蔡榮　趙順喜

摘 要：為防止LNG接收站火炬放空時(shí)發(fā)生回火爆炸事故，對(duì)火炬放空系統(tǒng)回火工況及阻火措施進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)石油化工天然氣行業(yè)中常用阻火措施的原理、特性、使用的局限性及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)LNG接收站火炬系統(tǒng)阻火設(shè)施的選用提出了建議?；鹁骖^應(yīng)帶有連續(xù)吹掃氣的阻火設(shè)施；動(dòng)密封器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種本質(zhì)性防回火措施，在LNG火炬放空系統(tǒng)中使用有一定的優(yōu)勢(shì)；分子封因其結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在LNG火炬系統(tǒng)中使用有一定的局限性；LNG火炬放空系統(tǒng)設(shè)置阻火器需慎重。

關(guān)鍵詞：LNG接收站；防回火；阻火設(shè)施；動(dòng)密封；分子封

前言

LNG 接收站工藝系統(tǒng)并不復(fù)雜，但是確保其安全運(yùn)行尤為重要。火炬系統(tǒng)是液化天然氣接收站的安全設(shè)施，對(duì)安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，要求生產(chǎn)裝置在正?；蚴鹿逝欧艜r(shí)能夠及時(shí)通過(guò)火炬系統(tǒng)排放燃燒，并滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。同時(shí)，液化天然氣接收站火炬放空系統(tǒng)自身的安全性也非常重要。因此，正確選擇火炬放空系統(tǒng)中防回火設(shè)施的顯得極為重要。

1 LNG接收站工藝及火炬系統(tǒng)工藝介紹

由于LNG 從周圍環(huán)境中吸收熱量，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)不斷形成一些蒸發(fā)氣，這種蒸發(fā)氣就是BOG（Boil Off Gas）。LNG 儲(chǔ)罐產(chǎn)生的蒸發(fā)氣通過(guò)蒸發(fā)氣總管進(jìn)入BOG 壓縮機(jī)進(jìn)行升壓，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后的蒸發(fā)氣進(jìn)入再冷凝器與從儲(chǔ)罐送出的LNG 混合后，冷凝成LNG。LNG進(jìn)入高壓泵入口管線，再經(jīng)加壓氣化后外輸[1]。

在正常操作工況下，沒(méi)有蒸發(fā)氣排放至火炬燃燒，火炬用于處理蒸發(fā)氣總管超壓排放的低壓氣體。當(dāng)LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間超壓，蒸發(fā)氣流量高于壓縮機(jī)或再冷凝器的處理能力時(shí)，BOG 壓縮機(jī)不能控制且壓力超過(guò)泄放閥設(shè)定值時(shí)，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)多余蒸發(fā)氣將通過(guò)泄放閥泄壓。如果直接排放出工藝氣體會(huì)在工藝區(qū)擴(kuò)散，存在一定的安全隱患；其次直接放空排出的甲烷氣體，產(chǎn)生溫室效應(yīng)遠(yuǎn)大于通過(guò)火炬燃燒后排放對(duì)環(huán)境影響；第三深圳地區(qū)為雷暴多發(fā)地，甲烷氣體直接排放，在泄放過(guò)程中若遇雷暴天氣，則存在有爆炸危險(xiǎn)，對(duì)接收站人員財(cái)產(chǎn)安全不利。因此火炬系統(tǒng)要能夠?qū)⑸a(chǎn)裝置開停車、正常生產(chǎn)及事故工況的各種易燃、易爆、有毒、有害氣體及時(shí)、安全、可靠地通過(guò)火炬系統(tǒng)泄放、燃燒，處理后的污染物排放完全滿足國(guó)家相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)之要求。

2 火炬系統(tǒng)回火工況分析

火炬排放系統(tǒng)是液化天然氣接收站的安全設(shè)施。事故狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)排放的烴類氣體和向火炬頭頂端倒流入火炬放空系統(tǒng)的空氣溫合空氣、混合后，其濃度達(dá)到了爆炸下限，同時(shí)遇到明火時(shí)，火炬放空系統(tǒng)即發(fā)生回火爆炸。當(dāng)排放氣體總管或火炬系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象時(shí)，火炬筒頂部正在燃燒著的明火可能返回到火炬筒體直至相連的排放氣體總管和設(shè)備內(nèi)，也會(huì)引起爆炸事故。

