魯廣松(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司, 江蘇 南京 210009)
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高架火炬系統(tǒng)負壓問題的計算分析及安全防范措施
魯廣松(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司, 江蘇 南京 210009)
摘要:火炬系統(tǒng)是石化廠處理全廠排放可燃氣體的重要的安全環(huán)保設(shè)施,火炬系統(tǒng)的安全可靠運行是全廠各裝置安全可靠運行的重要保證。火炬系統(tǒng)負壓會導(dǎo)致外界空氣從火炬頭倒吸進入火炬筒體,造成回火爆炸等嚴(yán)重的安全事故。尤其是對于大型高架火炬系統(tǒng),負壓平衡容積大、火炬頭開口大,更容易導(dǎo)致空氣倒吸。隨著化工裝置的大型化,如何避免火炬系統(tǒng)的負壓影響,對于火炬系統(tǒng)的本質(zhì)安全運行至關(guān)重要。本文介紹了中國石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20萬噸/年合成氣制乙二醇項目高架火炬系統(tǒng)負壓問題的分析計算以及安全防范措施,對今后同類設(shè)計具有借鑒和指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:高架火炬系統(tǒng);負壓問題;計算分析;安全防范
中國石油化工股份有限公司湖北化肥分公司20 萬噸/年合成氣制乙二醇工業(yè)示范裝置設(shè)一座高架火炬系統(tǒng)滿足工藝裝置開、停車及發(fā)生事故時火炬氣的排放要求,該裝置設(shè)計為本質(zhì)安全、高效、節(jié)能型火炬氣燃燒排放系統(tǒng),確保裝置的HSE生產(chǎn)。高架火炬系統(tǒng)由江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司采取EP的模式設(shè)計、供貨、指導(dǎo)安裝。高架火炬系統(tǒng)于2013年10月交貨,于2014年3月正式投用。
高架火炬采用固定捆綁火炬技術(shù),火炬總高度100 米?;鹁嫠苤蝺商谆鹁嫦到y(tǒng),一套含氧火炬系統(tǒng)(火炬筒體直徑DN1000) 及一套含氫火炬系統(tǒng)(火炬筒體直徑DN1000)。
高架火炬系統(tǒng)包括火炬頭(含流體封)、火炬筒體、火炬塔架、分液罐、水封罐、地面內(nèi)傳焰點火器、高空電點火裝置及相應(yīng)的管道、電氣及儀表系統(tǒng)等。高架火炬系統(tǒng)占地為34 米×45米,所有設(shè)備及系統(tǒng)均布置于其中。
含氧火炬頭采用帶伴燒燃燒器的引射和中心蒸汽消煙、低噪聲、無煙燃燒型火炬頭,可實現(xiàn)一定排放量下的無煙燃燒和低噪聲運行。
含氫火炬頭采用氣化爐火炬頭形式,以控制火炬頭出口馬赫數(shù),保證火炬氣出口流速在合理范圍內(nèi),確保火炬氣的完全燃燒。
含氧火炬頭和含氫火炬頭各設(shè)四支長明燈,長明燈保持常燃。兩套火炬系統(tǒng)共用一套地面內(nèi)傳焰點火器,每支長明燈各設(shè)一套高空電點火裝置,可實現(xiàn)長明燈的自動點火、遠程遙操點火和現(xiàn)場就地點火。
高架火炬系統(tǒng)嚴(yán)格按照SH3009-2013《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計。設(shè)計完成后由業(yè)主(中石化湖北化肥分公司)、總體院(中石化上海工程公司)、江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司對火炬系統(tǒng)進行了安全設(shè)計檢查,對火炬系統(tǒng)的負壓問題進行了計算分析,根據(jù)計算分析結(jié)果對原設(shè)計進行了相應(yīng)的調(diào)整。
SH3009-2013《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中對負壓產(chǎn)生的原因作了如下說明:
