李曉芳，盧立祥

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

火炬系統(tǒng)結冰分析與防護措施

李曉芳，盧立祥

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

針對工程設計項目中火炬系統(tǒng)可能產(chǎn)生結冰情況的分析，指出其影響原因及危害程度，并提出相應的防護措施以保證火炬系統(tǒng)的安全運行。

火炬系統(tǒng)；排放氣；結冰分析；負壓；防護措施

火炬系統(tǒng)由火炬氣排放管網(wǎng)系統(tǒng)和火炬裝置組成[1]，其自身工藝技術的安全性非常重要，如排放不暢，就有可能造成爆炸的危險，對人員和設備構成巨大威脅。

本文結合工程設計某煤制烯烴項目火炬系統(tǒng)，分析其中設置的高壓富氫火炬系統(tǒng)可能產(chǎn)生結冰的情況及危害程度，并提出相應的防護措施以保證火炬系統(tǒng)的安全運行。

1 結冰分析

煤制烯烴項目是一個聯(lián)合裝置，包括煤氣化裝置、合成氣凈化裝置、甲醇合成、甲醇制烯烴（MTO）裝置、PP裝置及PE裝置。因此，火炬系統(tǒng)的設置需根據(jù)各裝置正常工況、開停車工況、事故工況火炬排放條件分析來確定?；诟餮b置火炬氣的排放量、排放氣組成及排放壓力三個因素，在全廠設置了三套火炬系統(tǒng)：即高壓富氫火炬系統(tǒng)、低壓重烴火炬氣系統(tǒng)、酸性火炬氣系統(tǒng)。其中，高壓富氫火炬系統(tǒng)的排放條件見表1。

表1 高壓富氫火炬系統(tǒng)排放條件表

由表1發(fā)現(xiàn)高壓富氫火炬系統(tǒng)排放氣中含H2O 57.93%（V），若溫度降低就會有大量水蒸氣冷凝、結冰。以下再結合高壓富氫火炬系統(tǒng)的走向示意圖（見圖1），對火炬系統(tǒng)結冰情況進行分析。

1.1 氣化裝置排放的影響

由于氣化爐上噴嘴的壽命只有50d左右，氣化爐投用后50d，就要停車更換噴嘴，之前啟動備用氣化爐，備用爐需逐步升壓至正常生產(chǎn)，過程中氣體需放空去火炬系統(tǒng)，排放溫度241℃，含57.93%(V)飽和水。平均每10d有一臺爐進行開停車排放一次，排放氣組成見表1，排放量5×10-5Nm3/h（負荷60%～70%）。冬季氣溫較低時該排放氣在管線中會發(fā)生冷凝、結冰。

另外，從圖1火炬系統(tǒng)走向圖中看出，氣化裝置在排放氣體時，凈化裝置及甲醇合成裝置部分的火炬管線成了死區(qū)和盲端，氣體在一定時間里會擴散充滿全管線，因此會有排放氣體流入盲端，不斷冷凝，在寒冷的氣候下會結冰，并且隨著排放時間的增長結冰厚度增加。而且，正常生產(chǎn)情況下甲醇合成裝置與凈化裝置不排放火炬氣，火炬管在盲端中形成的結冰得不到融化，經(jīng)過氣化裝置的幾次開停車，盲端的火炬管很有可能被結冰堵塞，此時，若甲醇合成裝置、凈化裝置發(fā)生事故需安全閥排放，如排放不暢，就有可能造成火炬管線損壞事故甚至影響到裝置的安全生產(chǎn)。

在氣化裝置內，由于沒有設置火炬氣體分液罐，裝置內產(chǎn)生的火炬氣凝液需排入全廠火炬總管。而氣化爐的頻繁開停車，排放氣將充滿整個火炬系統(tǒng)，此時，在氣化裝置內安全閥及火炬管存在盲區(qū)，同樣在冬季這些盲區(qū)會產(chǎn)生冷凝、結冰甚至堵塞的可能，對安全閥的事故排放造成安全隱患。

1.2 凈化裝置排放的影響

凈化裝置每一次開車都要向火炬系統(tǒng)排放，使系統(tǒng)逐步升壓穩(wěn)定后再停止排放，排放氣體組成和溫度與氣化裝置相同，由于排放氣是高溫氣體且含有大量的飽和水，溫度的降低將產(chǎn)生大量的水，遇冬季氣溫低時可能產(chǎn)生結冰現(xiàn)象。

在凈化裝置內，由于沒有設置火炬氣體分液罐，在裝置內安全閥及火炬管存在盲區(qū)，冬季這些盲區(qū)會產(chǎn)生冷凝、結冰堵塞管道，不利于安全閥的順暢排放。

1.3 產(chǎn)生負壓的影響

氣化裝置、凈化裝置排出含H20 57.93%(V)的富氫火炬氣，在流速低于一定值時管網(wǎng)中氣體的壓力小于2kPa（表壓）,由于水封的阻擋，氣體滯留在高壓富氫管網(wǎng)中，當氣體壓力為2kPa（表壓）、溫度降到85℃時，水蒸氣瞬間冷凝，負壓產(chǎn)生。這時如環(huán)境溫度為-31.4℃（當?shù)貥O端最低氣溫），冷凝水會繼續(xù)冷卻直至結冰，經(jīng)過計算極端負壓約為-81 kPa(表壓)。計算過程如下：

高壓富氫水封閥的最小水封值為300mm，安全水封罐的水封值為200mm，這意味著高壓富氫火炬管網(wǎng)中壓力小于2kPa（表壓）時，就不能沖破水封排到火炬筒。氣化裝置排出的火炬氣中含H2O 57.92%，其余42.08%為不凝氣。環(huán)境溫度按照極端最低溫度-31.4℃考慮。