回火工況主要有以下三種[2]：

（1）當(dāng)工廠停運(yùn)，吹掃氣斷流失去密封時(shí)，火炬筒體及放空管內(nèi)存留的烴類氣體和來(lái)自火炬頭頂端倒流入火炬放空系統(tǒng)的空氣混合，在達(dá)到爆炸下限時(shí)，立刻發(fā)生爆炸。

（2）在火炬點(diǎn)火過(guò)程中，由于未置換盡火炬放空系統(tǒng)中的空氣和放空的烴類氣體混合，且處于爆炸下限，此時(shí)點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈有可能引發(fā)回火爆炸。

（3）當(dāng)火炬在燃燒過(guò)程中，排放氣量急劇減少，流速很低，火炬及放空管直徑又偏大時(shí)，吹掃氣量不足，不能將大氣中的空氣阻止在火炬頭外，空氣倒流入火炬放空系統(tǒng)，當(dāng)達(dá)到爆炸下限，即刻發(fā)生回火爆炸。

3 防止火炬系統(tǒng)回火和爆炸的措施

為防止燃燒爆炸事故的發(fā)生，防止火炬系統(tǒng)回火，火炬放空系統(tǒng)中阻火設(shè)施的有效性顯得極為重要。目前國(guó)內(nèi)外化工及煉油企業(yè)采取以下措施來(lái)防止火炬回火[3]：

（1）向火炬系統(tǒng)內(nèi)吹氣，在任何情況下使火炬系統(tǒng)內(nèi)排放流量均保持某一最小值以上。

（2）火炬底部附近采用水封或在火炬筒頂部采用氣體密封，并注入一定量的密封氣體，防止火焰從火炬頂部倒入火炬筒體及排放總管內(nèi)，以達(dá)到防止回火的目的。

（3）設(shè)阻火器、壓力表及阻火器吹掃設(shè)施。

在石油化工企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中常用防回火措施包括：動(dòng)態(tài)密封器、火炬頭設(shè)置分子封、水封罐、緊急吹掃設(shè)施、阻火器。下面就常見的幾種防回火措施進(jìn)行對(duì)比。

3.1 放空氣體壓力高于大氣壓

應(yīng)保證火炬放空系統(tǒng)放空氣體壓力高于大氣壓。在此工況下即使火炬未放空，但只要在靠近火炬頭處連續(xù)注入吹掃氣（燃料氣或惰性氣體），就可以維持火炬系統(tǒng)微正壓。如果火炬頭未設(shè)吹掃氣密封，注入氣體的最小流速約為0.2～0.3m/s即可阻火。由于連續(xù)注入的吹掃氣量要求較大，從經(jīng)濟(jì)性和可行性上考慮，這種阻火方式常被淘汰。

3.2 火炬頭設(shè)動(dòng)態(tài)密封器

動(dòng)態(tài)密封器是一個(gè)簡(jiǎn)單的錐形幾何結(jié)構(gòu)，集成在火炬頭底部，不增加火炬頭幾何尺寸和風(fēng)載荷，非獨(dú)立設(shè)備。根據(jù)API521中對(duì)速度型密封的描述，速度型密封也就是我們常說(shuō)的動(dòng)態(tài)密封。速度型密封要求吹掃氣體速度在通過(guò)火炬頭時(shí)達(dá)到0.006～0.012m/s[4]。

動(dòng)密封器是一種本質(zhì)性防回火措施，動(dòng)密封工作原理為：當(dāng)空氣沿火炬頭內(nèi)壁進(jìn)入火炬筒體時(shí)，由于密封擋板的作用，空氣逐漸改變方向，逆行流動(dòng)回退至密封器的頂部；同時(shí)，帶壓的密封氣體由火炬頭下部流動(dòng)至密封器處，隨著進(jìn)入密封器中相對(duì)細(xì)小的位置，密封氣體的流動(dòng)速度也隨著增至最大，最終到達(dá)密封器的頂部噴射而出。這樣，帶有較高速度的密封氣體把進(jìn)入到密封器頂部的空氣不斷挾帶著，回噴至火炬頭頂部，進(jìn)入大氣中，從而達(dá)到防止回火的目的。氮?dú)饣蛉剂蠚舛伎勺鳛槊芊鈿怏w。

