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火炬系統(tǒng)本質安全設計

文檔作者：孟慶海文檔來源：中國石化工程建設有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年10月10日
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★ 石油化工安全環(huán)保技術 ★
2014年第30卷第4期PETIIOCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTA1 PROTECTION FECHNOI ()( Y
專題重宗述
火炬系統(tǒng) “本質安全”
孟慶海
(中國石化工程建設有限公司，北京100101)
摘要：火炬是石化廠處理全廠排放可燃氣體的重要的安全環(huán)保設施。整個火炬系統(tǒng)本
身的安全可靠是全廠各裝置安全可靠運行和滿足環(huán)保要求的重要保證。目前，火炬系統(tǒng)設計
中使用了許多自動控制， 自控儀表的失靈會給全廠帶來安全隱患。火炬系統(tǒng)“本質安全” 設
計理念是解決全廠火炬排放氣諸多不確定因素的重要保證。對石化廠火炬系統(tǒng)中主要的三大
系統(tǒng)“本質安全” 設計提出了應采取的設計方法，對今后同類設計具有借鑒和指導意義。
關鍵詞：火炬系統(tǒng)“本質安全” 設計火炬氣分液罐水封罐水封閥 長明燈
1 “本質安全”
“本質安全” 設計是指通過設計手段使生產
設備或生產系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作
或發(fā)生故障的情況下也不會造成事故。本質安全
這一概念產生于20世紀60年代，最初是由安全
型電氣設備的概念延伸而來，后來逐步擴展為一
種新的安全理念。
火炬系統(tǒng)是處理石油化工裝置事故排放氣和
帶壓無組織排放的可燃氣體，使其燃燒，達到安
全環(huán)保要求的系統(tǒng)。對確保裝置安全生產起著至
關重要的作用。火炬系統(tǒng)，按功能可分為，工藝及
管道系統(tǒng)、分液和水封系統(tǒng)及點火燃燒系統(tǒng)。本文
就以此三個系統(tǒng)，分別論述他們的“本質安全”
設計理念。
2 工藝及管道系統(tǒng)
管道系統(tǒng)的“本質安全” 是指在任何工況
下，都能夠保證所有裝置的泄放氣體能夠順利排
放到火炬，并能夠順利燒掉。
2．1 工藝系統(tǒng)設計
要使管道系統(tǒng)的設計達到本質安全，從工藝
設計的角度講，第一要嚴格控制排入火炬系統(tǒng)的氣
體質量。排人氣體的熱值能達到自行燃燒或在排入
燃燒系統(tǒng)前將熱值調整到能夠自行燃燒；蒸汽、含
油氣量較低的惰性氣體也不能排入火炬設施；有
毒、宜聚合、雜質多的氣體不能排人火炬系統(tǒng)。
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第二，設定合理的管網背壓 J。管道系統(tǒng)的
設計壓力要保證各泄放點泄放的可燃氣體，能夠
順利進入，即能夠滿足各裝置安全閥泄放背壓的
要求 。為避免管道系統(tǒng)的管徑過大，可按實際
需要將管網劃分為幾個不同的壓力等級。
第三，管道直徑應滿足全廠最大排放量要
求。同一事故引起全廠或幾個裝置排放時，應對
各裝置的排放“流量一時間曲線” 進行疊加，取
最大值為該事故時的最大排放量。無排放“流
量一時問曲線” 時，則按照規(guī)范SH 3009的疊加
原則，確定各排放系統(tǒng)和全廠最大排放量。
第四，全廠排放系統(tǒng)管網應該維持一定的正
壓。安全放空系統(tǒng)中排放的可燃氣體通常都具有較
高的溫度，因此為防止系統(tǒng)管網在驟冷時產生負
壓，有必要設置管網壓力檢測和自動補壓設施。
2．2 儀表控制系統(tǒng)
火炬系統(tǒng)的安保部分盡量不使用儀表控制系
統(tǒng)。智能再高、精度再好的儀表也總有壞掉的時
候，火炬系統(tǒng)是石化廠處理全廠可燃排放氣體的最
收稿日期：2014—05—10。
作者簡介：孟慶海，男，1983年畢業(yè)于遼寧石油化
工大學(原撫順石油學院)石油及天然氣儲運專業(yè)，
長期從事煉油廠和石油化工廠儲運系統(tǒng)、輸油管道
及油庫等工程設計和研究工作，現任公司副總工程
師、高級工程師。電話：010—84876537，E—mail：
mengqinghai@ sei．corn．en
8 ★ 石油化工安全環(huán)保技術★ 2014年第30卷第4期
后一道安全防線，不能有任何失誤，必須確保
安全。
2．3 管道安裝
從配管設計的要求講，第一，全廠可燃性氣
體排放系統(tǒng)管網熱補償應采用自然補償，且補償
器宜水平安裝。采用自然補償是最為安全可靠
的，其他形式，諸如波紋管、旋轉補償器、球形
補償器等均存在薄弱環(huán)節(jié)，長期使用容易破損，
導致安全事故，不提倡使用。第二，管道的固定
點要起到真正固定的作用，且設計的固定架要能
夠承受足夠的推力。隨著石化廠的大型化，火炬
管網的管徑也越來越大，管道固定管托在標準圖
集中是找不到的，只是簡單地模仿設計存在隱
患，要經過認真計算校核，確保無誤。
3 分液和水封系統(tǒng)
火炬系統(tǒng)管網中如存在低點，或較長管道的
中點，及火炬氣進入火炬之前應按規(guī)范要求設置
積液罐或分液罐。分液罐的設計關鍵點是能夠將
排放氣中直徑大于600 m的液滴分離出來，防
止火炬燃燒時發(fā)生火雨。
水封是利用水的靜壓密封火炬氣并隔離火炬
與管網的一種裝置，它使水封罐內保持一定的水
位并使火炬氣能自由流出，同時防止水封后氣體
進入火炬氣管網。水封系統(tǒng)是全廠火炬系統(tǒng)和火
炬設施可靠的防回火安全設施。其“本安” 概念
是在任何工況下系統(tǒng)必須保證水封有效。
水封在火炬系統(tǒng)中的作用主要是：
保護系統(tǒng)管網不產生逆燃或回火。當火炬系
統(tǒng)可燃氣壓力過低、排放速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?
