火炬系统的安全设计

火炬系统的安全设计

1火炬系统的内涵“本质安全”的设计指的是由图纸本身保护生产设备和生产系统本身，即使它因错误操作或故障而导致的事故。本质安全这一概念产生于20世纪60年代,最初是由安全型电气设备的概念延伸而来,后来逐步扩展为一种新的安全理念。火炬系统是处理石油化工装置事故排放气和带压无组织排放的可燃气体,使其燃烧,达到安全环保要求的系统。对确保装置安全生产起着至关重要的作用。火炬系统,按功能可分为,工艺及管道系统、分液和水封系统及点火燃烧系统。本文就以此三个系统,分别论述他们的“本质安全”设计理念。2工艺与管道系统管道系统的“本质安全”是指在任何工况下,都能够保证所有装置的泄放气体能够顺利排放到火炬,并能够顺利烧掉。2.1排放系统管网背压要使管道系统的设计达到本质安全,从工艺设计的角度讲,第一要严格控制排入火炬系统的气体质量。排入气体的热值能达到自行燃烧或在排入燃烧系统前将热值调整到能够自行燃烧;蒸汽、含油气量较低的惰性气体也不能排入火炬设施;有毒、宜聚合、杂质多的气体不能排入火炬系统。第二,设定合理的管网背压第三,管道直径应满足全厂最大排放量要求。同一事故引起全厂或几个装置排放时,应对各装置的排放“流量-时间曲线”进行叠加,取最大值为该事故时的最大排放量。无排放“流量-时间曲线”时,则按照规范SH3009的叠加原则,确定各排放系统和全厂最大排放量。第四,全厂排放系统管网应该维持一定的正压。安全放空系统中排放的可燃气体通常都具有较高的温度,因此为防止系统管网在骤冷时产生负压,有必要设置管网压力检测和自动补压设施。2.2能再高、精度再好的仪表也必须安全隐患,全厂所有气体的始终安全运行火炬系统的安保部分尽量不使用仪表控制系统。智能再高、精度再好的仪表也总有坏掉的时候,火炬系统是石化厂处理全厂可燃排放气体的最后一道安全防线,不能有任何失误,必须确保安全。2.3管道固定点的设计从配管设计的要求讲,第一,全厂可燃性气体排放系统管网热补偿应采用自然补偿,且补偿器宜水平安装。采用自然补偿是最为安全可靠的,其他形式,诸如波纹管、旋转补偿器、球形补偿器等均存在薄弱环节,长期使用容易破损,导致安全事故,不提倡使用。第二,管道的固定点要起到真正固定的作用,且设计的固定架要能够承受足够的推力。随着石化厂的大型化,火炬管网的管径也越来越大,管道固定管托在标准图集中是找不到的,只是简单地模仿设计存在隐患,要经过认真计算校核,确保无误。3水封的作用及高度火炬系统管网中如存在低点,或较长管道的中点,及火炬气进入火炬之前应按规范要求设置积液罐或分液罐。分液罐的设计关键点是能够将排放气中直径大于600μm的液滴分离出来,防止火炬燃烧时发生火雨。水封是利用水的静压密封火炬气并隔离火炬与管网的一种装置,它使水封罐内保持一定的水位并使火炬气能自由流出,同时防止水封后气体进入火炬气管网。水封系统是全厂火炬系统和火炬设施可靠的防回火安全设施。其“本安”概念是在任何工况下系统必须保证水封有效。水封在火炬系统中的作用主要是:保护系统管网不产生逆燃或回火。当火炬系统可燃气压力过低、排放速度小于火焰传播速度或火炬气中氧气含量过高等工况出现时,在火炬及其系统管网中会产生回火或闪爆,这时水封将起到逆止作用,防止火焰继续传播,保证放空管网乃至上游各装置安全。维持管网正压,防止空气进入管网。高温火炬气排放停止时遇到暴雨,管道内气体温度骤降或在排放的火炬气温度降到某种组分的相变温度时,火炬气体积急剧变小,管道内会产生负压,如果没有水封或水封的水量不足,则会导致空气由火炬头进入管网系统;还有一种情况是大气压在高程差作用下,小于空气密度的排放气体处于缓慢流动或不流动时,水封罐至火炬头出口的管段中会处于负压状态,如果水封的水量不足,则可使整个排放系统出现负压,负压可导致空气从管道或设备的腐蚀空洞进入管网,造成安全隐患。作为压力控制设备,为保持整个放空系统不出现负压工况,不同密度的排放气体对水封高度的要求不同,如密度大于或等于空气密度的放空气体充满火炬筒体时,水封罐内不存在负压,这种工况下的水封高度只需满足管网维持正压要求;对于放空气体密度小于空气密度工况,需要适当提高水封高度3.1水封阀组的改进随着节能、环保意识不断提高,通常在水封罐前的放空管网上引出一个支线,送往气柜和压缩机,回收正常生产过程中或小事故引起的小量排放。