3.3 火炬頭設(shè)分子封

分子封即分子密封器，是一個(gè)具有迷宮型鐘罩結(jié)構(gòu)的單獨(dú)設(shè)備。通入吹掃氣密封的流量是影響分子封效果的主要因素，密封氣的設(shè)計(jì)流量可按照其在火炬出口處流速0.015～0.05m/s計(jì)算求得。

分子封防回火的原理是：當(dāng)火炬處于停工或小流量工作時(shí)，連續(xù)從火炬總管補(bǔ)充比空氣輕的氮?dú)饣蚣淄?，利用吹掃氣體的浮力在分子封內(nèi)形成一個(gè)壓力高于大氣壓的區(qū)域，這樣使火炬外面的空氣不能進(jìn)入壓力較高的火炬內(nèi)部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發(fā)生內(nèi)部爆炸事故。分子封的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：

（1）復(fù)雜的迷宮型鐘罩結(jié)構(gòu)，幾何尺寸大，風(fēng)載荷大，是單獨(dú)的設(shè)備，需要設(shè)計(jì)檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強(qiáng)度性能。

（3）分子封底部設(shè)置排液和清污口，保證分子封通道內(nèi)部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴(yán)寒的冬季發(fā)生排液管凍結(jié)事故。否則結(jié)冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴(yán)重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時(shí)火炬頭出口總要保持一個(gè)流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據(jù)API521對(duì)浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說(shuō)的分子封，設(shè)計(jì)要求分子封吹掃氣體速度在通過(guò)火炬頭時(shí)需要達(dá)到0.003m/s的流速[4]。

火炬設(shè)置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來(lái)，分子封由于其本身具有一定的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大量運(yùn)用在各種低壓火炬上。但是分子封的結(jié)構(gòu)也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷破壞，造成堵塞。因此國(guó)外的某些公司規(guī)定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過(guò)60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因?yàn)橐夯烊粴鉁囟仍诘竭_(dá)火炬系統(tǒng)時(shí)溫度依然遠(yuǎn)低于0℃，這樣勢(shì)必導(dǎo)致分子封底部的排污口結(jié)冰而無(wú)法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設(shè)水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應(yīng)用于煉油廠火炬放空系統(tǒng)。但是水封罐有其局限性，當(dāng)放空氣體為低溫氣體時(shí)水封罐可能結(jié)冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內(nèi)液體也容易結(jié)冰，此時(shí)需要注入防凍劑。水封罐還會(huì)增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動(dòng)[5]。當(dāng)放空量較小時(shí)，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無(wú)法對(duì)上游側(cè)的放空管進(jìn)行回火保護(hù)?；谝陨显?，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的天然氣處理廠已經(jīng)很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運(yùn)用

用于常量吹掃的氮?dú)夂头肿臃?、?dòng)態(tài)密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統(tǒng)形成爆炸性混合氣體。氮?dú)獾木o急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統(tǒng)內(nèi)因冷卻形成負(fù)壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮?dú)夤芫€上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號(hào)控制，或者由火炬頭溫度信號(hào)控制。氮?dú)饪偣芫€上設(shè)精密藍(lán)式過(guò)濾器、自力式調(diào)節(jié)閥、排凝閥、壓力表和低壓報(bào)警開關(guān)等。緊急吹掃阻火并不是一種本質(zhì)性防回火措施，一般配合分子封或者動(dòng)態(tài)密封使用。

3.6 阻火器的運(yùn)用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設(shè)備、管道內(nèi)或阻止火焰在設(shè)備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應(yīng)用火焰通過(guò)熱導(dǎo)體的狹小孔隙時(shí)，由于熱量損失而熄滅的原理設(shè)計(jì)制造。阻火器的阻火層結(jié)構(gòu)有礫石型、金屬絲網(wǎng)型或波紋型。

關(guān)于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點(diǎn)：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應(yīng)。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達(dá)到一定的溫度，即著火點(diǎn)。低于著火點(diǎn)，燃燒就會(huì)停止。依照這一原理，只要將燃燒物質(zhì)的溫度降到其著火點(diǎn)以下，就可以阻止火焰的蔓延。當(dāng)火焰通過(guò)阻火元件的許多細(xì)小通道之后將變成若干細(xì)小的火焰。設(shè)計(jì)阻火器內(nèi)部的阻火元件時(shí)，則盡可能擴(kuò)大細(xì)小火焰和通道壁的接觸面積，強(qiáng)化傳熱，使火焰溫度降到著火點(diǎn)以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應(yīng)

