火炬排放管道負壓影響分析及處理措施

史紀元

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

石油化工企業火炬系統的主要作用是及時燃燒各裝置開停工或事故狀態下排放的可燃性氣體或含有H2S的酸性氣，避免引起安全和環保事故。

火炬系統的安全運行主要包括排放安全、點火安全以及操作安全三方面的要求。排放安全要求各裝置排放的火炬氣可以順利進入全廠火炬氣排放管網，防止排放管網背壓過高導致裝置無法正常排放；同時還需要防止氧氣進入排放管網形成爆炸性氣體環境。點火安全要求點火系統要有較高的安全可靠性，確保在任何條件下均能為長明燈提供可靠的火源，防止火炬氣直接排放至大氣。操作安全要求火炬氣排放系統的設備安全可靠，能夠隨時處理各裝置排放的火炬氣。

當事故工況下大量火炬氣排放結束后，火炬排放管道處于微正壓、高溫的狀態。但隨著溫度的降低，火炬排放管道內的壓力也隨之降低，形成負壓狀態。在水封罐密封水量滿足要求的情況下，火炬排放系統這種負壓狀態是自平衡的，空氣不會通過火炬頭、水封罐進入火炬排放管道。但是，火炬長期運行后，可能出現腐蝕穿孔，法蘭連接之間可能存在孔隙，在火炬排放管道形成負壓后，空氣可能會通過孔隙處進入火炬排放系統，導致火炬排放管道內氧含量超標，形成爆炸性氣體環境。所以，需要采取有效措施防止火炬排放管道負壓狀態引起的安全隱患。

1 火炬排放管道防止負壓措施分析

為防止出現負壓時，空氣進入火炬排放管道，需要采取以下幾個措施：

(1)增大水封罐的設計，確保在最低水封高度下，水封罐內有足夠的密封水量，防止空氣通過火炬頭、水封罐倒流入火炬排放管道。

從本質安全角度考慮，增大水封罐設計，確保水封罐擋液板內有足夠的水封水，可以避免水封罐火炬氣入口管道露出水面，從而阻斷空氣由火炬頭進入火炬排放管道。

(2)增加獨立的水封罐補水回路，確保實際水封液位偏離設計水封液位時，可以快速將水封罐內液位補充至設計水封液位。

(3)在水封罐前的火炬排放管道上增加補充氣體的措施。若將裝置到水封罐之間的火炬排放管道看作是密閉空間，那么在確保密封水量充足的情況下，火炬排放管道中的負壓狀態是自平衡的，不會導致空氣進入管網系統。但是，放空管道和設備上在長時間運行后可能會出現腐蝕穿孔，法蘭連接處可能出現孔隙，導致空氣進入火炬排放管道，形成爆炸性混合氣體。因此，在水封罐前的火炬排放管道上需要增加補充氣體的措施。

圖1 火炬排放系統防負壓流程

2 水封罐防負壓水封水量分析

在火炬一次性排放完成后，工藝裝置至水封罐之間的火炬排放管道可視為密閉空間。系統內的壓力維持在3～4 kPa的微正壓狀態，此時火炬管道內的氣體可以視為理想氣體。可利用理想氣體狀態方程對火炬管道負壓工況進行分析[2]。

由理想氣體狀態方程：

(1)

式中：P——冷卻前管內氣相壓力

V——冷卻前管內氣相體積

T——冷卻前管內氣相溫度

P1——冷卻后管內氣相壓力

V1——冷卻后管內氣相體積

T1——冷卻后管內氣相溫度

排放前后V為定值，即：

(2)

式中：T1——環境溫度，可視為定值

P——水封壓力，也為定值

故冷卻后管內的氣相壓力P1可視為火炬排放溫度T的單值函數。

假定T1為20 ℃，P=105 kPa，計算不同排放溫度下的壓力值，如圖2所示。

圖2 火炬排放溫度與排放后管內壓力的關系

可見，在排放溫度為400 ℃時，若在裝置至水封罐前的火炬排放管道未采用補氣措施，冷卻至20 ℃時，管路內壓力將降低至46 kPa(a)。

進一步研究在不同排放溫度下，火炬系統冷卻至常溫所產生的負壓所能吸起的水柱高度，可得：

(3)

式中：Pa——水封罐后氣相壓力

不同排放溫度下對應火炬排放管道降至20 ℃時產生的負壓所能吸起的水柱高度如表1所示。

表1 不同排放溫度對應的水柱高度

如果在火炬排放管道出現負壓時，密封水量不足，將會導致空氣由火炬頭進入火炬排放管道，與火炬氣形成爆炸性氣體混合物。在SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》 8.2.5條中規定，水封罐內的有效水封水量應至少能夠在可燃性氣體排放管網出現負壓時，滿足水封罐入口立管3 m充滿水量[4]。

