封閉式地面火炬在LNG 接收站擴建工程中的應用

趙云龍

（中石化天津液化天然氣有限公司，天津 300457）

封閉式地面火炬也叫聚能區火炬或熱氧化器火炬。地面火炬系統一般由火炬排放管道、分液罐和地面火炬組成[1]。在全世界的煉油廠、化工/石化設施、輸氣管道、罐區和碼頭都有使用。該系統還用于在公海上船載熱焚燒碳氫化合物和其他可燃蒸汽。這種設計相對于開放的、高架的火炬具有許多優點，主要包括封閉的地面火焰、無煙、沒有熱輻射、占地面積少、無可見火焰、無異味/噪聲低、操作簡便、維護工作少。其他優點包括：極低的噪聲；極低且受控的排放；無熱羽流；非常簡單和完全可訪問的控件；所有部件都在地面，維護服務便捷（例如點火器可以在單元不停機的狀況下進行維護工作），無熱輻射問題。

與所有火炬一樣，安全性和可靠性也是封閉式地面火炬2 個必須要考慮的重要因素。封閉式地面火炬的安全可靠運行，主要取決于火炬燃燒器的設計和性能，以及全自動、故障安全的聯鎖傳感器、點火器控制的可靠性。

1 封閉式地面火炬結構特點

火炬設施為天津液化天然氣（LNG）項目擴建工程（二期）接收站工程最為重要的輔助生產設施之一，用于處理LNG 接收站各種工況下排放的低溫低壓火炬氣。火炬設計處理能力為0～60 t/h，火炬分為由廠家負責的設備包內部分和總包單位負責現場制作的包外部分。

火炬設備包內部分主要為系統燃燒器、長明燈、點火系統、燃燒塔、工業電視監視系統、控制系統以及附屬設備設施，而火炬設備包外部分則包含樁基、土建基礎、防風墻、界區外管線、接線箱、控制箱、線纜等。

火炬設備包內部分具體如下：①35 套燃燒器及附帶管線；②9 支長明燈及9 套高能點火系統，包括長明燈、高能點火器、熱電偶；③1 套地面爆燃點火系統，包括點火盤、儀表、電氣電纜及附件；④分級控制閥組，包含4 級燃燒控制氣動閥及爆破針閥旁路；⑤火炬界區內管道及管件，包括放空總管、火炬放空支管和公用工程管道；⑥火炬界區內儀表及電氣設施；⑦氮氣后吹掃設施，有完善的氮氣連續和后吹掃設施；⑧直徑10.6 m、高度35 m 的燃燒塔，包含內襯耐火、隔熱材料、梯子平臺、其他必要的附屬設施；⑨直徑15.4 m、高度6 m 的防風墻及防火門、百葉窗等附件；⑩工業電視監視系統，1 套耐高溫攝像機，用于監控火炬筒體內火炬氣燃燒及長明燈運行情況；?控制系統，整個火炬設備包設置一套FCS 控制系統。

火炬設備包外部分具體如下：①土建專業。樁、基礎和防風墻，其中樁基為74 根31 m 長灌注樁，基礎、防風墻為520 m3C40 混凝土澆筑而成。②管道專業。火炬界區外工藝管線、公共工程管線以及管道的應力計算。③儀表專業。儀表接線箱及上游的橋架槽盒線纜，現場控制室內機柜安裝、供電、接地。④電氣專業。2 路AC 220 ⅤUPS 電源至火炬現場點火控制箱（1 臺高空點火控制箱，1 臺地面爆燃點火控制箱）及進線電纜。1 路AC 380 Ⅴ照明電源至火炬現場防爆照明配電箱及進線電纜。端子板接與全廠接地網。⑤電信專業。包括防爆監控設備箱、進線端子、電纜/光纜敷設。

2 封閉式地面火炬的技術要求

封閉式地面火炬系統必須是本質安全排放系統，通過合理的系統組織、先進成熟的燃燒技術、可靠的控制手段使封閉式地面火炬能滿足LNG 接收站對各類工況下排放的火炬氣及時、安全處理的需求，且處理結果能夠滿足國家現行標準和環保要求[1]。

