王增輝，高　桐,韓　雪

(中海油石化工程有限公司 工藝室，山東青島　266101)

按照結(jié)構(gòu)形式劃分，火炬可以分為高架火炬和地面火炬。高架火炬在燃燒時(shí)，火炬頭處所產(chǎn)生巨大火焰造成的熱輻射對(duì)附近的工作人員及設(shè)備有很大的影響，因此高架火炬必須建在離廠區(qū)較遠(yuǎn)而且人口稀少的地方[1-2]。地面火炬因其熱輻射低、噪音低的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于碼頭罐區(qū)。

董家口某碼頭罐區(qū)包含3000m3液化氣球罐及其它罐區(qū)，為滿足液化氣球罐事故狀態(tài)下的排放要求，設(shè)置火炬系統(tǒng)?；鹁嫦到y(tǒng)由火炬管網(wǎng)、水封罐、分液罐和地面火炬組成[3]。本文從火炬系統(tǒng)排放量確定、火炬管網(wǎng)計(jì)算、分液罐計(jì)算、安全防護(hù)距離幾個(gè)方面，探討火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　地面火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1　火炬系統(tǒng)排放量的確定

本地面火炬用于碼頭罐區(qū)的事故泄放。主要泄放源為：球罐組的3000 m3液態(tài)烴球罐在事故狀態(tài)時(shí)的泄放，以及裝卸車區(qū)和其它管線的超壓泄放。根據(jù)地面火炬設(shè)置的一般規(guī)定，火炬系統(tǒng)需滿足工況如下：

(1)裝車時(shí)的超壓泄放，組分為甲苯、甲醇、乙醇，裝車時(shí)產(chǎn)生的氣相泄放量為85Nm3/h,間斷工況。

(2)液態(tài)烴管線因熱脹超壓而產(chǎn)生的泄放。

(3)球罐區(qū)，因發(fā)生地面火災(zāi)而產(chǎn)生的超壓泄放，泄放組分為丙烯或液化氣，最大泄放量為105t/h(47089Nm3/h)，間斷。

綜合考量，地面火炬的設(shè)計(jì)能力以3000m3液態(tài)烴球罐的最大事故泄放量105t/h為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?；鹁嫒紵臍怏w主要是C3～C4烴類，符合《石油化工可燃性氣體排放設(shè)計(jì)規(guī)范》SH3009-2013地面火炬燃燒的要求。由于放空氣體總量和毒性都較小，設(shè)置地面火炬可以滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2　火炬管網(wǎng)計(jì)算

火炬管網(wǎng)的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)符合如下要求[4-5]：

(1)從火炬頭開始反算全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)裝置邊界處的各節(jié)點(diǎn)的排放背壓，各節(jié)點(diǎn)的背壓應(yīng)低于該點(diǎn)的允許背壓。

(2)排放系統(tǒng)管網(wǎng)的馬赫數(shù)不應(yīng)大于0.7，可能出現(xiàn)凝液的可燃性氣體排放管道末端的馬赫數(shù)不宜大于0.5。

(3)全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)壓力應(yīng)保持不低于1kPa。

Aspen Flare System Analyzer 軟件是進(jìn)行火炬系統(tǒng)和泄放管網(wǎng)設(shè)計(jì)與計(jì)算的專業(yè)軟件，可以模擬火炬系統(tǒng)[5]。根據(jù)上述要求，使用該軟件建立模型如圖1所示。

圖1　Aspen Flare System Analyzer火炬管網(wǎng)模型

各管路計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　火炬管網(wǎng)的管路數(shù)據(jù)

經(jīng)核算，當(dāng)火炬主管網(wǎng)管徑取DN500時(shí)，各節(jié)點(diǎn)背壓低于允許背壓，各分支馬赫數(shù)小于0.5，符合安全泄放要求。

