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      合理選擇火炬放空系統(tǒng)防回火措施

      2013-02-15 01:28:04王艷玲張鳳波
      天然氣與石油 2013年3期
      關(guān)鍵詞:阻火器火炬密封

      王艷玲 王 非 張鳳波

      1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川 成都 610041 2.中國(guó)石油塔里木油田公司,新疆 庫(kù)爾勒 84100

      0 前言

      火炬放空系統(tǒng)選擇合理的防回火措施非常重要。凈化廠檢修或事故狀態(tài)下,放空系統(tǒng)內(nèi)的烴類氣體和空氣混合,其濃度在爆炸范圍內(nèi),遇明火時(shí),火炬放空系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生燃燒爆炸。

      1 火炬放空系統(tǒng)防止回火措施

      火炬放空系統(tǒng)防止回火措施包括在放空管路上設(shè)置密封罐,在放空管路上設(shè)置阻火器,采用連續(xù)的吹掃氣來(lái)防止逆燃三種。

      1.1 密封罐

      密封罐是防止回火和爆炸的可靠措施之一[1]。使用液體密封的理由很多,部分理由如下:

      a)逆燃保護(hù)。液封用于提供可靠的保護(hù),防止火焰擴(kuò)散進(jìn)入裝置管線。對(duì)極易燃?xì)怏w,如乙炔、氧乙烯和氫氣,正確的設(shè)計(jì)和維持液封可提供極好的逆燃保護(hù)。如果火炬氣本身含有氧,推薦把增加的液封盡可能地靠近火源。為了密封,逆燃保護(hù)必須采用特殊設(shè)計(jì)。

      b)維持正壓頭。液封用于提供保護(hù)的措施是維持火炬總管的壓頭總是正壓。保證火炬總管的任何泄露結(jié)果只能是火炬總管中的氣體進(jìn)入大氣,而非空氣進(jìn)入火炬總管??諝饴┤牖鹁婵偣芸赡軐?dǎo)致潛在危險(xiǎn),即放空氣和空氣混合,在火炬塔或火炬總管內(nèi)引起爆炸。

      c)導(dǎo)引火炬氣流。液封也用于引導(dǎo)火炬氣在兩個(gè)或多個(gè)火炬系統(tǒng)之間流動(dòng)。例如,氣體的正常流動(dòng)可進(jìn)入一個(gè)封閉的火炬,然而,當(dāng)達(dá)到該封閉火炬處理量時(shí),液封應(yīng)設(shè)計(jì)成火炬氣的背壓將超過(guò)液封的液體深度產(chǎn)生的背壓。因此,氣體將流入另一個(gè)處理這些附加流量的火炬系統(tǒng)。

      為了安全起見,預(yù)調(diào)試和正常生產(chǎn)時(shí)用不含氧氣的介質(zhì)吹掃火炬筒體。預(yù)吹掃置換了火炬系統(tǒng)中存在的任何氣體,連續(xù)吹掃保證了低流量條件操作期間空氣不能經(jīng)過(guò)火炬頭進(jìn)入火炬系統(tǒng)。如果液封安裝靠近火炬塔基座,可取消連續(xù)吹掃的要求。設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)時(shí),要保證即使內(nèi)部空間發(fā)生爆炸,火炬系統(tǒng)也不受到損壞。但是對(duì)于LNG工廠,放空氣溫度可能很低,放空時(shí)會(huì)使水封罐結(jié)冰,故通常不采用此種密封方式。

      1.2 阻火器

      阻火器最惡劣的工況是在火炬放空系統(tǒng)中形成障礙物,只有當(dāng)可燃?xì)怏w是無(wú)腐蝕的干燥氣體且沒(méi)有可凝固的液體時(shí)才推薦采用。在火炬系統(tǒng)內(nèi)這種條件很少遇到,阻久器還有另一個(gè)缺點(diǎn),當(dāng)火炬系統(tǒng)排出熱物質(zhì)后若突然冷卻,此時(shí),空氣就可能通過(guò)阻火器被抽進(jìn)火炬系統(tǒng)。

