气田火炬系统安全运行控制技术研究

＊张天保

（中石化广元天然气净化有限公司 四川 628400）

火炬系统是一个本质安全系统，是保证工厂正常生产和发生事故时的重要设施，任何工况下都应确保火炬气安全排放。火炬气排放过程中一旦熄火，且点火不及时，含有硫化氢的有毒可燃气体将聚集在地面火炬设施周围，对周围人员构成一定威胁，引发安全事故。某净化厂年处理高含硫原料气能力40亿立方米，年产净化气能力34亿立方米，年产硫磺能力30万吨。自2014年投产以来，火炬系统已经连续运行2400余天。

1.火炬长周期运行现状

(1)火炬系统特点

某净化厂生产设施共建设4个系列300×104m3/d混合气（H2S的体积分数为5.55%，有机硫含量为362.4mg/m3，CO2的体积分数为6.57%）的净化装置，采用复合溶剂法脱硫、TEG法脱水、常规克劳斯非常规分流硫磺回收工艺、加氢还原+超重力尾气吸收处理的工艺路线，总硫回收率达到99.9%以上。为了确保事故状态下的安全排放，火炬系统设置高压和低压两套排放系统，各自设置相应的分液罐和水封罐，同时另外设置一套备用的分液罐和水封罐。火炬塔架采用两座不可拆卸式高塔架，其中高压火炬与低压备用火炬共架，低压火炬与高压备用火炬共架，能在装置不停工的情况下对火炬进行分别检修。高压火炬筒体直径为DN1000，最大瞬间放空量300000Nm3/h，低压火炬筒体直径DN500，最大瞬间放空量29616Nm3/h。按照火炬热辐射计算和二氧化硫的落地浓度要求，筒体高度（包括火炬头高度）为120m。火炬头选用节能型高效火炬头，高度2.5m，主体材质为310ss，基本无烟燃烧排放，酸性气硫化氢燃烧率不小于98%。

(2)运行现状分析

①火炬头流体密封器折流板部分脱落

高压火炬在一次高负荷放空时火炬头流体密封器折流板，被吹出火炬头掉落地面。火炬头流体密封器[1]采用内嵌式流体密封，在火炬头中，设304不锈钢材质的锥形折流挡板。其工作原理是在流体密封器入口前端连续通入一定量的吹扫气体，利用吹扫气体在锥形折流挡板出口处形成速度动力封以有效阻止空气进入火炬筒体内，从而防止回火[2]或内部爆炸。

存在风险：正常生产时火炬管网系统处于正压，空气侵入的可能性比较小。异常工况火炬放空气流量大幅波动时，部分放空气体温度较高，停止放空后管网内气体急速冷却产生真空，引起空气从筒体顶端倒流入筒体内，形成爆炸性混合气体，从而产生回火甚至发生爆炸。

防范措施：A.提高高压火炬燃料气补气量，由20Nm³/h提高至30Nm³/h，以增加高压火炬流体密封气流量，保障火炬头防回火能力。B.放空气进入火炬筒前设置卧式水封罐，入口管伸至水封罐下部，正常运行时水封液位设置高、低液位报警和DCS远程操控补水功能，始终保持水封液位高度将进气管尾端淹没，从而隔断火炬水封罐前后流程，保障水封防回火功能。

②备用火炬长明灯高能点火电极故障失效

低压备用火炬长明灯2个高能点火电极，高压备用火炬长明灯1个高能点火电极，因火炬顶部点火电极故障不能点燃所对应的长明灯。高空电点火装置主要由高压发生器、点火电极和点火控制箱组成。高压发生器和点火控制箱安装在火炬界区内的地坪上，点火电极安装在火炬头高空点火枪下端，高压发生器和点火电极之间通过电缆连接。点火电极由高温合金和耐高温陶瓷制成，可持续长时间发弧，具有耐电蚀、抗结焦等特点。点火电极发出的电火花引燃高空点火枪内的燃料气，火焰从高空点火枪根部传到顶部，点燃长明灯。

存在风险：为保证生产装置在紧急事故工况下将含有硫化氢的酸性气点燃，火炬采用长明灯形式，长明灯按照任何时候都保持点亮的状态设计，以确保火炬气的安全点燃。若遇极端天气，或异常大量氮气放空时将导致火炬长明灯熄灭，此时生产装置一旦发生异常放空，含有硫化氢的酸性气不能点燃直接通过火炬系统排放至大气，存在硫化氢气体扩散造成人员中毒风险。

