网出现负压时，满足水封罐入口立管3m充满水量。②卧式水封罐内气体流动的径向截面积应大于或等于入口管道横截面积的3倍。

式中：q为操作状态下入口气体体积流量，m3/s；Vc为卧式水封罐内气体水平流动的临界流速，m/s；其值可由图2查得。水封罐内气体水平流动的临界速度Vc根据MP/T的值由图1查取。见图1。

2.2 立式水封罐计算

立式水封罐的直径应按式(6)计算。

式中：Dw为水封罐直径， m；uc为液滴沉降速度， m/s；qv为入口气体流量，Nm3/h；p为操作条件下的气体压力(绝压)，kPa。

立式水封罐最大操作水封高度时，水封罐内气相空间高度应大于或等于水封罐内径，且不得小于1m。

3 水封高度的确定

水封罐水封高度必须满足下列要求：①能满足排放系统

在正常生产条件下有效阻止火炬回火，并确保排放气体在事故排放时能冲破水封排入火炬。②对于含有大量氢气、乙炔、环氧乙烷等燃烧速度异常高的可燃性气体火炬放空系统，水封高度应按式(7)计算，且最小操作水封高度不应小于300mm。③对于密度小于空气的可燃性气体放空系统，水封高度应按式(7)计算，且最小操作水封高度不应小于200mm。④对于密度大于等于空气的可燃性气体放空系统，最小操作水封高度应大于等于150mm。⑤对于酸性气放空系统，酸性气排放越畅通越好，因此酸性气放空系统正常操作水封高度不应大于300mm。⑤对于含有火炬气气柜回收设施的放空系统，火炬气回收设施正常回收时，火炬放空系统水封罐的正常操作水封高度应最少大于等于气柜操作压力0.5kPa(50mm水柱)。

图1 卧式水封罐内气体水平流动临界流速

式中：hw为水封高度， m；p1为水封前管网需保持的压力(绝压)，kPa；ρw为水封液体密度，水取1000, kg/m3；F1为系数，取3.30826， kPa.K/m；F2为系数，取8361.4， m；H为火炬头出口至地面的垂直距离， m；Ta为环境日平均最低温度， K；p为火炬头出口处的压力(绝压)，kPa；h为火炬水封液面至火炬头出口的垂直距离，m。

4 防脉冲措施设计

《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》(SH3009-2013)第8.2.20条规定“水封罐气体入口应采用有效的气体分布结构，以防止由于密封水波动造成火炬脉冲式燃烧。当水封罐气体入口底部采用齿状端面时，入口管底部至水封罐底的距离宜大于等于0.25倍气体进口的内径。”第8.2.21条规定“水封罐内宜设置防止由于放空气体冲击而产生密封水的剧烈波动的措施”。因此水封罐内应设置防脉冲措施。

4.1 采用管口气体分散结构

图2 锯齿型管口

图3 喇叭型管口

图4 水封罐撇油结构示意图

图5 A向侧视示意图

图6 溢流管示意图(一)

图7 溢流管示意图(二)

图8 溢流管示意图(三)

图9 溢流管示意图(四)

水封罐中常见的管口气体分散结构有两种，一种是底部采用锯齿状管口，锯齿型管口的锯齿高度宜为100mm，锯齿角宜为30度；另一种是底部采用喇叭状管口。具体如图2和图3所示：

4.2 采用防波动结构

水封罐防波动结构有两种，一种在水封罐的径向截面加带孔隔板，把水封罐分成几个舱室，以破坏或阻断放空气放空时所产生的脉冲；另一种是在操作水封面上加不锈钢丝网，以破坏水面上所形成的波动波。采用带孔隔板防波动时，宜根据水封罐的长度L决定隔板数量：L≤8m时，宜设1道隔板(或不设隔板)；8m＜L≤12m时，宜设2道隔板；L＞12m时宜设3道隔板。

建议水封罐防脉冲措施设计宜选用锯齿型管口和径向截面加带孔隔板组合的方案。

5 撇油结构及水封溢流管设置

5.1 储罐的撇油结构

《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》(SH3009-2013)第8.2.6条文说明里给出了卧式水封罐的三种撇油方式，其三种方式各有利弊，第一种减少了有效水封量，第二种在结构上实施起来较为困难，建议在第3种的基础上对储罐的撇油方式进行优化，具体如图4和图5所示：

5.2 水封溢流管设置

水封罐溢流管的设置主要有以下四种。从结构上看，第1、2种安装方式是直接通过溢流总管溢流，在溢流总管底部容易造成催化剂等杂质聚集而堵塞溢流总管，溢流总管一旦堵塞造成水封液位升高，可能导致放空系统憋压而造成事故。因此设计上宜优先选用第3、4种溢流方案。

6 结语

水封罐作为火炬设施的重要设备之一，对火炬系统的安全运行提供重要保障。设计者应严格按照石油化工企业相关规范要求，结合工程实际经验优化设计，以保证整个炼油项目的安全生产。

[1] SH3009-2013石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].

吴新团(1982- )，工程师，2005年毕业于石油大学(华东)油气储运专业，现主要从事炼油厂油气储运设计工作。