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應(yīng)，而是受外來(lái)能量的激發(fā)，分子鍵遭到破壞，產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產(chǎn)物，同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)阻火元件的狹窄通道時(shí)，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，也即燃燒反應(yīng)不能通過(guò)阻火器繼續(xù)傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應(yīng)分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應(yīng)減低。當(dāng)通道尺寸減少到某一數(shù)值時(shí)，這種器壁效應(yīng)就造成了火焰不能繼續(xù)傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應(yīng)是防止火焰的主要機(jī)理。

根據(jù)石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[6]規(guī)定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網(wǎng)等阻火材料組成，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，可能存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結(jié)構(gòu)，絲網(wǎng)脫落后殘留在放空管道中不易察覺(jué)，時(shí)間長(zhǎng)了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質(zhì)，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點(diǎn)燃后，由于熱膨脹等因素，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質(zhì)時(shí)，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)予以考慮，設(shè)計(jì)和選材都應(yīng)引起重視。

國(guó)外一些公司規(guī)定，只能在無(wú)法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時(shí)才可使用阻火器，一般來(lái)說(shuō)設(shè)置了阻火器需同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的爆破片，阻火器的位置應(yīng)靠近放空火炬端，但需為其維護(hù)和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內(nèi)發(fā)生爆炸。應(yīng)該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒(méi)有連續(xù)放空氣體通過(guò)的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險(xiǎn)相對(duì)較高的阻火器。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)單介紹，了解火炬放空系統(tǒng)發(fā)生回火爆炸危害及防回火爆炸設(shè)施對(duì)火炬系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要性。文章分析了火炬放空系統(tǒng)可能發(fā)生回火爆炸的幾種工況，并根據(jù)石油化工行業(yè)近年來(lái)常用的防回火措施及其防回火原理進(jìn)行了調(diào)研分析。筆者對(duì)液化天然氣接收站火炬放空系統(tǒng)中阻火設(shè)施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應(yīng)帶有連續(xù)吹掃氣的阻火設(shè)施；（2）動(dòng)密封器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種本質(zhì)性防回火措施，在LNG火炬放空系統(tǒng)中使用有一定的優(yōu)勢(shì)；（3）分子封由于其結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在LNG火炬系統(tǒng)中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統(tǒng)設(shè)置阻火器需慎重。

LNG火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要注意解決的問(wèn)題很多?；鹁嬖O(shè)計(jì)必須在充分分析各種安全因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮每個(gè)環(huán)節(jié)，才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的火炬系統(tǒng)，從而保證整個(gè)LNG接收站的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]張奕.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.2，14-1.

[2]胡玲.天然氣處理廠火炬放空阻火設(shè)施的設(shè)置[J].天然氣與石油，2011.10.

[3]SH3009-2001.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(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]API 521-2007， Guide for Pressure- Relieving and Depressuring Systems.

[5]余漢成，超量放空時(shí)放空立管工況分析與垂直反力計(jì)算[J].天然氣與石油，2009，27（5）；10-13.

[6]GB 50183-2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機(jī)械工程師。

分子封防回火的原理是：當(dāng)火炬處于停工或小流量工作時(shí)，連續(xù)從火炬總管補(bǔ)充比空氣輕的氮?dú)饣蚣淄椋么祾邭怏w的浮力在分子封內(nèi)形成一個(gè)壓力高于大氣壓的區(qū)域，這樣使火炬外面的空氣不能進(jìn)入壓力較高的火炬內(nèi)部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發(fā)生內(nèi)部爆炸事故。分子封的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：

（1）復(fù)雜的迷宮型鐘罩結(jié)構(gòu)，幾何尺寸大，風(fēng)載荷大，是單獨(dú)的設(shè)備，需要設(shè)計(jì)檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強(qiáng)度性能。

