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(1.蘭州石化公司 石油化工廠， 甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化公司 榆林化工有限公司， 陜西 榆林 719000)

某石化公司石油化工廠24×104t/a乙烯裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計處理能力為585 t/h。2015年以來觀察到小排量下火焰剛度不足，大排量下火焰抬升高度不夠，并伴有嚴(yán)重的冒黑煙現(xiàn)象。 對火炬系統(tǒng)的大檢修發(fā)現(xiàn)，火炬燃燒器火炬頭、筒體頂部、中心引射蒸汽管上部損壞嚴(yán)重。文中對此進(jìn)行了原因分析，并介紹了采取的改進(jìn)措施及其效果。

1 火炬燃燒器超溫受損情況

檢修現(xiàn)場損壞的火炬燃燒器形貌見圖1。圖1中火炬燃燒器為梅花噴嘴式結(jié)構(gòu)，其高溫段采用06Cr25Ni20不銹鋼板卷焊制造。06Cr25Ni20鋼材具有良好的耐熱性能，在1 150 ℃高溫下能夠長期使用[1]。

圖1 檢修現(xiàn)場損壞的火炬燃燒器

現(xiàn)場損壞的火炬燃燒器可以成片撕下，據(jù)此判斷其材質(zhì)塑性已完全喪失。進(jìn)一步的材質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果表明，火炬燃燒器高溫段不存在材質(zhì)不合格問題。綜合分析認(rèn)為，火炬燃燒器使用過程中發(fā)生了超溫故障，超溫使得06Cr25Ni20鋼在高溫作用下產(chǎn)生蠕變[2]，同時在火炬氣及蒸汽的沖擊下，燃燒器頂部發(fā)生嚴(yán)重變形[3]。

2 火炬燃燒器火炬頭結(jié)構(gòu)

火炬系統(tǒng)火炬燃燒器為梅花噴嘴式[4]，其結(jié)構(gòu)見圖2。燃燒器工作時，需要從外部引入3路消煙蒸汽，第1路為從火炬頭下部梅花噴嘴引入的中心引射蒸汽，第2路為通過中心管引入火炬燃燒器中心的中心蒸汽，第3路為通過火炬燃燒器上部環(huán)管噴嘴引入的上部環(huán)管蒸汽。

圖2 梅花噴嘴式火炬頭結(jié)構(gòu)示圖

這3路消煙蒸汽具有不同的功能和作用。其中，梅花噴嘴與引射管下部喇叭口配合形成噴射泵效應(yīng)，蒸汽高速噴射將其周圍大量空氣通過引射管引射到火炬頭的高溫燃燒區(qū)域，有效縮短了火焰長度并可將火焰托高并降低火炬燃燒器頂部的溫度。中心蒸汽通過中心管將蒸汽引入火炬燃燒器中心，與排放氣均勻混合，降低排放氣內(nèi)的碳?xì)浠衔餄舛龋杀苊馀欧艢夥纸馕鎏夹纬珊跓?，并對火炬燃燒器頂部起到冷卻保護(hù)作用。上部環(huán)管蒸汽通過火炬燃燒器上部蒸汽噴嘴引入火炬, 蒸汽噴嘴射流與火炬頭中心線形成一定螺旋夾角,蒸汽卷吸周圍空氣與排放氣充分混合并參與燃燒,可達(dá)到無煙燃燒的目的[5]。

3 火炬燃燒器超溫原因分析

3.1 消煙蒸汽壓力偏低

按照火炬最大排放量的12%計算消煙蒸汽需求，大約需要壓力0.8～1.0 MPa、溫度大于200 ℃、質(zhì)量流量約20 t/h的消煙蒸汽供給[6]。改造前火炬燃燒器消煙蒸汽采用低壓蒸汽，其壓力指標(biāo)0.3～0.6 MPa。由于火炬裝置處于蒸汽用戶末端，當(dāng)冬季蒸汽消耗量大時，至火炬系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力還會更低，有時低至僅0.2 MPa。消煙蒸汽供應(yīng)長期不能滿足正常的消煙及冷卻需求，導(dǎo)致火炬在放散量大的情況下冒黑煙，加之中心引射蒸汽對火焰的托舉高度不夠，造成火炬燃燒器超溫。

3.2 消煙蒸汽供給滯后

2004年火炬系統(tǒng)經(jīng)過改造實現(xiàn)了自動點火。自動點火系統(tǒng)由1套獨立的PLC控制系統(tǒng)和操作盤組成，在正常運行過程中處于自動監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)火炬管網(wǎng)壓力不低于8 kPa或排放氣體積流量不小于1 000 m3/h時，控制系統(tǒng)指令點火系統(tǒng)開始工作，流程畫面顯示點火報警并有鈴聲，同時打開天然氣管線上的2個電磁閥，點火器點燃并引燃主火炬。

在緊急放空時，自動點火系統(tǒng)可以在10 s內(nèi)引燃主火炬。然而備用蒸汽系統(tǒng)的投用往往需要很長時間，甚至在緊急投用過程中還發(fā)生過水錘現(xiàn)象，這種消煙蒸汽供應(yīng)的滯后導(dǎo)致火炬管網(wǎng)排放的氣體干燒火炬頭，引起火炬頭超溫[7]。

3.3 蒸汽系統(tǒng)維護(hù)管理不當(dāng)

追溯消煙蒸汽的非正常供給原因，發(fā)現(xiàn)在蒸汽系統(tǒng)備用過程中存在保溫效果差和閥門調(diào)控不當(dāng)問題。針對蒸汽管網(wǎng)保溫效果差的問題，選取低壓蒸汽管網(wǎng)4個截面分析熱損，結(jié)果見表1。