隨著放空氣體溫度越來越高，在滿足規范最低要求的前提下，應該根據火炬氣的最高排放溫度，核算水封罐內的有效水封水量是否滿足防止火炬排放管道負壓的要求。

3 火炬排放管道補充氣體流量計算研究

3.1 火炬排放管道補充氣體流量計算方法

SH 3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》5.3條規定：氧氣含量大于2%(體積分數)的可燃性氣體不應排入全廠可燃性氣體排放系統。當火炬排放系統形成負壓后，若管道上有穿孔或法蘭間存在縫隙，空氣不可避免會進入火炬排放管網。認為補充氣體的量保證火炬排放系統內氧氣含量不大于2%即可滿足要求，以此為依據計算火炬排放系統需要補充氣體的流量。

可利用小孔模型計算從外界進入火炬管道的空氣流量[5]。假設泄漏孔足夠小，而管道的容積足夠大，管內壓力在泄漏過程中不發生變化[1]。

圖3 小孔泄漏模型

(4)

(5)

式中：M——氣體的摩爾質量，g/mol

k——氣體的絕熱指數，無因次

Pa——環境壓力，Pa

Tm——點m處氣體的溫度，K

Pm——點m處氣體的壓力，Pa

A——泄漏面積

在實際過程中，隨著空氣從小孔進入管道，以及當管道出現負壓時，管道內補充氮氣或燃料氣，管道內的壓力逐漸升高，空氣通過孔隙進入火炬管道的流量逐漸減小[3]。本文在分析時，假定空氣從小孔進入火炬管道的流量不變，計算結果較實際情況更為保守。

空氣中氧含量約為20%，故火炬管道形成負壓后，管道內氧含量升至2%所需的時間為：

0.2Qt=0.02V

(6)

(7)

式中：t——火炬管道形成負壓后，管道內氧含量升至2%所需的時間

D——火炬管道管徑

L——火炬管道長度

由理想氣體狀態方程，火炬管道溫度降低出現負壓后，補充氣體使管道內外壓力平衡的總量為：

(8)

故火炬管道補充氮氣或燃料氣的流量為：

(9)

簡化后，得：

(10)

由此可見，當環境溫度、環境壓力、可能存在的泄漏孔徑、氣體組成確定的情況下，火炬排放管道需要的補氣量僅與火炬排放溫度有關，并不受火炬排放管道容積的影響。

3.2 火炬排放管道補充氣體流量實例分析

根據3.1節所述計算方法，利用MATLAB計算軟件編制火炬管道補氣量計算程序，計算流程如圖4所示。

圖4 補氣量計算框圖

某煉廠火炬系統，火炬排放管徑為DN1200，火炬管道總長為3 km。火炬氣密度為1.9 kg/m3，相對分子質量為24.2，外界大氣壓為101 kPa。取火炬氣排放溫度為100～420 ℃，計算火炬排放管道所需要的補氣量。

由公式(10)得排放溫度與管道冷卻后壓力的關系，如表2所示。

表2 不同排放溫度對應的管內壓力

假設泄漏孔徑為2 mm，火炬排放管道可能有3處泄漏點。利用計算程序計算不同排放溫度下火炬排放管道需要的補氣量，如表3所示。

表3 不同排放溫度對應的補氣量

可見，火炬排放管道需要的補氣量與火炬排放溫度正相關。

4 結 論

(1)防止水封罐前的火炬排放管道負壓影響主要有兩個措施：

① 保證水封罐內有足夠的密封水量，防止火炬排放管道出現負壓時，空氣從火炬頭進入火炬排放管網；

②在火炬排放管道設置補氣措施，選擇合理的補氣量，防止火炬系統出現負壓時空氣從孔隙處進入管道，使火炬排放管道含氧量超標。

(2)水封罐所需的密封水量需滿足水封罐入口立管h高度的充滿水量。h可用以下公式計算：

(11)

當環境溫度、環境壓力、氣體組成確定的情況下，h僅與火炬氣的排放溫度有關。隨著裝置火炬排放氣放空溫度越來越高，在滿足規范水封罐入口立管3 m充滿水量最低要求的前提下，應該根據火炬系統的最高排放溫度，核算水封罐內的有效水封水量是否滿足防止火炬排放管道負壓的要求。

(3)水封罐前火炬排放管道的補氣量的選取需要滿足在火炬排放管道出現負壓時，火炬管道內的氧含量不會因空氣從孔隙進入而超標。以此為依據，得出核算火炬排放管道補氣量的計算方法，火炬排放管道需要的補氣量與火炬排放溫度正相關。