氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)故障分析及技術(shù)改造

陳鳳壯，吳桂波，梁其奮

(海洋石油富島有限公司，海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司(簡(jiǎn)稱富島公司)化肥一部擁有1套以天然氣為原料的年產(chǎn)30萬(wàn)t合成氨裝置，采用ICI-AMV工藝。裝置設(shè)有氨罐區(qū)，在尿素裝置停車或當(dāng)氨產(chǎn)量超過(guò)尿素裝置的需要時(shí)貯存成品液氨。氨罐區(qū)包括2個(gè)3 667 m3氨罐、小冰機(jī)、氨泵、氨加熱器、氨火炬、呼吸槽等主要設(shè)備。

氨火炬通過(guò)天然氣進(jìn)行引燃，用于處理正常操作時(shí)常壓氨罐區(qū)連續(xù)、間歇,以及事故或非正常工況下排放氣氨，共有3個(gè)長(zhǎng)明燈等角度分布在火炬排放口周圍，火炬高28 m，筒體從下往上分為3段，由粗到細(xì)分布，直徑分別為1 524.0 mm、914.4 mm、558.8 mm。進(jìn)入氨火炬的介質(zhì)共有3路，分別是氨罐氣氨放空管、罐區(qū)氣氨放空總管和罐區(qū)液氨排放總管。氨火炬燃燒器引燃天然氣也分3路，分別為氨火炬頂部長(zhǎng)明燈燃?xì)夤?、進(jìn)入氣氨放空管的摻燒管線和氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)燃料管線。氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)采用地面爆燃點(diǎn)火方式，由天然氣和壓縮空氣按一定的配比混合形成爆燃性氣體，通過(guò)電弧打火爆燃后再通過(guò)3根傳焰管引燃氨火炬頂部長(zhǎng)明燈。

1 存在的問(wèn)題

(1) 點(diǎn)火成功率低，火焰不穩(wěn)定。

近幾年，氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火成功率極低，甚至無(wú)法正常使用。由于氨火炬主火炬僅在有氣氨放空時(shí)點(diǎn)燃，而進(jìn)入氨火炬中的氣氨并不連續(xù)，因此不能保證主火炬長(zhǎng)期燃燒，大多時(shí)候僅有長(zhǎng)明燈在燃燒。實(shí)際使用過(guò)程中長(zhǎng)明燈存在火焰不穩(wěn)定，易熄滅的問(wèn)題。由于點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火成功率低，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈，無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)急點(diǎn)火，進(jìn)入氨火炬的氣氨無(wú)法燃燒，而是直接排放至大氣，對(duì)環(huán)境造成影響。為了加快點(diǎn)火速度，操作人員不得不爬上火炬頂部用火把點(diǎn)火，既增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又存在較大的高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 氨火炬堵塞。

由于點(diǎn)火成功率低，操作人員有時(shí)會(huì)在氣氨放空管線內(nèi)加入天然氣進(jìn)行摻燒，一方面可以保證火焰的連續(xù)穩(wěn)定性，另外一方面可以通過(guò)主火炬燃燒反向點(diǎn)燃熄滅的長(zhǎng)明燈。但由于天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2和放空氣中的NH3容易發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氨基甲酸銨白色固體結(jié)晶使得氨火炬發(fā)生多次堵塞，影響氨罐區(qū)系統(tǒng)的正常排放。

2 原因分析

分析氨火炬點(diǎn)火成功率不高的主要原因有傳焰管堵塞、傳焰距離較長(zhǎng)、點(diǎn)火技術(shù)落后。

(1) 傳焰管堵塞。

原有地面爆燃點(diǎn)火裝置及傳焰管均使用碳鋼材質(zhì)，且傳焰管連接彎頭較多，容易造成雜質(zhì)累積?，F(xiàn)場(chǎng)割開(kāi)一段傳焰管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)腐蝕情況嚴(yán)重，存在大量鐵屑雜質(zhì)，特別是在彎頭處堵塞情況嚴(yán)重。檢查點(diǎn)火系統(tǒng)前空氣和燃?xì)夤芫€過(guò)濾器，同樣發(fā)現(xiàn)大量雜質(zhì)(見(jiàn)圖1)。