因此，在2kPa（表壓）時，H2O的分壓為（2+101.3）×0.5792=59.83kPa（絕壓）

不凝氣分壓為（2+101.3）-59.83=43.47kPa（絕壓），

把不凝氣體作為理想氣體，且取1m的火炬氣進行分析：

則不凝氣的分體積為0.4208m3，待水蒸氣冷凝之后，不凝氣體充滿1m3的空間。

此時，對于不凝氣體，狀態(tài) 1：P1=103.3kPa（絕壓），V1=0.4208m3，T1=241℃

狀態(tài) 2：P2，V2=1m3，T2=-31.4℃根據(jù)狀態(tài)方程PV=nRT得

即管網(wǎng)系統(tǒng)壓力為19.41kPa（絕壓）用負壓表示為 -81.89kPa（表壓）。

管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生負壓，會出現(xiàn)管道抽癟的可能，另外，若火炬區(qū)水封罐水封高度不夠，一旦發(fā)生回火則有爆炸的危險。

即使原來在高壓富氫火炬管系中共有7根DN25（氣化裝置）、2根DN40（甲醇合成裝置）及1根DN50（全廠管網(wǎng)）的連續(xù)充氮管，按設計流速0.03m/s（火炬氣管內流速）計算，連續(xù)充氮量600Nm3/h左右，也不能克服瞬間的負壓值。

2 防護措施

根據(jù)以上分析高壓富氫火炬系統(tǒng)中如果發(fā)生氣體冷凝、結冰，沒有得到及時排出造成的安全隱患，需設置相應的防護措施，以確保生產(chǎn)的安全運行。

2.1 為防止甲醇合成裝置、凈化裝置的火炬系統(tǒng)在氣化裝置正常開停車時排放形成的盲端冷凝、結冰，給這兩套裝置火炬排放帶來安全隱患，采取對甲醇合成裝置盲端至氣化裝置1041m這一段高壓富氫火炬管線進行蒸汽伴熱保溫。

另外，在距甲醇合成裝置火炬盲端1041m處設置第一套分離液罐，及時將這一段管道中凝液分離出去。

分離液罐的尺寸以排放物流中最大排液量計算，儲存10～30min的排液量[2]，由計算設計容積為7m3的分離液罐，帶外蒸汽盤管加熱。并對分液罐的氣、液相管線進行蒸汽伴熱防止發(fā)生管線內部結冰。分液罐上設有液位報警，當液位達到50%時發(fā)出報警，報警信號送到全廠火炬控制室。

2.2 考慮高壓富氫火炬氣在出氣化裝置和凈化裝置之前沒有設置分離液罐，距火炬界區(qū)管線還有1739m，采取在這一段管道設置2套分離液罐，距第一套分離液罐700m處設置第二套分離液罐，距第二套分離液罐700m處設置第三套分離液罐，將這一段管線中排放后滯留在管線中的凝液分離出去，分離液罐的大小和液位控制同第一套分離液罐。

2.3 從氣化裝置、凈化裝置排出的高壓富氫火炬氣管線以及火炬排放總管設計壓力為0.48MPa（表壓），沒有考慮當火炬排放結束時滯留在管線中的水蒸氣冷凝時（環(huán)境溫度按極端最低溫度-31.4℃考慮）對整個火炬系統(tǒng)產(chǎn)生-81.89kPa（表壓）負壓的情況，為克服該負壓對管網(wǎng)及火炬系統(tǒng)的影響，需要采取以下措施：

1）在高壓富氫火炬管線上增設3套事故緊急補充氮氣切斷閥，通過對管道壓力的檢測，進行緊急補氮。當檢測到火炬氣管線中的壓力低于-2kPa（表壓），連鎖緊急補充氮氣切斷閥向管道中緊急充氮，當管道壓力升至1kPa（表壓）時，停止補氮。

2）在高壓富氫火炬管線上增設加強圈，防止管道抽癟。

3）在火炬區(qū)內提高火炬系統(tǒng)有效水封的高度，即火炬氣進水封罐的進氣立管的高度要求大于8m，防止回火事故的發(fā)生。

3 結論

近年來，隨著石油化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴大，以及聯(lián)合化工裝置的發(fā)展趨勢，安全泄放的排放量越來越大，火炬系統(tǒng)自身的安全也越來越重要。當火炬系統(tǒng)所擔負的排放裝置越多、排放量越大時，火炬氣成份的復雜性、生產(chǎn)裝置運行的多變性和排放的及時性，都對火炬系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求，對火炬系統(tǒng)工藝技術的選擇和優(yōu)化必須進行充分細致的考慮，這不僅決定了火炬系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，也決定各裝置的平穩(wěn)運行。

通過對某煤制烯烴項目建設的高壓富氫火炬系統(tǒng)存在結冰分析并提出及增設了相應防護措施，為該聯(lián)合裝置的安全運行提供了更有力的保障，同時對今后寒冷地區(qū)火炬系統(tǒng)的優(yōu)化設計起了非常重要的指導意義。

［1］石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范[S].SH 3009-2001，中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會，2002，3.

［2］化工裝置工藝系統(tǒng)工程設計規(guī)定[S].HG 20559-93，中華人民共和國化學工業(yè)部，1994，8.

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.05.015

TQ086.2

B

1008-1267（2010）05-042-03

2009-05-19

李曉芳（1978-），女，工程師，主要研究方向為精細化工、石油化工設計