1.3　分液罐計(jì)算

設(shè)計(jì)中采用臥式分液罐，對(duì)火炬氣中的液體進(jìn)行分離。根據(jù)《石油化工可燃性氣體排放設(shè)計(jì)規(guī)范》SH3009-2013中的計(jì)算方法[6]：被分離液滴直徑取600μm。分液罐直徑根據(jù)公式(1)(2)進(jìn)行試算：

(1)

式中：Uc——液滴沉降速度,(m/s);

ρ1——操作條件下的液滴密度，(kg/m3)；

g——重力加速度，取9.81，(m/s2) ；

ρg——操作條件下的氣體密度，(kg/m3)；

D——液滴直徑，m；

C——液滴在空氣中的阻力系數(shù)。

(2)

式中：Dsk——試算分液罐直徑，m；

a——罐內(nèi)液體高度與罐直徑比值；

b——罐內(nèi)液體截面積與罐總截面積比值；

qv——入口氣體流量，(Nm3/h)；

P——操作條件下的氣體壓力(絕壓)，kPa；

φ——系數(shù)，一般取2.5～3.0。

根據(jù)試算結(jié)果分液罐直徑應(yīng)不小于1.76m，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定直徑取2.4m，長(zhǎng)度取7.2m。分液罐可以滿足容納火炬氣連續(xù)排放20～30min的凝結(jié)液量，分液罐液相空間滿足15min不會(huì)被泵抽，分液罐氣相空間滿足氣相通過時(shí)間大于液體沉降時(shí)間，氣體流動(dòng)截面積大于入口管道截面積的3倍。分液罐設(shè)計(jì)符合火炬系統(tǒng)分液要求。

1.4　安全防護(hù)距離

封閉式地面火炬設(shè)施由地面燃燒爐、地面燃燒爐支柱、地面燃燒器、防風(fēng)墻、分級(jí)燃燒系統(tǒng)以及長(zhǎng)明燈自動(dòng)點(diǎn)火裝置所組成[3，6-7]。

《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50160-2008關(guān)于火炬的防火間距提出，封閉式地面火炬的設(shè)置應(yīng)按照明火考慮，火炬的輻射熱不應(yīng)影響人身及設(shè)備安全。地面火炬的安全防護(hù)距離需要根據(jù)最大排放量進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和模擬設(shè)計(jì)，允許輻射強(qiáng)度小于等于1.58kW/m2[8-9]。

本項(xiàng)目地面火炬經(jīng)核算，直徑13.2m，高度40m。根據(jù)規(guī)定，在地面火炬外部設(shè)置一個(gè)內(nèi)徑Φ17m，高7.5 m的防風(fēng)墻。防風(fēng)墻的作用如下[10]：

(1)可以防止地面燃燒爐底部側(cè)風(fēng)對(duì)地面燃燒器燃燒狀態(tài)的影響。

(2)采用鋼筋混凝土制成，墻內(nèi)壁襯有輕質(zhì)耐火耐高溫陶瓷纖維毯，可最大限度地降噪和防止熱輻射外漏。

(3)有效阻止操作人員進(jìn)入地面火炬高溫區(qū)域。

地面火炬設(shè)施運(yùn)行時(shí)，防風(fēng)墻外最大熱輻射強(qiáng)度小于1.58kW/m2，噪聲低于 80分貝，滿足人員活動(dòng)要求。地面火炬安全防護(hù)距離的決定因素為40 m高處排煙口的輻射區(qū)域，經(jīng)flaresim軟件簡(jiǎn)單模擬[9]，安全防護(hù)距離為39.3 m。詳見圖2。

圖2　安全防護(hù)距離范圍示意圖

2　總結(jié)

(1)封閉式地面火炬因其安全防護(hù)距離低、噪音低的特點(diǎn)，有效解決了碼頭罐區(qū)空間受限的影響。

(2)《石油化工可燃性氣體排放設(shè)計(jì)規(guī)范》SH3009-2013為火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了基本原則與方法。

(3)采用Aspen Flare System Analyzer 軟件進(jìn)行火炬系統(tǒng)和泄放管網(wǎng)設(shè)計(jì)是較為普遍的做法。