圖1 氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)傳焰管堵塞

(2) 傳焰距離較長(zhǎng)。

點(diǎn)火系統(tǒng)的燃?xì)夂涂諝夤芫€,以及3根傳焰管的直徑均為25.4 mm，點(diǎn)火壓力為0.1 MPa，每根傳焰管長(zhǎng)度約81 m，由16個(gè)直角彎頭連接。氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)安裝之初雖然可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，但是該設(shè)計(jì)存在傳焰動(dòng)力不足的潛在隱患。由于傳焰阻力增加，傳焰動(dòng)力不足的問(wèn)題日益顯現(xiàn)，檢查顯示實(shí)際傳焰距離為35～40 m，火焰無(wú)法順利傳至長(zhǎng)明燈，從而造成點(diǎn)火失敗。

(3) 點(diǎn)火技術(shù)落后。

地面爆燃點(diǎn)火技術(shù)中空氣和燃?xì)獾呐浔仁株P(guān)鍵，實(shí)際使用中大多存在點(diǎn)火成功率不足的問(wèn)題[1-2]，而原有的點(diǎn)火系統(tǒng)中空氣和燃?xì)饩鶠閴毫刂?，沒(méi)有安裝流量指示計(jì)，無(wú)法有效控制空氣和燃?xì)獾牧髁颗浔龋瑢?dǎo)致操作人員點(diǎn)火成功率不高。此外,富島公司一期氨火炬已投用23 a且一直沒(méi)有進(jìn)行改造，僅有1套地面爆燃傳焰式點(diǎn)火裝置，沒(méi)有備用點(diǎn)火裝置，不符合相關(guān)規(guī)范要求。地面爆燃點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)明顯落后，點(diǎn)火成功率明顯低于高能點(diǎn)火器。

3 技術(shù)改造

針對(duì)以上問(wèn)題，富島公司一期先后對(duì)氨火炬進(jìn)行點(diǎn)火室移位改造和點(diǎn)火系統(tǒng)更新改造。

3.1 點(diǎn)火室移位

將地面爆燃點(diǎn)火系統(tǒng)，包括相關(guān)管線的閥組整體向火炬方向遷移，具體遷移位置見(jiàn)圖2。同時(shí),將點(diǎn)火室后的傳焰管全部更換直徑為25.4 mm的不銹鋼管。技術(shù)改造后的點(diǎn)火室與氨火炬的實(shí)際距離為2.5 m，點(diǎn)火室至氨火炬頂部的傳焰管實(shí)際長(zhǎng)度為31 m左右，相比改造前的傳焰管長(zhǎng)度減少了近50 m，其中每根傳焰管的直角連接彎頭減少了8個(gè)。