任何工況下，火炬氣體燃燒產生的背壓，都不能影響整個LNG 接收站火炬系統放空氣體的安全排放。為了適應各種工況下火炬放空氣流量的變化，封閉式地面火炬系統采用分級燃燒控制，當工藝裝置向火炬系統排放氣量增大時，排放氣體會在火炬放空總管內積聚，導致放空總管壓力升高，各級放空管線上的氣動切斷閥將根據總管上的壓力信號依次相繼開啟。第一級燃燒系統為常開設置，其余各級燃燒系統上設氣動分級閥和起到超壓包含作用的爆破針型閥旁路。

在排放氣體過程中，一旦點火系統失效造成點火不及時，氣體在火筒體內部聚集，遇到點火源就會發生爆炸造成嚴重后果。為保障火炬系統點火的成功率，火炬長明燈采用高能點火和地面爆燃相結合的點火方式，從而實現長明燈既可以在火炬設施現場通過手動操作點火器內傳焰與高能點火，也能在中控室的上位機上遠程自動點火。長明燈的氣源來自火炬界區外的燃料氣，通過DN50 燃料氣管引至界區內，管線上設壓力表、壓力變送器、自力式調壓閥組、止回閥和切斷球閥。

為了保證火炬設施安全，防止出現火炬排放線低壓回火，在封閉式地面火炬系統未設置水封罐或其他阻火設施情況下，火炬設施在排放總管以及每級放空管線處均配備有氮氣吹掃系統。其中第一級放空管線工藝設計為常開狀態，在第一級放空管線氮氣吹掃為連續吹掃方式，通入持續注入少量氮氣來維持第一級放空管線內的微正壓。其他各級放空管線在非排放氣體狀況下為常關狀態，采取在排放氣體后在每個分級閥之后注入大量氮氣吹掃的方式，保證徹底置換燃燒器管道內所有的可燃氣體，消除任何內部燃燒和延伸管內回燒的可能性。為了防止異常狀況下火炬總管壓力突然降低導致的回火現象，在火炬放空總管上也設置注氮管線，當放空總管壓力低于邏輯設定值時，打開氮氣吹掃開關閥，給包括分級閥下游的延伸管在內的整個火炬系統升壓，使其保持相對于外界大氣的微正壓狀態，防止空氣進入火炬管線與排放氣體混合發生閃爆情況。

封閉式地面火炬燃燒對外界的熱輻射強度、火炬排放氣燃燒煙氣的最大落地濃度符合環保的要求，由于火炬排放氣燃燒煙氣成分極少有固體成分，故不考慮煙氣中灰塵對輻射的影響[2]，無需輔助消煙，火焰的林格曼黑度小于1。火炬設施與相鄰設施應確保其安全距離，符合防火規范中與相關設施安全距離的要求。安全距離應為以輻射熱計算得出的安全防護距離基礎上增加30%的安全系數，并按照規范要求的把火炬視為明火，其與周圍設施的距離要求比較，取其較大值[3]。

3 火炬燃燒塔體安裝流程

3.1 施工準備

封閉式地面火炬安裝前施工單位作業人員需要先熟悉包括地面火炬燃燒塔裝配圖及零部件圖、安裝說明性文件、專用工具使用說明書、工藝安裝圖在內的安裝技術資料。編制安裝方案并做好通過技術交底，使作業人員對工程的情況、施工的程序和要求有全面深入的了解。在施工作業現場要清理平整出一塊200 m2空地，作為施工材料周轉區，同時準備好雙排鋼管腳手架相關材料。

3.2 設備驗收

在火炬設備運到現場前，需在現場設置平整且高于周邊的場地臨時堆場，用于相關材料的堆放。材料存放區應注意對成品物資的保護，在設備堆放地點下方設置枕木，保證設備離地20 cm 以上。由于火炬筒體的內襯耐火、隔熱材料為陶瓷纖維模塊，需要采取防水保護的措施，堆場需提前準備防水布，堆放前下方墊好木板后再鋪上防雨布，堆放時上方再覆蓋防雨布。