防范措施：A.高压备用火炬和低压备用火炬由4个配置点火电极的长明灯共同控制1个火炬头来实现点火，四盏长明灯成90°角分布在火炬头周围，任一个正常工作即可实现火炬头正常点火，且每个长明灯点火电极相互独立，备用火炬长明灯故障不影响在用火炬长明灯正常运行。B.每支长明灯配有铠装热电偶对长明灯的工作状况进行监测，同时设置有温度低报和低低报警，当温度异常下降时，及时增加燃料气补气量并查明问题原因。C.每支长明灯各设一套高空电点火装置和一套地面爆燃点火器，其中高空点火装置设置有自动及现场手动点火，长明灯温度下降至触发自动点火温度设定值231℃自动点火5min，若仍未点燃，则由岗位人员实施现场手动点火。

③低压备用火炬热电偶TE-00505故障温度显示异常

1#火炬塔低压备用火炬长明灯热电偶TE-00505温度测量元件故障，长明火点着后不能正常检测。长明灯采用了K分度号接地型热电偶，反应灵敏，能克服漏电流干扰。

存在风险：每台长明灯配有铠装热电偶对长明灯的工作状况进行监测，热电偶温度异常无法正确检测火炬燃烧情况，尤其在白天通过视频监控或现场就地观察无法辨别长明灯是否处于燃烧状态。

防范措施：两套火炬共配置长明灯8台，每台长明灯设有2个热电偶进行测温，一用一备，当其中1个故障，定期测试确保另外1个正常可用。

2.火炬检修风险分析论证

(1)检修风险分析

①高温热辐射：在高压火炬最大瞬时放空量的情况下（300000Nm3/h，包括净化厂、集输末站、增压站故障放空等因素），间距90m的临近火炬塔架操作平台受到的热辐射强度为4.73kW/m2[3]，依据《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013），检修人员在穿防护服时仅有5min逃生时间。

当高压放空量为100000Nm3/h或者低压放空35000 Nm3/h时，间距90m的临近火炬塔架操作平台受到的热辐射强度为1.58kW/m2，依据《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013）[4]，该辐射热下在火炬检修平台施工是可持续的，大于上述放空量需考虑有效的防护措施并及时撤离。

②SO2中毒：高、低压火炬放空时，含有硫化氢的放空气体燃烧将产生大量二氧化硫，检修人员在不配备呼吸器的情况下，存在二氧化硫中毒风险。

③高处坠落：火炬头高度约120m，检修人员只能通过直爬梯攀爬到达火炬塔架各作业面和顶部平操作台，作业前期准备工作耗时长，人员体力消耗大，同时部分直爬梯、平台及护栏锈蚀松动，人员攀爬、作业存在高处坠落风险。

(2)安全技术保障

①统筹安排制定实施计划。火炬系统检修在生产装置高负荷运行时，不可预测风险因素多，实施难度大，提前策划做好前期施工准备工作，充分利用大检修或生产装置低负荷运行空隙开展，可有效降低大量放空时产生的热辐射和二氧化硫影响。对近3年高、低压火炬放空统计分析，放空时间主要集中在30min以下，放空量低压火炬都在1万立方米以下，高压火炬都在10万立方米以下，若保持生产装置低负荷运行可在异常工况时快速实现负荷转移，进一步减少放空时间和放空量，有效保证作业实施安全。

②精心操控确保生产平稳。制定生产运行保障方案，紧盯塔器、工业炉和高压电机等关键设备运行状态，密切关注温度、压力、液位等报警，及时开展生产异常分析和处置，确保生产平稳运行。异常工况单套联合装置高压放空可通过限位放空调节阀，控制在高压放空量在100000Nm3/h以下；在高负荷运行期间，若发生克劳斯炉跳车，立即降低运行负荷，实施克劳斯炉跳车热启动，减少低压放空；暂停100万立方米以上的批处理计划，降低因批处理引发的冲塔放空风险。