圖2 氨火炬點(diǎn)火室移位改造圖

3.2 點(diǎn)火系統(tǒng)改造

(1) 新增3個(gè)高空高能點(diǎn)火器。

針對(duì)現(xiàn)有地面爆燃點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火成功率不高，且沒(méi)有第二種點(diǎn)火方式的情況，在每個(gè)長(zhǎng)明燈配套新增1個(gè)S31008材質(zhì)的高能點(diǎn)火器，通過(guò)點(diǎn)燃高能點(diǎn)火器后引燃長(zhǎng)明燈，進(jìn)而點(diǎn)燃主火炬(見(jiàn)圖3)。高能點(diǎn)火系統(tǒng)主要包含高空高能點(diǎn)火器、高壓發(fā)生器組、高壓抗腐蝕電極、金屬裸線、高壓石英連接裝置、高壓電纜等部件(見(jiàn)圖4)。高能點(diǎn)火器采用內(nèi)傳遞、負(fù)壓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有定向?qū)Щ?、點(diǎn)火可靠、自然配風(fēng)等特點(diǎn)。高能點(diǎn)火器的工作原理是利用防風(fēng)傳焰筒內(nèi)的少量燃?xì)鈱⒒鹪囱b置中的電弧火花上傳，點(diǎn)燃出口處火焰噴嘴的燃?xì)?，形成二次火源。該設(shè)計(jì)使得火源裝置遠(yuǎn)離火焰區(qū)，可有效提高火源裝置的使用壽命，同時(shí)也加大了點(diǎn)燃火炬的二次火源能量，提高點(diǎn)火可靠性。高壓發(fā)生器采用內(nèi)封閉式雙極點(diǎn)火設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)輸出±7.5 kV 電壓經(jīng)兩電極放電，當(dāng)裝置內(nèi)部某部分繞組出現(xiàn)故障時(shí)，高空點(diǎn)火器兩電極中的某一電極仍能對(duì)地放電實(shí)現(xiàn)正常點(diǎn)火，能在大風(fēng)、大雨、大霧潮濕、高溫等惡劣環(huán)境下使用。高壓輔助系統(tǒng)采用裸導(dǎo)線配合石英設(shè)計(jì)，具有抗高溫、抗腐蝕、抗氧化、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

圖3 氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)改造流程圖

(a) 改造前的地面爆燃點(diǎn)火系統(tǒng)

高空高能點(diǎn)火器操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際點(diǎn)火成功率超過(guò)95%，點(diǎn)火步驟為：①確認(rèn)燃料氣正常；②把點(diǎn)火切換開(kāi)關(guān)切換到手動(dòng)，確認(rèn)高壓發(fā)生器工作正常；③把點(diǎn)火切換開(kāi)關(guān)切換到一鍵點(diǎn)火；④按下一鍵點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)火器與長(zhǎng)明燈手閥，點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈；⑤若長(zhǎng)明燈沒(méi)有被點(diǎn)燃，應(yīng)關(guān)閉點(diǎn)火器與長(zhǎng)明燈手閥，等待3～5 s后，再次重復(fù)第④步操作，重復(fù)次數(shù)不得大于3次。

(2) 更換1套地面爆燃點(diǎn)火器。

新地面爆燃點(diǎn)火器采用S30408材質(zhì)，主要包含切斷閥、減壓閥、壓力表、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、爆燃室、傳焰管等部件。新裝置在空氣管線和燃?xì)夤芫€上均設(shè)置有流量計(jì)，運(yùn)用調(diào)壓穩(wěn)流技術(shù)保證混合氣體的配比濃度，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的指示準(zhǔn)確調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，確定燃?xì)夂涂諝馀浔群蟊３植蛔?，確保點(diǎn)火成功率。

(3) 更換3套節(jié)能型長(zhǎng)明燈。

原長(zhǎng)明燈火焰管線存在管線堵塞、燃燒頭損壞、易熄滅問(wèn)題，對(duì)3套長(zhǎng)明燈全部進(jìn)行更換。長(zhǎng)明燈通過(guò)調(diào)節(jié)合適的燃?xì)饪諝饣旌媳壤⒈３忠欢ǖ某隹谒俣忍嵘癸L(fēng)能力，同時(shí)通過(guò)減小燃?xì)鈬娍壮叽鐚?shí)現(xiàn)節(jié)約燃?xì)獾哪康摹?/p>

4 改造效果

改造完成后，點(diǎn)火成功率大大提高，改造數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改造前后主要參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

富島公司化肥一部氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)單一且技術(shù)落后，點(diǎn)火成功率較低，操作人員不得不通過(guò)點(diǎn)燃火把引燃長(zhǎng)明燈的方式點(diǎn)燃火炬，不但無(wú)法及時(shí)點(diǎn)燃火炬且大大增加操作風(fēng)險(xiǎn)。為解決此問(wèn)題，從燃料氣熱值、爆燃?xì)鈮毫?、傳焰管堵塞、傳焰管長(zhǎng)度及點(diǎn)火技術(shù)方面進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)2次改造，成功地解決了氨火炬點(diǎn)火系統(tǒng)的故障問(wèn)題，提高了氨罐區(qū)氨火炬運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性。