或火炬氣中氧氣含量過高等工況出現時，在火炬
及其系統(tǒng)管網中會產生回火或閃爆，這時水封將
起到逆止作用，防止火焰繼續(xù)傳播，保證放空管
網乃至上游各裝置安全。
維持管網正壓，防止空氣進入管網。高溫火
炬氣排放停止時遇到暴雨，管道內氣體溫度驟降
或在排放的火炬氣溫度降到某種組分的相變溫度
時，火炬氣體積急劇變小，管道內會產生負壓，
如果沒有水封或水封的水量不足，則會導致空氣
由火炬頭進入管網系統(tǒng)；還有一種情況是大氣壓
在高程差作用下，小于空氣密度的排放氣體處于緩
慢流動或不流動時，水封罐至火炬頭出口的管段中
會處于負壓狀態(tài)，如果水封的水量不足，則可使整
個排放系統(tǒng)出現負壓，負壓可導致空氣從管道或設
備的腐蝕空洞進入管網，造成安全隱患。
作為壓力控制設備，為保持整個放空系統(tǒng)不
出現負壓工況，不同密度的排放氣體對水封高度
的要求不同，如密度大于或等于空氣密度的放空
氣體充滿火炬筒體時，水封罐內不存在負壓，這
種工況下的水封高度只需滿足管網維持正壓要
求；對于放空氣體密度小于空氣密度工況，需要
適當提高水封高度 。
3．1 水封閥組不能代替水封罐
隨著節(jié)能、環(huán)保意識不斷提高，通常在水封
罐前的放空管網上引出一個支線，送往氣柜和壓
縮機，回收正常生產過程中或小事故引起的小量
排放。而放空管網中的壓力越高，回收的氣體越
多，這就要求水封罐的水封高度足夠高。水封高
度增加太高，在裝置事故放空時水封不能及時撤
到裝置要求的背壓，整個系統(tǒng)將不能正常工作。
因此，設計出了多種水封閥或水封閥組，擬取代
傳統(tǒng)的水封罐。
水封閥組和各種水封閥的主要工作原理是，
正常生產時能夠將水封提到較高的水位，提高了
系統(tǒng)的背壓，使得可燃氣體進入氣柜更加容易，
且能夠更多地回收火炬氣，提高經濟效益；在裝
置事故狀態(tài)下，水封閥組或水封閥能夠在幾秒鐘
內撤除多余的水封，能使裝置順利放空。問題
是，為了盡快撤除水封，水封閥組的水量較少，
在裝置大量放空時，罐內的水被帶走，不能馬上
建立起有效水封，因此防回火功能消失。
3．2 水封系統(tǒng)設計要點
水封系統(tǒng)應該設在分液罐和火炬之間，盡量
靠近火炬。水封距離火炬頭越近，火炬回火爆炸
時的體積空間越小，對系統(tǒng)造成的破壞就越小。
水封罐的設計壓力。根據化學計算，理論上
烴類氣體在密閉空間內發(fā)生爆炸產生的壓力為氣
體壓力(絕)的7～8倍，實驗證實甲烷和乙烷密封
空間的爆炸壓力分別為0．66 MPa和0．68 MPa 。
絕大部分火炬水封罐操作范圍在0～34 kP(表壓)
內?；鹁姘l(fā)生爆炸通常是發(fā)生在排放結束時，此
時水封罐內的壓力接近常壓，同時考慮到設備設
計的許用應力與金屬的強度極限有很大的差距。
因此，規(guī)范中規(guī)定水封罐的設計壓力應大于等于
2014年第30卷第4期 ★ 孟慶海．火炬系統(tǒng)“本質安全” 設計 ★
0．7 MPal
。
3．3 水封高度設計
水封高度取決于水封的目的。用于回收火炬
氣的水封系統(tǒng)，建議采用可靠的水封閥組加水封
罐的流程來實現水封保護。利用水封閥組水封高
度維持回收火炬氣的壓力，水封罐防止系統(tǒng)回火
和產生負壓。
首先，水封高度應確保排放氣體在裝置事故
排放時能沖破水封排人火炬；其次滿足排放系統(tǒng)
在正常生產條件下有效阻止火炬回火。對于燃燒
速度快，如氫氣、乙炔、環(huán)氧乙烷等極速燃燒特
性介質火炬氣，應適當增加水封高度，水封高度
應>1300 mm；對于火炬氣密度≥空氣密度的工
