火炬系統(tǒng)結(jié)冰分析與防護(hù)措施

李曉芳，盧立祥

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

火炬系統(tǒng)結(jié)冰分析與防護(hù)措施

李曉芳，盧立祥

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

針對(duì)工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中火炬系統(tǒng)可能產(chǎn)生結(jié)冰情況的分析，指出其影響原因及危害程度，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施以保證火炬系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

火炬系統(tǒng)；排放氣；結(jié)冰分析；負(fù)壓；防護(hù)措施

火炬系統(tǒng)由火炬氣排放管網(wǎng)系統(tǒng)和火炬裝置組成[1]，其自身工藝技術(shù)的安全性非常重要，如排放不暢，就有可能造成爆炸的危險(xiǎn)，對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成巨大威脅。

本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)某煤制烯烴項(xiàng)目火炬系統(tǒng)，分析其中設(shè)置的高壓富氫火炬系統(tǒng)可能產(chǎn)生結(jié)冰的情況及危害程度，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施以保證火炬系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 結(jié)冰分析

煤制烯烴項(xiàng)目是一個(gè)聯(lián)合裝置，包括煤氣化裝置、合成氣凈化裝置、甲醇合成、甲醇制烯烴（MTO）裝置、PP裝置及PE裝置。因此，火炬系統(tǒng)的設(shè)置需根據(jù)各裝置正常工況、開停車工況、事故工況火炬排放條件分析來確定。基于各裝置火炬氣的排放量、排放氣組成及排放壓力三個(gè)因素，在全廠設(shè)置了三套火炬系統(tǒng)：即高壓富氫火炬系統(tǒng)、低壓重?zé)N火炬氣系統(tǒng)、酸性火炬氣系統(tǒng)。其中，高壓富氫火炬系統(tǒng)的排放條件見表1。

表1 高壓富氫火炬系統(tǒng)排放條件表

由表1發(fā)現(xiàn)高壓富氫火炬系統(tǒng)排放氣中含H2O 57.93%（V），若溫度降低就會(huì)有大量水蒸氣冷凝、結(jié)冰。以下再結(jié)合高壓富氫火炬系統(tǒng)的走向示意圖（見圖1），對(duì)火炬系統(tǒng)結(jié)冰情況進(jìn)行分析。

1.1 氣化裝置排放的影響

由于氣化爐上噴嘴的壽命只有50d左右，氣化爐投用后50d，就要停車更換噴嘴，之前啟動(dòng)備用氣化爐，備用爐需逐步升壓至正常生產(chǎn)，過程中氣體需放空去火炬系統(tǒng)，排放溫度241℃，含57.93%(V)飽和水。平均每10d有一臺(tái)爐進(jìn)行開停車排放一次，排放氣組成見表1，排放量5×10-5Nm3/h（負(fù)荷60%～70%）。冬季氣溫較低時(shí)該排放氣在管線中會(huì)發(fā)生冷凝、結(jié)冰。

另外，從圖1火炬系統(tǒng)走向圖中看出，氣化裝置在排放氣體時(shí)，凈化裝置及甲醇合成裝置部分的火炬管線成了死區(qū)和盲端，氣體在一定時(shí)間里會(huì)擴(kuò)散充滿全管線，因此會(huì)有排放氣體流入盲端，不斷冷凝，在寒冷的氣候下會(huì)結(jié)冰，并且隨著排放時(shí)間的增長結(jié)冰厚度增加。而且，正常生產(chǎn)情況下甲醇合成裝置與凈化裝置不排放火炬氣，火炬管在盲端中形成的結(jié)冰得不到融化，經(jīng)過氣化裝置的幾次開停車，盲端的火炬管很有可能被結(jié)冰堵塞，此時(shí)，若甲醇合成裝置、凈化裝置發(fā)生事故需安全閥排放，如排放不暢，就有可能造成火炬管線損壞事故甚至影響到裝置的安全生產(chǎn)。

在氣化裝置內(nèi)，由于沒有設(shè)置火炬氣體分液罐，裝置內(nèi)產(chǎn)生的火炬氣凝液需排入全廠火炬總管。而氣化爐的頻繁開停車，排放氣將充滿整個(gè)火炬系統(tǒng)，此時(shí)，在氣化裝置內(nèi)安全閥及火炬管存在盲區(qū)，同樣在冬季這些盲區(qū)會(huì)產(chǎn)生冷凝、結(jié)冰甚至堵塞的可能，對(duì)安全閥的事故排放造成安全隱患。