表1 低壓蒸汽管網(wǎng)保溫測試及保溫效果分析

表1中表面溫度測試值為4次測量的平均值，數(shù)據(jù)測量時介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度分別為150 ℃ 和25.2 ℃。

從表1可以看出，所選管網(wǎng)4個截面的熱流密度均遠(yuǎn)高于《設(shè)備及管道絕熱效果的測試與評價》[8]中規(guī)定的允許最大熱流密度104 W/m2，因此均判定為保溫不合格。保溫不合格會造成蒸汽供應(yīng)的壓力和溫度不達(dá)標(biāo)，而且還會在管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生大量凝液。當(dāng)滯留的冷凝液量超過蒸汽管網(wǎng)疏水設(shè)施的排放能力時，就會發(fā)生緊急投用過程中的水錘現(xiàn)象[9]。另外，蒸汽系統(tǒng)遠(yuǎn)程蒸汽調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏，調(diào)節(jié)閥后管道內(nèi)積存凝液，為避免內(nèi)漏關(guān)閉了調(diào)節(jié)閥的上、下游手動閥，也是造成在緊急排放過程中蒸汽投用不及時的原因。

3.4 中心引射蒸汽噴嘴堵塞

火炬燃燒器設(shè)計梅花噴嘴共9只，其中3只發(fā)生了不同程度的堵塞。圖3為從現(xiàn)場拆檢下來的1只梅花噴嘴，其近半流道空間已為焊渣、焊條等雜物封堵。蒸汽通過堵塞的梅花噴嘴時，會因為流道阻塞發(fā)出間斷性的低吼聲而使火炬產(chǎn)生的噪聲加大。同時流道堵塞會導(dǎo)致引射蒸汽的供給量不足，通過引射管被送到火炬燃燒器頂部高溫區(qū)的空氣量亦會嚴(yán)重不足，不僅不能有效縮短火焰和有效抬升火焰高度，而且還容易造成氣體在燃燒過程中冒黑煙及火炬燃燒器超溫。

圖3 嚴(yán)重堵塞的梅花噴嘴

當(dāng)梅花噴嘴堵塞嚴(yán)重時，各中心引射蒸汽管內(nèi)的壓力會失去平衡，同時會引發(fā)被堵塞的蒸汽引射管內(nèi)壓力低、流度低等異常情況，甚至火炬燃燒器局部回火(圖4)[10]?；鼗鹬率拐麄€火炬燃燒器陷入一片火海，嚴(yán)重影響火炬的安全運行。

火炬系統(tǒng)回火通常是由于排放可燃?xì)怏w中氧含量超標(biāo)，同時排放氣體的流動速度低于火焰的燃燒速度，火焰沿著氣體排放的反方向傳播，致使排放氣在火炬筒體或火炬系統(tǒng)主干線內(nèi)燃燒，造成火炬或系統(tǒng)主管發(fā)生爆炸[11]。分析認(rèn)為，由于引射管內(nèi)蒸汽和空氣混合后的流動速度低于火焰燃燒速度，燃燒的火焰發(fā)生倒竄[12]，火焰自火炬燃燒器頂沿著蒸汽引射管倒竄至下部盆式消音器處，并在消音器處燃燒，形成一個小范圍的回火。

圖4 火炬燃燒器回火現(xiàn)場

4 火炬燃燒器超溫改進(jìn)措施

(1)重新配置1條中壓蒸汽管線，提高消煙蒸汽壓力。經(jīng)核算，在不影響火炬塔架安全、穩(wěn)定的前提下，配置1條管徑?219 mm、壓力等級2.0 MPa的蒸汽管線，以提高消煙蒸汽壓力及供給量，使蒸汽品質(zhì)滿足火炬燃燒器消煙和冷卻需求。

(2)做好蒸汽系統(tǒng)備用時的冷凝液排放。根據(jù)蒸汽管網(wǎng)熱損失檢測結(jié)果，更換、修復(fù)熱損失超標(biāo)嚴(yán)重的保溫結(jié)構(gòu)[13]。定期檢測蒸汽管網(wǎng)熱損失，及時更換、修復(fù)不合格保溫結(jié)構(gòu)，減少備用蒸汽系統(tǒng)的凝液量。沿途增加疏水器數(shù)量，保障凝液能夠順利排出[14]。修理蒸汽調(diào)節(jié)閥，消除閥門內(nèi)漏，保證備用狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥上、下游閥門處于全開狀態(tài)。通過DCS遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥，保證蒸汽的及時供給。在調(diào)節(jié)閥后管線上增加排凝閥，崗位職責(zé)增加冷凝液定期排放要求，每班檢查管線內(nèi)積液狀況，排出凝液并做好記錄。

(3)定期檢查梅花噴嘴堵塞情況。將中心引射蒸汽梅花噴嘴的清理和檢查列入火炬系統(tǒng)大檢修必檢項目，將逐個清理引射蒸汽梅花噴嘴作為每次大檢修重點檢查內(nèi)容，堵塞嚴(yán)重?zé)o法清理的噴嘴予以更換。當(dāng)針對蒸汽管網(wǎng)的焊接施工修理作業(yè)完成后，要在管網(wǎng)投用前進(jìn)行吹掃，將進(jìn)入主蒸汽管網(wǎng)的雜質(zhì)吹掃干凈，避免投用后堵塞梅花噴嘴。

5 結(jié)語

大檢修期間利用400 t吊車，對125 m高、損壞嚴(yán)重的火炬燃燒器進(jìn)行了更換[15]，采用文中措施消除了燃燒器在運行過程中的超溫故障。為準(zhǔn)確掌握火炬在燃燒過程中的溫度變化，后期準(zhǔn)備在火炬燃燒器上增設(shè)熱電偶，實時監(jiān)控火炬燃燒器溫度，及時調(diào)整蒸汽量，避免火炬燃燒器超溫。