（3）分子封底部設(shè)置排液和清污口，保證分子封通道內(nèi)部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴(yán)寒的冬季發(fā)生排液管凍結(jié)事故。否則結(jié)冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴(yán)重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時(shí)火炬頭出口總要保持一個(gè)流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據(jù)API521對(duì)浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說(shuō)的分子封，設(shè)計(jì)要求分子封吹掃氣體速度在通過(guò)火炬頭時(shí)需要達(dá)到0.003m/s的流速[4]。

火炬設(shè)置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來(lái)，分子封由于其本身具有一定的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大量運(yùn)用在各種低壓火炬上。但是分子封的結(jié)構(gòu)也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷破壞，造成堵塞。因此國(guó)外的某些公司規(guī)定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過(guò)60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因?yàn)橐夯烊粴鉁囟仍诘竭_(dá)火炬系統(tǒng)時(shí)溫度依然遠(yuǎn)低于0℃，這樣勢(shì)必導(dǎo)致分子封底部的排污口結(jié)冰而無(wú)法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設(shè)水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應(yīng)用于煉油廠火炬放空系統(tǒng)。但是水封罐有其局限性，當(dāng)放空氣體為低溫氣體時(shí)水封罐可能結(jié)冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內(nèi)液體也容易結(jié)冰，此時(shí)需要注入防凍劑。水封罐還會(huì)增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動(dòng)[5]。當(dāng)放空量較小時(shí)，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無(wú)法對(duì)上游側(cè)的放空管進(jìn)行回火保護(hù)。基于以上原因，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的天然氣處理廠已經(jīng)很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運(yùn)用

用于常量吹掃的氮?dú)夂头肿臃?、?dòng)態(tài)密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統(tǒng)形成爆炸性混合氣體。氮?dú)獾木o急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統(tǒng)內(nèi)因冷卻形成負(fù)壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮?dú)夤芫€上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號(hào)控制，或者由火炬頭溫度信號(hào)控制。氮?dú)饪偣芫€上設(shè)精密藍(lán)式過(guò)濾器、自力式調(diào)節(jié)閥、排凝閥、壓力表和低壓報(bào)警開關(guān)等。緊急吹掃阻火并不是一種本質(zhì)性防回火措施，一般配合分子封或者動(dòng)態(tài)密封使用。

3.6 阻火器的運(yùn)用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設(shè)備、管道內(nèi)或阻止火焰在設(shè)備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應(yīng)用火焰通過(guò)熱導(dǎo)體的狹小孔隙時(shí)，由于熱量損失而熄滅的原理設(shè)計(jì)制造。阻火器的阻火層結(jié)構(gòu)有礫石型、金屬絲網(wǎng)型或波紋型。

關(guān)于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點(diǎn)：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應(yīng)。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達(dá)到一定的溫度，即著火點(diǎn)。低于著火點(diǎn)，燃燒就會(huì)停止。依照這一原理，只要將燃燒物質(zhì)的溫度降到其著火點(diǎn)以下，就可以阻止火焰的蔓延。當(dāng)火焰通過(guò)阻火元件的許多細(xì)小通道之后將變成若干細(xì)小的火焰。設(shè)計(jì)阻火器內(nèi)部的阻火元件時(shí)，則盡可能擴(kuò)大細(xì)小火焰和通道壁的接觸面積，強(qiáng)化傳熱，使火焰溫度降到著火點(diǎn)以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應(yīng)

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應(yīng)，而是受外來(lái)能量的激發(fā)，分子鍵遭到破壞，產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產(chǎn)物，同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)阻火元件的狹窄通道時(shí)，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，也即燃燒反應(yīng)不能通過(guò)阻火器繼續(xù)傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應(yīng)分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應(yīng)減低。當(dāng)通道尺寸減少到某一數(shù)值時(shí)，這種器壁效應(yīng)就造成了火焰不能繼續(xù)傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應(yīng)是防止火焰的主要機(jī)理。

根據(jù)石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[6]規(guī)定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網(wǎng)等阻火材料組成，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，可能存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結(jié)構(gòu)，絲網(wǎng)脫落后殘留在放空管道中不易察覺(jué)，時(shí)間長(zhǎng)了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質(zhì)，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點(diǎn)燃后，由于熱膨脹等因素，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質(zhì)時(shí)，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)予以考慮，設(shè)計(jì)和選材都應(yīng)引起重視。