1.2 凈化裝置排放的影響

凈化裝置每一次開車都要向火炬系統(tǒng)排放，使系統(tǒng)逐步升壓穩(wěn)定后再停止排放，排放氣體組成和溫度與氣化裝置相同，由于排放氣是高溫氣體且含有大量的飽和水，溫度的降低將產(chǎn)生大量的水，遇冬季氣溫低時(shí)可能產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。

在凈化裝置內(nèi)，由于沒有設(shè)置火炬氣體分液罐，在裝置內(nèi)安全閥及火炬管存在盲區(qū)，冬季這些盲區(qū)會(huì)產(chǎn)生冷凝、結(jié)冰堵塞管道，不利于安全閥的順暢排放。

1.3 產(chǎn)生負(fù)壓的影響

氣化裝置、凈化裝置排出含H20 57.93%(V)的富氫火炬氣，在流速低于一定值時(shí)管網(wǎng)中氣體的壓力小于2kPa（表壓）,由于水封的阻擋，氣體滯留在高壓富氫管網(wǎng)中，當(dāng)氣體壓力為2kPa（表壓）、溫度降到85℃時(shí)，水蒸氣瞬間冷凝，負(fù)壓產(chǎn)生。這時(shí)如環(huán)境溫度為-31.4℃（當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫），冷凝水會(huì)繼續(xù)冷卻直至結(jié)冰，經(jīng)過計(jì)算極端負(fù)壓約為-81 kPa(表壓)。計(jì)算過程如下：

高壓富氫水封閥的最小水封值為300mm，安全水封罐的水封值為200mm，這意味著高壓富氫火炬管網(wǎng)中壓力小于2kPa（表壓）時(shí)，就不能沖破水封排到火炬筒。氣化裝置排出的火炬氣中含H2O 57.92%，其余42.08%為不凝氣。環(huán)境溫度按照極端最低溫度-31.4℃考慮。

因此，在2kPa（表壓）時(shí)，H2O的分壓為（2+101.3）×0.5792=59.83kPa（絕壓）

不凝氣分壓為（2+101.3）-59.83=43.47kPa（絕壓），

把不凝氣體作為理想氣體，且取1m的火炬氣進(jìn)行分析：

則不凝氣的分體積為0.4208m3，待水蒸氣冷凝之后，不凝氣體充滿1m3的空間。

此時(shí)，對(duì)于不凝氣體，狀態(tài) 1：P1=103.3kPa（絕壓），V1=0.4208m3，T1=241℃

狀態(tài) 2：P2，V2=1m3，T2=-31.4℃根據(jù)狀態(tài)方程PV=nRT得

即管網(wǎng)系統(tǒng)壓力為19.41kPa（絕壓）用負(fù)壓表示為 -81.89kPa（表壓）。

管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，會(huì)出現(xiàn)管道抽癟的可能，另外，若火炬區(qū)水封罐水封高度不夠，一旦發(fā)生回火則有爆炸的危險(xiǎn)。

即使原來在高壓富氫火炬管系中共有7根DN25（氣化裝置）、2根DN40（甲醇合成裝置）及1根DN50（全廠管網(wǎng)）的連續(xù)充氮管，按設(shè)計(jì)流速0.03m/s（火炬氣管內(nèi)流速）計(jì)算，連續(xù)充氮量600Nm3/h左右，也不能克服瞬間的負(fù)壓值。

2 防護(hù)措施

根據(jù)以上分析高壓富氫火炬系統(tǒng)中如果發(fā)生氣體冷凝、結(jié)冰，沒有得到及時(shí)排出造成的安全隱患，需設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)措施，以確保生產(chǎn)的安全運(yùn)行。

2.1 為防止甲醇合成裝置、凈化裝置的火炬系統(tǒng)在氣化裝置正常開停車時(shí)排放形成的盲端冷凝、結(jié)冰，給這兩套裝置火炬排放帶來安全隱患，采取對(duì)甲醇合成裝置盲端至氣化裝置1041m這一段高壓富氫火炬管線進(jìn)行蒸汽伴熱保溫。

