氣田火炬系統(tǒng)安全運行控制技術研究

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（中石化廣元天然氣凈化有限公司 四川 628400）

火炬系統(tǒng)是一個本質安全系統(tǒng)，是保證工廠正常生產和發(fā)生事故時的重要設施，任何工況下都應確保火炬氣安全排放。火炬氣排放過程中一旦熄火，且點火不及時，含有硫化氫的有毒可燃氣體將聚集在地面火炬設施周圍，對周圍人員構成一定威脅，引發(fā)安全事故。某凈化廠年處理高含硫原料氣能力40億立方米，年產凈化氣能力34億立方米，年產硫磺能力30萬噸。自2014年投產以來，火炬系統(tǒng)已經連續(xù)運行2400余天。

1.火炬長周期運行現(xiàn)狀

(1)火炬系統(tǒng)特點

某凈化廠生產設施共建設4個系列300×104m3/d混合氣（H2S的體積分數(shù)為5.55%，有機硫含量為362.4mg/m3，CO2的體積分數(shù)為6.57%）的凈化裝置，采用復合溶劑法脫硫、TEG法脫水、常規(guī)克勞斯非常規(guī)分流硫磺回收工藝、加氫還原+超重力尾氣吸收處理的工藝路線，總硫回收率達到99.9%以上。為了確保事故狀態(tài)下的安全排放，火炬系統(tǒng)設置高壓和低壓兩套排放系統(tǒng)，各自設置相應的分液罐和水封罐，同時另外設置一套備用的分液罐和水封罐。火炬塔架采用兩座不可拆卸式高塔架，其中高壓火炬與低壓備用火炬共架，低壓火炬與高壓備用火炬共架，能在裝置不停工的情況下對火炬進行分別檢修。高壓火炬筒體直徑為DN1000，最大瞬間放空量300000Nm3/h，低壓火炬筒體直徑DN500，最大瞬間放空量29616Nm3/h。按照火炬熱輻射計算和二氧化硫的落地濃度要求，筒體高度（包括火炬頭高度）為120m。火炬頭選用節(jié)能型高效火炬頭，高度2.5m，主體材質為310ss，基本無煙燃燒排放，酸性氣硫化氫燃燒率不小于98%。

(2)運行現(xiàn)狀分析

①火炬頭流體密封器折流板部分脫落

高壓火炬在一次高負荷放空時火炬頭流體密封器折流板，被吹出火炬頭掉落地面。火炬頭流體密封器[1]采用內嵌式流體密封，在火炬頭中，設304不銹鋼材質的錐形折流擋板。其工作原理是在流體密封器入口前端連續(xù)通入一定量的吹掃氣體，利用吹掃氣體在錐形折流擋板出口處形成速度動力封以有效阻止空氣進入火炬筒體內，從而防止回火[2]或內部爆炸。

存在風險：正常生產時火炬管網系統(tǒng)處于正壓，空氣侵入的可能性比較小。異常工況火炬放空氣流量大幅波動時，部分放空氣體溫度較高，停止放空后管網內氣體急速冷卻產生真空，引起空氣從筒體頂端倒流入筒體內，形成爆炸性混合氣體，從而產生回火甚至發(fā)生爆炸。

防范措施：A.提高高壓火炬燃料氣補氣量，由20Nm3/h提高至30Nm3/h，以增加高壓火炬流體密封氣流量，保障火炬頭防回火能力。B.放空氣進入火炬筒前設置臥式水封罐，入口管伸至水封罐下部，正常運行時水封液位設置高、低液位報警和DCS遠程操控補水功能，始終保持水封液位高度將進氣管尾端淹沒，從而隔斷火炬水封罐前后流程，保障水封防回火功能。

②備用火炬長明燈高能點火電極故障失效

低壓備用火炬長明燈2個高能點火電極，高壓備用火炬長明燈1個高能點火電極，因火炬頂部點火電極故障不能點燃所對應的長明燈。高空電點火裝置主要由高壓發(fā)生器、點火電極和點火控制箱組成。高壓發(fā)生器和點火控制箱安裝在火炬界區(qū)內的地坪上，點火電極安裝在火炬頭高空點火槍下端，高壓發(fā)生器和點火電極之間通過電纜連接。點火電極由高溫合金和耐高溫陶瓷制成，可持續(xù)長時間發(fā)弧，具有耐電蝕、抗結焦等特點。點火電極發(fā)出的電火花引燃高空點火槍內的燃料氣，火焰從高空點火槍根部傳到頂部，點燃長明燈。

存在風險：為保證生產裝置在緊急事故工況下將含有硫化氫的酸性氣點燃，火炬采用長明燈形式，長明燈按照任何時候都保持點亮的狀態(tài)設計，以確保火炬氣的安全點燃。若遇極端天氣，或異常大量氮氣放空時將導致火炬長明燈熄滅，此時生產裝置一旦發(fā)生異常放空，含有硫化氫的酸性氣不能點燃直接通過火炬系統(tǒng)排放至大氣，存在硫化氫氣體擴散造成人員中毒風險。