國(guó)外一些公司規(guī)定，只能在無(wú)法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時(shí)才可使用阻火器，一般來(lái)說(shuō)設(shè)置了阻火器需同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的爆破片，阻火器的位置應(yīng)靠近放空火炬端，但需為其維護(hù)和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內(nèi)發(fā)生爆炸。應(yīng)該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒(méi)有連續(xù)放空氣體通過(guò)的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險(xiǎn)相對(duì)較高的阻火器。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)單介紹，了解火炬放空系統(tǒng)發(fā)生回火爆炸危害及防回火爆炸設(shè)施對(duì)火炬系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要性。文章分析了火炬放空系統(tǒng)可能發(fā)生回火爆炸的幾種工況，并根據(jù)石油化工行業(yè)近年來(lái)常用的防回火措施及其防回火原理進(jìn)行了調(diào)研分析。筆者對(duì)液化天然氣接收站火炬放空系統(tǒng)中阻火設(shè)施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應(yīng)帶有連續(xù)吹掃氣的阻火設(shè)施；（2）動(dòng)密封器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種本質(zhì)性防回火措施，在LNG火炬放空系統(tǒng)中使用有一定的優(yōu)勢(shì)；（3）分子封由于其結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在LNG火炬系統(tǒng)中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統(tǒng)設(shè)置阻火器需慎重。

LNG火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要注意解決的問(wèn)題很多。火炬設(shè)計(jì)必須在充分分析各種安全因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮每個(gè)環(huán)節(jié)，才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的火炬系統(tǒng)，從而保證整個(gè)LNG接收站的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]張奕.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.2，14-1.

[2]胡玲.天然氣處理廠火炬放空阻火設(shè)施的設(shè)置[J].天然氣與石油，2011.10.

[3]SH3009-2001.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(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]API 521-2007， Guide for Pressure- Relieving and Depressuring Systems.

[5]余漢成，超量放空時(shí)放空立管工況分析與垂直反力計(jì)算[J].天然氣與石油，2009，27（5）；10-13.

[6]GB 50183-2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機(jī)械工程師。

分子封防回火的原理是：當(dāng)火炬處于停工或小流量工作時(shí)，連續(xù)從火炬總管補(bǔ)充比空氣輕的氮?dú)饣蚣淄?，利用吹掃氣體的浮力在分子封內(nèi)形成一個(gè)壓力高于大氣壓的區(qū)域，這樣使火炬外面的空氣不能進(jìn)入壓力較高的火炬內(nèi)部，從而阻止了火炬頭部燃燒著的火焰倒灌及發(fā)生內(nèi)部爆炸事故。分子封的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：

（1）復(fù)雜的迷宮型鐘罩結(jié)構(gòu)，幾何尺寸大，風(fēng)載荷大，是單獨(dú)的設(shè)備，需要設(shè)計(jì)檢修手孔。

（2）一般采用16MNR材料，或者與火炬筒體相同的材料，提高其強(qiáng)度性能。

（3）分子封底部設(shè)置排液和清污口，保證分子封通道內(nèi)部形成積液和雨水積聚。管道外壁保溫，防止嚴(yán)寒的冬季發(fā)生排液管凍結(jié)事故。否則結(jié)冰堵塞流道，排放氣出不去，造成嚴(yán)重隱患。

（4）在采用分子密封或流體密封時(shí)火炬頭出口總要保持一個(gè)流速為0.03～0.06m/s 的最小吹掃氣體量。若不采用專利密封，則吹掃氣體要保持向上，流速為0.3～0.6m/s。

根據(jù)API521對(duì)浮力型密封的描述，浮力型密封也就是我們常說(shuō)的分子封，設(shè)計(jì)要求分子封吹掃氣體速度在通過(guò)火炬頭時(shí)需要達(dá)到0.003m/s的流速[4]。

火炬設(shè)置分子封，將大大減小吹掃氣的用量。近年來(lái)，分子封由于其本身具有一定的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大量運(yùn)用在各種低壓火炬上。但是分子封的結(jié)構(gòu)也有其局限性，比如由于迷宮式氣體密封件容易被緊急降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷破壞，造成堵塞。因此國(guó)外的某些公司規(guī)定，分子密封只適用于火炬中氣體速度不超過(guò)60m/s的低壓火炬，并禁用在高壓火炬上。因?yàn)橐夯烊粴鉁囟仍诘竭_(dá)火炬系統(tǒng)時(shí)溫度依然遠(yuǎn)低于0℃，這樣勢(shì)必導(dǎo)致分子封底部的排污口結(jié)冰而無(wú)法正常使用。