      1.3 分子封及動(dòng)密封

      用連續(xù)的吹掃氣來(lái)防止逆燃。研究表明[2]:如果保持無(wú)氧天然氣的正流量并保證離火炬頭7.6 m處的氧氣濃度不超過(guò)6 %,那么含有烴—空氣混合物的系統(tǒng)就是安全的。需要的吹掃氣流量一旦確定,就可以確定限流孔板的尺寸,在供氣壓力恒定的條件下,天然氣供應(yīng)量是恒定的。在火炬氣低負(fù)荷運(yùn)行期間,空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)內(nèi),放空氣混合可能產(chǎn)生爆炸。有兩種常見的機(jī)械密封,通常位于或低于火炬頭,它用于減少防止空氣滲入火炬系統(tǒng)中所需要的連續(xù)吹掃氣量。

      1.3.1 浮力型密封

      浮力型密封利用吹掃氣和滲入空氣的分子質(zhì)量差來(lái)形成重力密封,防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)。密封器中布置的環(huán)形擋板迫使空氣在進(jìn)入火炬系統(tǒng)前要經(jīng)過(guò)2個(gè)180°的轉(zhuǎn)彎(一個(gè)向上,一個(gè)向下)。如果吹掃氣比空氣輕,吹掃氣將蓄積在密封器頂部,防止空氣進(jìn)入火炬系統(tǒng)中;如果吹掃氣比空氣重,吹掃氣將蓄積到密封器底部,防止空氣滲入到火炬系統(tǒng)中。這種密封型式通常把經(jīng)過(guò)火炬頭所要求的吹掃氣速度減到0.3 mm/s。對(duì)某些吹掃氣的組分,這個(gè)速度將限制氧含量低于該裝置的氧含量,且小于0.1%,此時(shí)需要更高的吹掃氣速度以防止火炬頭內(nèi)部發(fā)生氣體逆燃。

      1.3.2 速度型密封

      速度型密封在下述前提下工作:滲入的空氣進(jìn)入,穿過(guò)火炬頭緊靠在火炬筒體的側(cè),速度密封是一個(gè)錐形頭障礙物,帶有一個(gè)或多個(gè)折流板。折流板迫使空氣離開火炬筒體內(nèi)壁,遇到集中吹掃氣流并被沖出火炬頭。這種密封通常把經(jīng)過(guò)火炬頭的吹掃氣速度減到0.6~1.2 mm/s,保證了氧氣濃度低于密封要求的4%~8%。需要更高的吹掃氣速度來(lái)防止火炬頭內(nèi)部發(fā)生氣體逆燃。

      2 防回火措施的選擇

      采用密封罐是防回火爆炸的可靠措施。但在操作壓力較高的天然氣處理廠和工藝方案本身有低溫氣體(如JT閥脫水)放空時(shí),則會(huì)產(chǎn)生低溫工況;大多數(shù)LNG工廠氣體操作溫度處于低溫區(qū),放空氣溫度也處于低溫區(qū)間,水封罐就會(huì)結(jié)冰,故一般不推薦采用水封罐。

      對(duì)于阻火器,雖然相關(guān)規(guī)范上稱其偶爾被用來(lái)防止回火,但是在實(shí)際使用中尤其是長(zhǎng)輸管道中經(jīng)常采用;內(nèi)部集輸系統(tǒng)中也會(huì)用到。在新疆地區(qū)的塔中Ⅰ號(hào)氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108m3/a試采地面工程中,設(shè)計(jì)時(shí)業(yè)主要求油氣處理廠火炬放空系統(tǒng)阻火設(shè)施采用阻火器加爆破片的旁路設(shè)計(jì)。中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司(簡(jiǎn)稱CPE-SW)設(shè)計(jì)在滿足規(guī)范要求的前提下,堅(jiān)持最大程度地讓業(yè)主滿意的原則,多次進(jìn)行專家討論,認(rèn)為在滿足以下條件時(shí)可以按業(yè)主要求設(shè)計(jì):

      a)合理設(shè)計(jì)阻火器壓力降、選擇防腐功能較好、制造水平過(guò)硬的廠家生產(chǎn)的阻火器和爆破片(爆破片的選擇和安裝,應(yīng)符合《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定[3]);

      b)生產(chǎn)運(yùn)行單位安全管理到位,操作人員定期檢查和更換阻火器絲網(wǎng)和爆破片,確保放空發(fā)生時(shí),阻火器不成為放空管道的障礙物;

      c)在放空總管的起始段設(shè)計(jì)氮?dú)獯祾?,在阻火器后面設(shè)計(jì)燃料氣及氮?dú)獯祾撸Wo(hù)放空總管和火炬筒體,最大程度地保證火炬放空系統(tǒng)的安全。