而放空管网中的压力越高,回收的气体越多,这就要求水封罐的水封高度足够高。水封高度增加太高,在装置事故放空时水封不能及时撤到装置要求的背压,整个系统将不能正常工作。因此,设计出了多种水封阀或水封阀组,拟取代传统的水封罐。水封阀组和各种水封阀的主要工作原理是,正常生产时能够将水封提到较高的水位,提高了系统的背压,使得可燃气体进入气柜更加容易,且能够更多地回收火炬气,提高经济效益;在装置事故状态下,水封阀组或水封阀能够在几秒钟内撤除多余的水封,能使装置顺利放空。问题是,为了尽快撤除水封,水封阀组的水量较少,在装置大量放空时,罐内的水被带走,不能马上建立起有效水封,因此防回火功能消失。3.2水封罐的设计压力水封系统应该设在分液罐和火炬之间,尽量靠近火炬。水封距离火炬头越近,火炬回火爆炸时的体积空间越小,对系统造成的破坏就越小。水封罐的设计压力。根据化学计算,理论上烃类气体在密闭空间内发生爆炸产生的压力为气体压力(绝)的7~8倍,实验证实甲烷和乙烷密封空间的爆炸压力分别为0.66MPa和0.68MPa3.3水封高度确定水封高度取决于水封的目的。用于回收火炬气的水封系统,建议采用可靠的水封阀组加水封罐的流程来实现水封保护。利用水封阀组水封高度维持回收火炬气的压力,水封罐防止系统回火和产生负压。首先,水封高度应确保排放气体在装置事故排放时能冲破水封排入火炬;其次满足排放系统在正常生产条件下有效阻止火炬回火。对于燃烧速度快,如氢气、乙炔、环氧乙烷等极速燃烧特性介质火炬气,应适当增加水封高度,水封高度应≥300mm;对于火炬气密度≥空气密度的工况,水封高度应≥150mm;而火炬气密度<空气密度时,水封高度应≥200mm另外,为防止水封罐前的管道由于高温工况遇降雨,管道内气体产生骤冷,导致整个管网出现负压,规范要求水封罐内应有足够的水量,有效水封量应至少能够在放空总管产生负压时,满足水封罐入口立管3m充水量。为了保证水封罐内的有效水量,设计时要使水封罐具有一定的分水功能;同时要保证水封罐内气体水平流速不超过临界速度。还有一种工况设计时必须考虑,就是排放气体的温度大于100℃时,排放的气体会使水蒸发而减少有效水封的水量,这时自动补水是保证水封罐有效水封的实用方法。3.4水封罐液压工艺水封罐在任何状态下都必须保持水封有效。一般要做到两点:一是正常工况下,保持水封罐常流水。水量可通过限流孔板限制,流量为U形溢流管自流能力的50%。二是在事故状态下,水封罐应设低液位联锁自动补水措施,保持水封的水位。3.5火炬筒体内的压力溢流管除了排出水封所需多余的水外,还应有撇油作用,一般设计成U型。在没有火炬气放空的情况下,水封罐内的压力为火炬筒体内物料自重产生的压力或者是由于密度小于空气的火炬气产生的负压。为保证最大排放量时溢流管不与大气直接连通,规范要求溢流管的水封高度应大于水封罐内气体空间的最大操作压力的1.75倍。4点火系统优化任何情况下都要保证排放气通过火炬头时能够燃烧。长明灯长明是此系统“本安”理念的重要保证。火炬系统的排放气具有不确定性,时间不定、排放量不定、排放介质性质不定等。同时要求整个系统在任何工况下都能够随时点燃排放气。自动点火具有一定的优越性,可以节省长明灯常燃的燃料气,但是电子的东西总是具有一定的不安全因素,任何一个自动点火系统都不能保证100%的点火成功率,而长明灯时刻长明,全天候,是最可靠的选择。长明灯要采用清洁燃料气,有条件可以用天然气作为点火源。采用炼厂高压燃料气时必须经过脱硫处理,且点火设施前应加过滤器,避免长明灯管道和长明灯节流孔板堵塞,同时实现清洁燃烧。燃烧系统是火炬设施的核心。主要包括火炬头、点火器、密封器、助燃消烟等辅助设备。国内外火炬头的形式很多,结构复杂,各有特色,关键点是能够使排放气充分燃烧。一般情况下,全厂紧急事故最大排放工况火炬头出口的马赫数应小于等于0.5;无烟燃烧时火炬头出口的马赫数宜取0.2;处理酸性气体的火炬头出口马赫数宜小于或等于0.2。其它辅助设备应根据需要配备。点火装置是