3.4 火炬放空管路上設(shè)水封罐

水封罐也是防止回火和爆炸的可靠措施之一，目前水封罐廣泛應(yīng)用于煉油廠火炬放空系統(tǒng)。但是水封罐有其局限性，當(dāng)放空氣體為低溫氣體時(shí)水封罐可能結(jié)冰。在寒冷地域，如果伴熱保溫不好，罐內(nèi)液體也容易結(jié)冰，此時(shí)需要注入防凍劑。水封罐還會(huì)增加放空氣排放阻力，并引起水封罐周圍管道的振動(dòng)[5]。當(dāng)放空量較小時(shí)，可能引起火炬火焰形成脈沖狀。水封罐無(wú)法對(duì)上游側(cè)的放空管進(jìn)行回火保護(hù)?；谝陨显?，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的天然氣處理廠已經(jīng)很少使用水封罐防止火炬回火和爆炸。

3.5 緊急吹掃的運(yùn)用

用于常量吹掃的氮?dú)夂头肿臃?、?dòng)態(tài)密封器配合，以防止空氣侵入火炬系統(tǒng)形成爆炸性混合氣體。氮?dú)獾木o急吹掃主要是防止高溫火炬氣排放后，火炬系統(tǒng)內(nèi)因冷卻形成負(fù)壓，造成外界空氣倒灌。緊急吹掃氮?dú)夤芫€上的電磁閥將由水封罐前的壓力及流量信號(hào)控制，或者由火炬頭溫度信號(hào)控制。氮?dú)饪偣芫€上設(shè)精密藍(lán)式過(guò)濾器、自力式調(diào)節(jié)閥、排凝閥、壓力表和低壓報(bào)警開關(guān)等。緊急吹掃阻火并不是一種本質(zhì)性防回火措施，一般配合分子封或者動(dòng)態(tài)密封使用。

3.6 阻火器的運(yùn)用

阻火器又名防火器，阻火器的作用是防止外部火焰竄入存有易燃易爆氣體的設(shè)備、管道內(nèi)或阻止火焰在設(shè)備、管道間蔓延的一種安全裝置。阻火器是應(yīng)用火焰通過(guò)熱導(dǎo)體的狹小孔隙時(shí)，由于熱量損失而熄滅的原理設(shè)計(jì)制造。阻火器的阻火層結(jié)構(gòu)有礫石型、金屬絲網(wǎng)型或波紋型。

關(guān)于阻火器的工作原理，主要有兩種觀點(diǎn)：一是基于傳熱作用；二是基于器壁效應(yīng)。

3.6.1 傳熱作用

燃燒所需要的必要條件之一就是要達(dá)到一定的溫度，即著火點(diǎn)。低于著火點(diǎn)，燃燒就會(huì)停止。依照這一原理，只要將燃燒物質(zhì)的溫度降到其著火點(diǎn)以下，就可以阻止火焰的蔓延。當(dāng)火焰通過(guò)阻火元件的許多細(xì)小通道之后將變成若干細(xì)小的火焰。設(shè)計(jì)阻火器內(nèi)部的阻火元件時(shí)，則盡可能擴(kuò)大細(xì)小火焰和通道壁的接觸面積，強(qiáng)化傳熱，使火焰溫度降到著火點(diǎn)以下，從而阻止火焰蔓延。

3.6.2 器壁效應(yīng)

燃燒與爆炸并不是分子間直接反應(yīng)，而是受外來(lái)能量的激發(fā)，分子鍵遭到破壞，產(chǎn)生活化分子，活化分子又分裂為壽命短但卻很活潑的自由基，自由基與其它分子相撞，生成新的產(chǎn)物，同時(shí)也產(chǎn)生新的自由基再繼續(xù)與其它分子發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)燃燒的可燃?xì)馔ㄟ^(guò)阻火元件的狹窄通道時(shí)，自由基與通道壁的碰撞幾率增大，參加反應(yīng)的自由基減少。當(dāng)阻火器的通道窄到一定程度時(shí)，自由基與通道壁的碰撞占主導(dǎo)地位，由于自由基數(shù)量急劇減少，反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行，也即燃燒反應(yīng)不能通過(guò)阻火器繼續(xù)傳播。