況，水封高度應≥150 mm；而火炬氣密度<空氣>200 mm_2 J。
另外，為防止水封罐前的管道由于高溫工況遇
降雨，管道內氣體產生驟冷，導致整個管網出現負
壓，規(guī)范要求水封罐內應有足夠的水量，有效水封
量應至少能夠在放空總管產生負壓時，滿足水封罐
人口立管3 m充水量。
為了保證水封罐內的有效水量，設計時要使
水封罐具有一定的分水功能；同時要保證水封罐
內氣體水平流速不超過臨界速度。
還有一種工況設計時必須考慮，就是排放氣
體的溫度大于100℃時，排放的氣體會使水蒸發(fā)
而減少有效水封的水量，這時自動補水是保證水
封罐有效水封的實用方法。
3．4 水封罐的補水設計
水封罐在任何狀態(tài)下都必須保持水封有效。一
般要做到兩點：一是正常工況下，保持水封罐常流
水。水量可通過限流孑L板限制，流量為U形溢流
管自流能力的50％ 。二是在事故狀態(tài)下，水封罐
應設低液位聯鎖自動補水措施，保持水封的水位。
3．5 溢流管的設計
溢流管除了排出水封所需多余的水外，還應
有撇油作用，一般設計成U型。在沒有火炬氣放
空的情況下，水封罐內的壓力為火炬簡體內物料
自重產生的壓力或者是由于密度小于空氣的火炬
氣產生的負壓。為保證最大排放量時溢流管不與
大氣直接連通，規(guī)范要求溢流管的水封高度應大
于水封罐內氣體空間的最大操作壓力的1．75倍。
9
4 燃燒系統(tǒng)
任何情況下都要保證排放氣通過火炬頭時能
夠燃燒。長明燈長明是此系統(tǒng)“本安” 理念的重
要保證。
火炬系統(tǒng)的排放氣具有不確定性，時間不定、
排放量不定、排放介質性質不定等。同時要求整個
系統(tǒng)在任何工況下都能夠隨時點燃排放氣。自動點
火具有一定的優(yōu)越性，可以節(jié)省長明燈常燃的燃料
氣，但是電子的東西總是具有一定的不安全因素，
任何一個自動點火系統(tǒng)都不能保證100％的點火成功
率，而長明燈時刻長明，全天候，是最可靠的選擇。
長明燈要采用清潔燃料氣，有條件可以用天
然氣作為點火源。采用煉廠高壓燃料氣時必須經過
脫硫處理，且點火設施前應加過濾器，避免長明燈
管道和長明燈節(jié)流孔板堵塞，同時實現清潔燃燒。
燃燒系統(tǒng)是火炬設施的核心。主要包括火炬
頭、點火器、密封器、助燃消煙等輔助設備。
國內外火炬頭的形式很多，結構復雜，各有
特色，關鍵點是能夠使排放氣充分燃燒。一般情況
下，全廠緊急事故最大排放工況火炬頭出口的馬赫
數應小于等于0．5；無煙燃燒時火炬頭出口的馬赫
數宜取0．2；處理酸性氣體的火炬頭出口馬赫數宜
小于或等于0．2。其它輔助設備應根據需要配備。
點火裝置是火炬安全運行的關鍵。火炬系統(tǒng)
應配備可靠的點火控制系統(tǒng)，要有遠程高空自動
點火、遠程高空手動點火和地面?zhèn)魅际近c火等多
種點火方式。
5 結語
火炬設施是石化廠處理全廠可燃氣體排放氣
重要的安全環(huán)保設施。火炬排放氣具有時間不
定、排放量不定、排放介質性質不定等諸多不確
定性。整個系統(tǒng)本身的安全可靠是全廠各裝置安
全可靠運行的重要保證。石化廠火炬系統(tǒng)的本質
安全設計理念和措施應得到貫徹和落實。
參考文獻：
[2]
[3]
王松漢．石油化工設計手冊第4卷工藝
和系統(tǒng)設計[M]． 北京：化學工業(yè)出版
社．2002．
SH 3009—2013石油化工可燃性氣體排放
系統(tǒng)設計規(guī)范[s]．
趙衡陽． 氣體和粉塵爆炸原理[M]． 北
京：北京理工大學出版社，1966：35．36．</空氣>

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