火炬包設備組件到貨后，需對到貨物資進行開箱檢驗，檢查包裝情況，依據裝箱單核對箱號、箱數，對設備及零部件的名稱、型號、規格、數量及外觀質量進行檢查，設備外觀應無表面損傷、無變形、無銹蝕；焊接飛濺和工裝卡具的焊疤己清除，不銹鋼制設備的防腐蝕面與低溫設備的表面無刻痕和各類鋼印標記，設備管口封閉。并根據設備裝配圖核對設備的主要幾何尺寸、接口規格、管口方位，檢查隨機資料和專用工具是否齊全。對清點檢查后的設備、零部件分類掛牌標識，放置于潔凈、通風處，小型部件要放置于木質貨架之上，妥善保管，以防丟失。對于不是立即安裝的設備組件，要將包裝箱恢復原貌。

3.3 基礎驗收

火炬包設備組件安裝前還需要對基礎進行檢查，基礎混凝土強度至少要達到設計強度的75%。基礎上需劃出標高基準點、縱向中心線、橫向中心線。定位基礎中心線之前，將基礎受力面清掃干凈，不得有沙土等雜物。基礎縱橫中心十字線劃出后，根據圖紙校對地腳螺栓孔的中心線準確性，位置大小和深度要與圖紙相符，測量誤差不超過設計規定范圍。設備安裝前把需灌漿的基礎表面鑿成麻面，麻面深度不少于10 mm，密度為每平方分米內3～5 個點，與螺柱連接的表面平整潔凈。墊鐵放置處周邊50 mm 范圍內基礎表面需鏟鑿平整，保證墊鐵與基礎接觸良好，鏟平部位的水平度允許偏差為2 mm/m。預埋地腳螺栓的螺紋無損壞。基礎表面若有油脂時必須進行徹底清理，避免影響安裝施工和二次灌漿的質量。基礎檢查合格，交接手續辦理完成后，再進行設備安裝。

3.4 底部筒體安裝

火炬設備安裝首先需要用根據火炬筒體瓦片質量選擇的25 t 吊車將一片片單獨的筒體瓦片分別吊裝至基礎上方，作業人員在瓦片吊裝后在基礎表面用地腳螺栓將瓦片與混凝土基礎緊固在一起，每根地腳螺栓兩邊各設置一組墊鐵，每組墊鐵的數量不超過5 塊，且厚度為30～70 mm。兩個瓦片之間也通過高處作業車進行縱向螺栓連接緊固。底部筒體第一片瓦片安裝后，應在瓦片上方安裝一個吊環，并在筒體內外各設置一個地錨，用2 根纜風繩將瓦片組固定。第一片瓦片安裝完成后，再將第二片、第三片依次拼裝的筒體瓦片吊裝就位，并與前一片組吊裝的筒體瓦片結合，將兩組之間的螺栓連接好，但不要緊固，循環裝好底層。瓦片安裝成環后將縱向連接螺栓全部緊固，并根據規范進行垂直度調整，根據規范要求，垂直度不得大于H/1000 mm。吊裝過程中，以中心取頂部與中間層連接的2 個螺栓孔作為吊點，并在下部設置一根溜繩，以控制瓦片在空中的旋轉與就位的方向。

3.5 中部、上部筒體安裝

中部和上部筒體在安裝前需在現場空地先組對成環后再整體吊裝。使用25 t 吊車將一片片單獨的片筒體瓦片吊裝至空地后，按照上一步底部筒體安裝方式將2 個瓦片之間的縱向螺栓連接緊固。

中部筒體成環后通過500 t汽車吊整體吊裝至底部筒體上，順時針旋轉至設備就位位置上方，緩慢落下后，將兩層之間的環向螺栓穿好緊固。上部筒體吊裝方法同中部筒體一致。

3.6 平臺及鋼直梯安裝

筒體外壁的鋼平臺及部分不影響吊裝的鋼直梯應在筒體組對完成后進行安裝。在筒體瓦片組對前，檢查平臺連接件及鋼直梯連接件是否已按圖紙要求焊接，如有缺少的連接件，在組對前焊接完成。吊裝過程中，應在平臺或直梯上設置2 根溜繩，便于地面人員輔助進行位置調整進行就位和螺栓緊固。火炬筒體全部吊裝固定后進行剩余鋼直梯安裝。