隨著阻火器通道尺寸的減小，自由基與反應(yīng)分子之間碰撞幾率隨之減少，而自由基與通道壁的碰撞幾率反而增加，這樣就促使自由基反應(yīng)減低。當(dāng)通道尺寸減少到某一數(shù)值時(shí)，這種器壁效應(yīng)就造成了火焰不能繼續(xù)傳播的條件，火焰即被阻止。因此器壁效應(yīng)是防止火焰的主要機(jī)理。

根據(jù)石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[6]規(guī)定，放空管道必須保持暢通，任何可能引放空管道暢通的因素都要避免。因此，在放空管道上安裝阻火器必須慎重。一般的阻火器是由銅絲網(wǎng)等阻火材料組成，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，可能存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）由于放空氣體流速較高，容易破壞阻火器結(jié)構(gòu)，絲網(wǎng)脫落后殘留在放空管道中不易察覺(jué)，時(shí)間長(zhǎng)了極易造成堵塞。

（2）放空氣體若含有少量雜質(zhì)，可能造成阻火器堵塞，阻斷放空氣流。

（3）如果阻火器安接在靠近火炬端，在火炬點(diǎn)燃后，由于熱膨脹等因素，可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

（4）放空氣含有H2S等腐蝕介質(zhì)時(shí)，放空管道容易生成硫化鐵，引起自燃的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)予以考慮，設(shè)計(jì)和選材都應(yīng)引起重視。

國(guó)外一些公司規(guī)定，只能在無(wú)法使用吹掃氣且排放氣體是潔凈燒類氣體時(shí)才可使用阻火器，一般來(lái)說(shuō)設(shè)置了阻火器需同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的爆破片，阻火器的位置應(yīng)靠近放空火炬端，但需為其維護(hù)和檢查留出一定通道，目的是為了防止放空管內(nèi)發(fā)生爆炸。應(yīng)該定期檢查安裝的所有阻火器， 特別是那些沒(méi)有連續(xù)放空氣體通過(guò)的阻火器、處于吸入工況下使用的阻火器和堵塞危險(xiǎn)相對(duì)較高的阻火器。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液化天然氣接收站工藝和火炬放空系統(tǒng)工藝的簡(jiǎn)單介紹，了解火炬放空系統(tǒng)發(fā)生回火爆炸危害及防回火爆炸設(shè)施對(duì)火炬系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要性。文章分析了火炬放空系統(tǒng)可能發(fā)生回火爆炸的幾種工況，并根據(jù)石油化工行業(yè)近年來(lái)常用的防回火措施及其防回火原理進(jìn)行了調(diào)研分析。筆者對(duì)液化天然氣接收站火炬放空系統(tǒng)中阻火設(shè)施的選用提出如下建議：（1）火炬頭應(yīng)帶有連續(xù)吹掃氣的阻火設(shè)施；（2）動(dòng)密封器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種本質(zhì)性防回火措施，在LNG火炬放空系統(tǒng)中使用有一定的優(yōu)勢(shì)；（3）分子封由于其結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在LNG火炬系統(tǒng)中使用有一定的局限性。（4）LNG火炬放空系統(tǒng)設(shè)置阻火器需慎重。

LNG火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要注意解決的問(wèn)題很多。火炬設(shè)計(jì)必須在充分分析各種安全因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮每個(gè)環(huán)節(jié)，才能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的火炬系統(tǒng)，從而保證整個(gè)LNG接收站的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]張奕.液化天然氣接收站的工藝流程[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.2，14-1.

[2]胡玲.天然氣處理廠火炬放空阻火設(shè)施的設(shè)置[J].天然氣與石油，2011.10.

[3]SH3009-2001.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(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]API 521-2007， Guide for Pressure- Relieving and Depressuring Systems.

[5]余漢成，超量放空時(shí)放空立管工況分析與垂直反力計(jì)算[J].天然氣與石油，2009，27（5）；10-13.

[6]GB 50183-2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)介：蔡榮（1982-），女，湖北丹江口，碩士研究生，機(jī)械工程師。