③密切关注异常气象信息。结合二氧化硫扩散结论及《高处作业分级》（GB/T 3608—2008）[5]，阵风5级以上（风速8.0m/s），不能进行高处作业）；实时关注气象信息（风向、云量、风速、太阳高度角），安排在风力在3～8m/s（即2～5级风）非雷雨天气和大气稳定度等级较高的条件下进行作业。

④做好突发事件应急防范。配齐个体防护物资，作业人员同时佩戴便携式硫化氢和二氧化硫检测仪，配备通讯工具实时保持联络畅通；备用安全带和防坠器，临边作业正确系挂；备用空气呼吸器和隔热服，在发生低压放空时及时佩戴好空气呼吸器。结合检修内容划定作业区域并分步实施，严格控制区域作业人员数量。制定火炬放空应急预案，明确不同火炬放空情形的防护措施、逃生路线和安全撤离点。

3.火炬安全运行对策

(1)实时监测火炬燃烧状态

①远程监控火炬长明灯燃烧火焰。在距离火炬塔架百米之外的25m高铁塔上设置有两台红外高清透雾摄像机，对高、低压火炬燃烧情况进行实时视频监视，可以在冬天大雾天气（人可视范围20～25倍以内的透雾）远程监测燃烧是否正常。

②实时监测火炬长明灯燃烧温度。在每盏火炬长明灯安装两个热电偶温度探头进行温度监测，同时设置温度异常低温报警，提前开展火炬长明灯异常应急处置。

(2)强化设备管线腐蚀监测

①火炬系统地面区域设置10台固定式硫化氢检测仪，对涉硫化氢设备、管线进行实时泄漏监测；在放空管道安装在线腐蚀探针5台，对管道腐蚀情况进行实时监测。

②制定火炬系统超声波测厚计划，每年对高低压火炬系统管道关键部位进行测厚，提前研判腐蚀泄漏风险制定管控措施；定期开展年度压力容器、压力管道检测，消除腐蚀缺陷。

③设置燃料气连续补气点，每条补气管线安装限流孔板，保证最低补气量，保持火炬系统内气体连续流动，消除酸性气滞留现象。

④火炬系统水封罐配套设置火炬酸水汽提装置，对火炬水封罐内水封水进行连续汽提净化，清除水封水内的硫化氢后循环使用；保持放空管网0.35MPa伴热蒸汽畅通，防止管道积存酸水。

⑤定时巡检排查硫化氢漏点并及时采取防范措施，保持管道系统运行安全可靠。

(3)严格日常操作与维护

①设置火炬系统内、外操岗，每天定时现场巡检，24h盯盘。严格控制高压火炬放空分液罐出口温度≥4℃，低于4℃时增大加热器副线阀，低于-4℃联锁打开加热器主线阀蒸汽供给量，防止低温冻堵。

②加强在用火炬分液罐存液高度检查，定期排液不超过500mm。严格在用火炬水封罐液位及水封溢流状态检查，液位控制在设计值600～1000mm，尤其当装置大量排放气体时能造成水封高度下降，此时操作人员必须实时观察并及时补水。

③定期排放火炬筒体底部积液，排放操作时必须通过排液管上的视窗观察是否顺畅，排液完成立即关闭阀门。

④正常生产禁止人员随意攀爬，恶劣天气、火炬放空时严禁人员在火炬塔架下停留；定期采用无人机对火炬塔架及附属设施开展隐患排查，重点排查火炬塔架本体是否存在缺陷，螺栓等附件是否存在松动、缺失。

(4)固化火炬异常处置程序

①制定《火炬长明灯熄灭现场处置方案》，定期演练测试备用火炬长明灯点火系统运行情况，如果低压火炬出现酸性气放空时，则在低压火炬分液罐入口增补燃料气，使酸性气充分燃烧。

②火炬系统配备一套备用火炬设施，定期维护作为高、低压火炬系统的备用系统。制定《高压火炬切换至高压备用火炬切换方案》，当高压/低压火炬安全运行能力严重下降时，切换至备用火炬系统运行。

4.总结

火炬系统作为气田安全运行至关重要的安全设施，尤其是在面临装置高负荷生产运行期间，无法进行停工检修，长周期安全运行风险不可忽视，而装置不停工开展火炬系统检修各类风险叠加实施难度大，需采取有效管控措施消减现有故障安全风险，同时需强化火炬系统日常安全运行与维护，确保异常工况下安全可靠运行。