3.7 內圈腳手架搭設

筒體安裝完成后，在筒體內部搭設腳手架。搭設前清掃火炬內地面雜物，確保腳手架落地穩固扎實。通過擋風墻的門洞運送腳手架桿。腳手架應距離筒壁600 mm，以便于安裝陶瓷纖維模塊及錨固釘。

3.8 陶瓷纖維模塊的錨固釘安裝

陶瓷纖維模塊與筒體的連接固定件為錨固釘，錨固釘采用焊接方式固定在筒體上，由于錨固釘為不銹鋼材質，筒壁為碳鋼材質，選用合適的異種鋼焊接工藝進行焊接，焊腳高度大于等于5 mm。錨固釘焊接時應保證其垂直度，并保護好前端的絲扣。錨固釘焊接時，會破壞筒體表面的防腐漆，應將破壞的部位表面打磨干凈后，再采用與原防腐漆相同的油漆進行補漆。

3.9 陶瓷纖維模塊安裝

錨固釘焊接并補漆后，在筒體內壁鋪設2 層20 mm厚的陶瓷纖維毯，鋪設應平整、整齊。將陶瓷纖維大模塊雙手抱起，對準錨固釘所在位置，將陶瓷纖維塊掛上。陶瓷纖維大模塊之間存在縫隙較大時，應采用補償條進行補償。由于陶瓷纖維具有強吸水性，需做好防雨防水措施。在安裝時，將筒體頂部采用防雨布封住，以防止雨水落在安裝好的陶瓷纖維塊上，導致陶瓷纖維塊吸水增重墜落。

3.10 驗收

安裝完成后，檢查地面火炬燃燒塔的標高、高度、垂直度，連接螺栓的緊固力度，錨固釘的布置、垂直度，陶瓷纖維模塊的布置等。

4 管道預制質量保證措施

LNG 接收站用的封閉式地面火炬要嚴格遵守Sizing、selection，and installation of pressure-relieving devices in refineries、Guide for pressure-relieving and depressuring system、《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》等行業規范。

在施工過程中嚴格把控施工程序、操作規程、材料檢驗、隱蔽工程驗收、工序交接等重點。

開箱時，要準備好適當的開箱工具，以文明施工原則拆卸包裝箱板，不允許對包裝箱亂敲亂打，以免損壞設備。凡未經開箱檢查驗收的設備不得進行下面工序的安裝施工。

設備安裝過程中要保證設備的標高符合圖紙及規范要求，設備垂直度要符合立式設備安裝質量標準要求；注意螺栓連接的緊固力度；需對地腳螺栓進行保護，采用黃油及塑料薄膜包扎和加套管進行保護。另外要注意對設備的保護，在運輸和安裝過程中，加強成品保護意識，對易損件進行保護。

設備安裝過程中要注意陶瓷纖維模塊的錨固釘焊接的垂直度與焊腳高度符合相關圖紙及規范要求。注意陶瓷纖維大模塊鋪設的整齊性與縫隙符合要求。對于錨固釘焊接后的補漆，需在修補前對相關部位打磨干凈。

5 結束語

綜上所述，封閉式地面火炬是LNG 接收站最為關鍵的設備，承擔著處理LNG 接收站放空BOG 的重要作用。火炬的安裝直接決定了接收站整體安裝進度。對于LNG 接收站碼頭工程，根據封閉式地面火炬的工作原理及組成結構，制定切實可行的安裝路線，合理規劃作業的流程，嚴格預制質量保證措施，可以在進度、安全、質量方面提高建設管理水平，大大改進LNG接收站建設施工方式，圓滿完成LNG 接收站二期工程計劃工期目標。本文總結的關鍵技術要點，也可為同類型LNG 接收站碼頭卸料臂的安裝提供借鑒。