可燃性氣體排放管網(wǎng)在特定的條件下存在兩種負壓工況。一種負壓工況是高溫氣體排放停止時遇到降雨,管道內(nèi)氣體溫度大幅降低將導(dǎo)致整個管網(wǎng)出現(xiàn)負壓,如果密封水量不足,則會導(dǎo)致空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng);另一種負壓工況是在大氣壓高程差作用下,密度小于空氣密度的排放氣體處于緩慢流動或不流動時,水封罐至火炬出口的任意點處均處于不同的負壓狀態(tài),如果此時水封水量不足及系統(tǒng)管網(wǎng)維持正壓措施失靈,則整個可燃性氣體排放系統(tǒng)會出現(xiàn)負壓。但這種負壓是自平衡的,不會造成空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng),但可以導(dǎo)致空氣由放空管道或設(shè)備上的腐蝕等形成的孔洞進入系統(tǒng)。
根據(jù)本項目的具體情況,高架火炬系統(tǒng)負壓的還會在如下情況下產(chǎn)生。
1.1 大流量事故排放工況下火炬系統(tǒng)的負壓值
對于分子量較空氣輕的含氫火炬,由于火炬頭采用的是帶擴口形式的氣化爐火炬結(jié)構(gòu)形式,火炬頭出口直徑遠大于火炬筒體的直徑,火炬頭出口動壓大大減少,使得火炬系統(tǒng)的水封罐處出現(xiàn)較大負壓的情況。
1.2 靜態(tài)工況下由于火炬管道中介質(zhì)的冷凝產(chǎn)生的負壓
含氧火炬及含氫火炬系統(tǒng)中均含有大量常溫下易冷凝的氣體,如甲醇(沸點64.7℃),甲酸甲酯(沸點33℃),乙酸甲酯(沸點57.8℃)?;鹁婀艿烙隼浠鹁鏆怏w冷凝后,火炬系統(tǒng)就會產(chǎn)生較大的負壓值。
1.3 由于火炬頭消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的頭部附加負壓。
對于含氧火炬,火炬頭的結(jié)構(gòu)形式采用蒸汽消煙結(jié)構(gòu),消煙蒸汽投用時由于蒸汽的抽引將會對火炬系統(tǒng)產(chǎn)生較大的負壓效應(yīng)。
2.1 計算條件(見表1)
2.2 計算方法
根據(jù)火炬系統(tǒng)負壓產(chǎn)生的原因分析,負壓計算分為兩種工況下的計算,即:火炬氣管內(nèi)事故工況下高速氣體流動火炬系統(tǒng)負壓、火炬氣管內(nèi)無氣體流動的靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓。
(1)事故工況下火炬系統(tǒng)負壓計算方法
對于含氫火炬,火炬頭采用的氣化火炬頭形式,利用火炬系統(tǒng)計算軟件Flaresim直接進行計算,正確設(shè)定火炬頭出口直徑即可準(zhǔn)確計算出火炬水封罐出口處實際負壓值。
對于含氧火炬,火炬頭采用蒸汽消煙火炬頭形式,利用火炬系統(tǒng)計算軟件Flaresim先算出火炬筒體背壓值,再利用Fluent模擬計算出消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的負壓,兩部分壓力疊加后最終確定水封罐出口處的實際壓力。(見圖1)
表1
圖1 Fluent模擬火炬頭消煙蒸汽噴射產(chǎn)生的負壓
(2)靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓計算方法
火炬氣管與周圍環(huán)境間的換熱可引起管內(nèi)火炬氣降溫或冷凝,進而產(chǎn)生負壓,但這部分負壓可以通過補氮措施來平衡。由于相變所需要的熱量大,熱交換時間長,少量補氮即可達到壓力平衡。經(jīng)計算,火炬氣降溫引起的管道內(nèi)梯度遠大于相變。
計算可需運用高等數(shù)學(xué)微積分的概念,結(jié)合氣體狀態(tài)方程,由dT/dt(溫度梯度)推導(dǎo)出dn/dt(摩爾量變化梯度)進而得出吹掃流速。分析其過程,火炬管道系統(tǒng)剛開始降溫的時候,由于與環(huán)境間溫差最大,此時補氮流速最大就是求的該最大值。
(3)計算結(jié)果
①事故工況下火炬系統(tǒng)負壓計算結(jié)果
②靜態(tài)工況下火炬系統(tǒng)負壓計算結(jié)果(環(huán)境溫度-14℃)
由上述計算可知,高架火炬在事故工況及靜態(tài)工況下水封罐前后均有可能產(chǎn)生負壓,但負壓產(chǎn)生的原因及安全防范措施有所不同,應(yīng)區(qū)別對待。
參考文獻:
[1]API 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems.
[2]API 537 Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service.
[3]SH3009石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[N].
[4]HG/T20570.12-95.火炬系統(tǒng)設(shè)置[N].
[5]徐旭常,周力行.燒技術(shù)手冊[M].