防范措施：A.高壓備用火炬和低壓備用火炬由4個配置點火電極的長明燈共同控制1個火炬頭來實現(xiàn)點火，四盞長明燈成90°角分布在火炬頭周圍，任一個正常工作即可實現(xiàn)火炬頭正常點火，且每個長明燈點火電極相互獨立，備用火炬長明燈故障不影響在用火炬長明燈正常運行。B.每支長明燈配有鎧裝熱電偶對長明燈的工作狀況進行監(jiān)測，同時設置有溫度低報和低低報警，當溫度異常下降時，及時增加燃料氣補氣量并查明問題原因。C.每支長明燈各設一套高空電點火裝置和一套地面爆燃點火器，其中高空點火裝置設置有自動及現(xiàn)場手動點火，長明燈溫度下降至觸發(fā)自動點火溫度設定值231℃自動點火5min，若仍未點燃，則由崗位人員實施現(xiàn)場手動點火。

③低壓備用火炬熱電偶TE-00505故障溫度顯示異常

1#火炬塔低壓備用火炬長明燈熱電偶TE-00505溫度測量元件故障，長明火點著后不能正常檢測。長明燈采用了K分度號接地型熱電偶，反應靈敏，能克服漏電流干擾。

存在風險：每臺長明燈配有鎧裝熱電偶對長明燈的工作狀況進行監(jiān)測，熱電偶溫度異常無法正確檢測火炬燃燒情況，尤其在白天通過視頻監(jiān)控或現(xiàn)場就地觀察無法辨別長明燈是否處于燃燒狀態(tài)。

防范措施：兩套火炬共配置長明燈8臺，每臺長明燈設有2個熱電偶進行測溫，一用一備，當其中1個故障，定期測試確保另外1個正常可用。

2.火炬檢修風險分析論證

(1)檢修風險分析

①高溫熱輻射：在高壓火炬最大瞬時放空量的情況下（300000Nm3/h，包括凈化廠、集輸末站、增壓站故障放空等因素），間距90m的臨近火炬塔架操作平臺受到的熱輻射強度為4.73kW/m2[3]，依據(jù)《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》（SH 3009—2013），檢修人員在穿防護服時僅有5min逃生時間。

當高壓放空量為100000Nm3/h或者低壓放空35000 Nm3/h時，間距90m的臨近火炬塔架操作平臺受到的熱輻射強度為1.58kW/m2，依據(jù)《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》（SH 3009—2013）[4]，該輻射熱下在火炬檢修平臺施工是可持續(xù)的，大于上述放空量需考慮有效的防護措施并及時撤離。

②SO2中毒：高、低壓火炬放空時，含有硫化氫的放空氣體燃燒將產生大量二氧化硫，檢修人員在不配備呼吸器的情況下，存在二氧化硫中毒風險。

③高處墜落：火炬頭高度約120m，檢修人員只能通過直爬梯攀爬到達火炬塔架各作業(yè)面和頂部平操作臺，作業(yè)前期準備工作耗時長，人員體力消耗大，同時部分直爬梯、平臺及護欄銹蝕松動，人員攀爬、作業(yè)存在高處墜落風險。

(2)安全技術保障

①統(tǒng)籌安排制定實施計劃。火炬系統(tǒng)檢修在生產裝置高負荷運行時，不可預測風險因素多，實施難度大，提前策劃做好前期施工準備工作，充分利用大檢修或生產裝置低負荷運行空隙開展，可有效降低大量放空時產生的熱輻射和二氧化硫影響。對近3年高、低壓火炬放空統(tǒng)計分析，放空時間主要集中在30min以下，放空量低壓火炬都在1萬立方米以下，高壓火炬都在10萬立方米以下，若保持生產裝置低負荷運行可在異常工況時快速實現(xiàn)負荷轉移，進一步減少放空時間和放空量，有效保證作業(yè)實施安全。

②精心操控確保生產平穩(wěn)。制定生產運行保障方案，緊盯塔器、工業(yè)爐和高壓電機等關鍵設備運行狀態(tài)，密切關注溫度、壓力、液位等報警，及時開展生產異常分析和處置，確保生產平穩(wěn)運行。異常工況單套聯(lián)合裝置高壓放空可通過限位放空調節(jié)閥，控制在高壓放空量在100000Nm3/h以下；在高負荷運行期間，若發(fā)生克勞斯爐跳車，立即降低運行負荷，實施克勞斯爐跳車熱啟動，減少低壓放空；暫停100萬立方米以上的批處理計劃，降低因批處理引發(fā)的沖塔放空風險。

③密切關注異常氣象信息。結合二氧化硫擴散結論及《高處作業(yè)分級》（GB/T 3608—2008）[5]，陣風5級以上（風速8.0m/s），不能進行高處作業(yè)）；實時關注氣象信息（風向、云量、風速、太陽高度角），安排在風力在3～8m/s（即2～5級風）非雷雨天氣和大氣穩(wěn)定度等級較高的條件下進行作業(yè)。