另外，在距甲醇合成裝置火炬盲端1041m處設(shè)置第一套分離液罐，及時(shí)將這一段管道中凝液分離出去。

分離液罐的尺寸以排放物流中最大排液量計(jì)算，儲(chǔ)存10～30min的排液量[2]，由計(jì)算設(shè)計(jì)容積為7m3的分離液罐，帶外蒸汽盤管加熱。并對(duì)分液罐的氣、液相管線進(jìn)行蒸汽伴熱防止發(fā)生管線內(nèi)部結(jié)冰。分液罐上設(shè)有液位報(bào)警，當(dāng)液位達(dá)到50%時(shí)發(fā)出報(bào)警，報(bào)警信號(hào)送到全廠火炬控制室。

2.2 考慮高壓富氫火炬氣在出氣化裝置和凈化裝置之前沒有設(shè)置分離液罐，距火炬界區(qū)管線還有1739m，采取在這一段管道設(shè)置2套分離液罐，距第一套分離液罐700m處設(shè)置第二套分離液罐，距第二套分離液罐700m處設(shè)置第三套分離液罐，將這一段管線中排放后滯留在管線中的凝液分離出去，分離液罐的大小和液位控制同第一套分離液罐。

2.3 從氣化裝置、凈化裝置排出的高壓富氫火炬氣管線以及火炬排放總管設(shè)計(jì)壓力為0.48MPa（表壓），沒有考慮當(dāng)火炬排放結(jié)束時(shí)滯留在管線中的水蒸氣冷凝時(shí)（環(huán)境溫度按極端最低溫度-31.4℃考慮）對(duì)整個(gè)火炬系統(tǒng)產(chǎn)生-81.89kPa（表壓）負(fù)壓的情況，為克服該負(fù)壓對(duì)管網(wǎng)及火炬系統(tǒng)的影響，需要采取以下措施：

1）在高壓富氫火炬管線上增設(shè)3套事故緊急補(bǔ)充氮?dú)馇袛嚅y，通過對(duì)管道壓力的檢測(cè)，進(jìn)行緊急補(bǔ)氮。當(dāng)檢測(cè)到火炬氣管線中的壓力低于-2kPa（表壓），連鎖緊急補(bǔ)充氮?dú)馇袛嚅y向管道中緊急充氮，當(dāng)管道壓力升至1kPa（表壓）時(shí)，停止補(bǔ)氮。

2）在高壓富氫火炬管線上增設(shè)加強(qiáng)圈，防止管道抽癟。

3）在火炬區(qū)內(nèi)提高火炬系統(tǒng)有效水封的高度，即火炬氣進(jìn)水封罐的進(jìn)氣立管的高度要求大于8m，防止回火事故的發(fā)生。

3 結(jié)論

近年來，隨著石油化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，以及聯(lián)合化工裝置的發(fā)展趨勢(shì)，安全泄放的排放量越來越大，火炬系統(tǒng)自身的安全也越來越重要。當(dāng)火炬系統(tǒng)所擔(dān)負(fù)的排放裝置越多、排放量越大時(shí)，火炬氣成份的復(fù)雜性、生產(chǎn)裝置運(yùn)行的多變性和排放的及時(shí)性，都對(duì)火炬系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求，對(duì)火炬系統(tǒng)工藝技術(shù)的選擇和優(yōu)化必須進(jìn)行充分細(xì)致的考慮，這不僅決定了火炬系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，也決定各裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

通過對(duì)某煤制烯烴項(xiàng)目建設(shè)的高壓富氫火炬系統(tǒng)存在結(jié)冰分析并提出及增設(shè)了相應(yīng)防護(hù)措施，為該聯(lián)合裝置的安全運(yùn)行提供了更有力的保障，同時(shí)對(duì)今后寒冷地區(qū)火炬系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起了非常重要的指導(dǎo)意義。

［1］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(jì)規(guī)范[S].SH 3009-2001，中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2002，3.

［2］化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定[S].HG 20559-93，中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部，1994，8.

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.05.015

TQ086.2

B

1008-1267（2010）05-042-03

2009-05-19

李曉芳（1978-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榫?xì)化工、石油化工設(shè)計(jì)