      最終火炬及放空系統(tǒng)阻火設(shè)計(jì)采用阻火器加爆破片的旁路設(shè)計(jì)。

      為減少密封氣量,可采用浮力型密封或速度型密封形式。究竟采用何種密封形式,要根據(jù)火炬形式和全廠的密封氣來(lái)源綜合考慮。一般的高架火炬可分為高壓音速火炬和常規(guī)高壓火炬,高壓音速火炬一般采用動(dòng)密封;常規(guī)高壓火炬可采用分子封或動(dòng)密封。由于浮力型密封相對(duì)速度型密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些,相同尺寸的火炬,分子封的外形尺寸大于動(dòng)密封,導(dǎo)致相鄰火炬的間距變大,可能使帶分子封的火炬相對(duì)應(yīng)的塔架及基礎(chǔ)造價(jià)高于帶動(dòng)密封的火炬。雖然一次性投資帶分子封的火炬及塔架高于投資帶動(dòng)密封的火炬及塔架,但一般情況下動(dòng)密封火炬密封氣用量是帶分子封火炬密封氣用量的2倍,不同的廠家可能存在差別。根據(jù)廠家資料,由于密封氣量的差別,會(huì)使分子封的后期運(yùn)行費(fèi)用低于動(dòng)密封。如果能夠充分利用天然氣處理過(guò)程中的廢氣作為密封氣,在不產(chǎn)生安全隱患的前提下,推薦采用動(dòng)密封方式。動(dòng)密封前期投資低,后期操作運(yùn)行成本不受影響。但如果使用廢氣作為密封氣,會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患,推薦使用節(jié)能的浮力型密封。比如CPE-SW公司目前正在進(jìn)行的湖北500×104m3/d LNG工廠國(guó)產(chǎn)化示范工程EPC項(xiàng)目,最終采用密封氣量較小的帶分子封的火炬來(lái)滿足我國(guó)節(jié)能減排需要。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制的措施之一[4]。

      如果放空天然氣中含有水和硫化氫,SY/T0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂金屬材料要求》規(guī)定:在露點(diǎn)和露點(diǎn)以下,當(dāng)氣體中的硫化氫分壓大于或等于0.000 3 MPa(a),稱為酸性天然氣[5]。酸性天然氣可引起敏感材料的硫化物應(yīng)力開裂。為了防止酸性放空天然氣對(duì)放空管道的腐蝕,在放空總管上注入連續(xù)的凈化氣來(lái)進(jìn)行吹掃,同時(shí)增加伴熱系統(tǒng)使放空管道的操作溫度在放空氣露點(diǎn)之上。

      3 結(jié)論

      應(yīng)合理選擇火炬放空系統(tǒng)的阻火設(shè)施。通過(guò)火炬放空系統(tǒng)阻火設(shè)施的設(shè)計(jì)和研究,對(duì)于天然氣處理廠和LNG工廠火炬放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出如下建議:

      a)分析全廠氣源,選擇安全、經(jīng)濟(jì)合理的密封氣;

      b)設(shè)置阻火器時(shí),在旁路設(shè)置爆破片;

      c)選擇分子封和阻火器時(shí),操作人員要加強(qiáng)此類設(shè)備的檢修維護(hù)。

      [1]API 521-2007,Guide for Pressure-Relieving and Depressurizing Systems [S].

      [2]SY/T 10043-2002,泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S].SY/T 10043-2002,Guide for Pressure-Relieving and Depressurizing Systems [S].

      [3]GB 50183-2004,石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].GB 50183-2004,Code for Fire Protection Design of Petroleum and Natural Gas Engineering[S].

      [4]向 華,韓 莉.龍崗氣田試采地面工程設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制的探討[J].天然氣與石油,2008,26(6):48-51.Xiang Hua,Han Li.Discussion about Cost Control of Longgang Field Production Test Engineering [J].Natural Gas and Oil,2008,26(6):48-51.

      [5]王 澎.H2S對(duì)天然氣處理設(shè)備的腐蝕及相應(yīng)對(duì)策[J].天然氣與石油,2010,28(2):34-36.Wang Pen.H2S Corrosion of Natural Gas Processing Equipment and the Corresponding Countermeasures [J].Natural Gas and Oil,2010,28(2):34-36.

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