④做好突發(fā)事件應急防范。配齊個體防護物資，作業(yè)人員同時佩戴便攜式硫化氫和二氧化硫檢測儀，配備通訊工具實時保持聯(lián)絡暢通；備用安全帶和防墜器，臨邊作業(yè)正確系掛；備用空氣呼吸器和隔熱服，在發(fā)生低壓放空時及時佩戴好空氣呼吸器。結合檢修內容劃定作業(yè)區(qū)域并分步實施，嚴格控制區(qū)域作業(yè)人員數(shù)量。制定火炬放空應急預案，明確不同火炬放空情形的防護措施、逃生路線和安全撤離點。

3.火炬安全運行對策

(1)實時監(jiān)測火炬燃燒狀態(tài)

①遠程監(jiān)控火炬長明燈燃燒火焰。在距離火炬塔架百米之外的25m高鐵塔上設置有兩臺紅外高清透霧攝像機，對高、低壓火炬燃燒情況進行實時視頻監(jiān)視，可以在冬天大霧天氣（人可視范圍20～25倍以內的透霧）遠程監(jiān)測燃燒是否正常。

②實時監(jiān)測火炬長明燈燃燒溫度。在每盞火炬長明燈安裝兩個熱電偶溫度探頭進行溫度監(jiān)測，同時設置溫度異常低溫報警，提前開展火炬長明燈異常應急處置。

(2)強化設備管線腐蝕監(jiān)測

①火炬系統(tǒng)地面區(qū)域設置10臺固定式硫化氫檢測儀，對涉硫化氫設備、管線進行實時泄漏監(jiān)測；在放空管道安裝在線腐蝕探針5臺，對管道腐蝕情況進行實時監(jiān)測。

②制定火炬系統(tǒng)超聲波測厚計劃，每年對高低壓火炬系統(tǒng)管道關鍵部位進行測厚，提前研判腐蝕泄漏風險制定管控措施；定期開展年度壓力容器、壓力管道檢測，消除腐蝕缺陷。

③設置燃料氣連續(xù)補氣點，每條補氣管線安裝限流孔板，保證最低補氣量，保持火炬系統(tǒng)內氣體連續(xù)流動，消除酸性氣滯留現(xiàn)象。

④火炬系統(tǒng)水封罐配套設置火炬酸水汽提裝置，對火炬水封罐內水封水進行連續(xù)汽提凈化，清除水封水內的硫化氫后循環(huán)使用；保持放空管網0.35MPa伴熱蒸汽暢通，防止管道積存酸水。

⑤定時巡檢排查硫化氫漏點并及時采取防范措施，保持管道系統(tǒng)運行安全可靠。

(3)嚴格日常操作與維護

①設置火炬系統(tǒng)內、外操崗，每天定時現(xiàn)場巡檢，24h盯盤。嚴格控制高壓火炬放空分液罐出口溫度≥4℃，低于4℃時增大加熱器副線閥，低于-4℃聯(lián)鎖打開加熱器主線閥蒸汽供給量，防止低溫凍堵。

②加強在用火炬分液罐存液高度檢查，定期排液不超過500mm。嚴格在用火炬水封罐液位及水封溢流狀態(tài)檢查，液位控制在設計值600～1000mm，尤其當裝置大量排放氣體時能造成水封高度下降，此時操作人員必須實時觀察并及時補水。

③定期排放火炬筒體底部積液，排放操作時必須通過排液管上的視窗觀察是否順暢，排液完成立即關閉閥門。

④正常生產禁止人員隨意攀爬，惡劣天氣、火炬放空時嚴禁人員在火炬塔架下停留；定期采用無人機對火炬塔架及附屬設施開展隱患排查，重點排查火炬塔架本體是否存在缺陷，螺栓等附件是否存在松動、缺失。

(4)固化火炬異常處置程序

①制定《火炬長明燈熄滅現(xiàn)場處置方案》，定期演練測試備用火炬長明燈點火系統(tǒng)運行情況，如果低壓火炬出現(xiàn)酸性氣放空時，則在低壓火炬分液罐入口增補燃料氣，使酸性氣充分燃燒。

②火炬系統(tǒng)配備一套備用火炬設施，定期維護作為高、低壓火炬系統(tǒng)的備用系統(tǒng)。制定《高壓火炬切換至高壓備用火炬切換方案》，當高壓/低壓火炬安全運行能力嚴重下降時，切換至備用火炬系統(tǒng)運行。

4.總結

火炬系統(tǒng)作為氣田安全運行至關重要的安全設施，尤其是在面臨裝置高負荷生產運行期間，無法進行停工檢修，長周期安全運行風險不可忽視，而裝置不停工開展火炬系統(tǒng)檢修各類風險疊加實施難度大，需采取有效管控措施消減現(xiàn)有故障安全風險，同時需強化火炬系統(tǒng)日常安全運行與維護，確保異常工況下安全可靠運行。