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火炬系統(tǒng)本質(zhì)安全設(shè)計

文檔作者：孟慶海文檔來源：中國石化工程建設(shè)有限公司		點擊數(shù)：	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(shù) ★
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(zhì)安全”
孟慶海
(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)
摘要：火炬是石化廠處理全廠排放可燃?xì)怏w的重要的安全環(huán)保設(shè)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(shè)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(zhì)安全” 設(shè)
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(zhì)安全” 設(shè)計提出了應(yīng)采取的設(shè)計方法，對今后同類設(shè)計具有借鑒和指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：火炬系統(tǒng)“本質(zhì)安全” 設(shè)計火炬氣分液罐水封罐水封閥 長明燈
1 “本質(zhì)安全”
“本質(zhì)安全” 設(shè)計是指通過設(shè)計手段使生產(chǎn)
設(shè)備或生產(chǎn)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(zhì)安全
這一概念產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，最初是由安全
型電氣設(shè)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?xì)怏w，使其燃燒，達(dá)到安
全環(huán)保要求的系統(tǒng)。對確保裝置安全生產(chǎn)起著至
關(guān)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(zhì)安全”
設(shè)計理念。
2 工藝及管道系統(tǒng)
管道系統(tǒng)的“本質(zhì)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(shè)計
要使管道系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到本質(zhì)安全，從工藝
設(shè)計的角度講，第一要嚴(yán)格控制排入火炬系統(tǒng)的氣
體質(zhì)量。排人氣體的熱值能達(dá)到自行燃燒或在排入
燃燒系統(tǒng)前將熱值調(diào)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(shè)施；有
毒、宜聚合、雜質(zhì)多的氣體不能排人火炬系統(tǒng)。
7
第二，設(shè)定合理的管網(wǎng)背壓 J。管道系統(tǒng)的
設(shè)計壓力要保證各泄放點泄放的可燃?xì)怏w，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(wǎng)劃分為幾個不同的壓力等級。
第三，管道直徑應(yīng)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(yīng)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(wǎng)應(yīng)該維持一定的正
壓。安全放空系統(tǒng)中排放的可燃?xì)怏w通常都具有較
高的溫度，因此為防止系統(tǒng)管網(wǎng)在驟冷時產(chǎn)生負(fù)
壓，有必要設(shè)置管網(wǎng)壓力檢測和自動補壓設(shè)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(xué)(原撫順石油學(xué)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(shè)計和研究工作，現(xiàn)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(shù)★ 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(shè)計的要求講，第一，全廠可燃性氣
體排放系統(tǒng)管網(wǎng)熱補償應(yīng)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(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)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(wǎng)的管徑也越來越大，管道固定管托在標(biāo)準(zhǔn)圖
集中是找不到的，只是簡單地模仿設(shè)計存在隱
患，要經(jīng)過認(rèn)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(wǎng)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(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置
積液罐或分液罐。分液罐的設(shè)計關(guān)鍵點是能夠?qū)?
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(wǎng)的一種裝置，它使水封罐內(nèi)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(wǎng)。水封系統(tǒng)是全廠火炬系統(tǒng)和火
炬設(shè)施可靠的防回火安全設(shè)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(wǎng)不產(chǎn)生逆燃或回火。當(dāng)火炬系
統(tǒng)可燃?xì)鈮毫^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(xiàn)時，在火炬
及其系統(tǒng)管網(wǎng)中會產(chǎn)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(wǎng)乃至上游各裝置安全。
維持管網(wǎng)正壓，防止空氣進入管網(wǎng)。高溫火
炬氣排放停止時遇到暴雨，管道內(nèi)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(nèi)會產(chǎn)生負(fù)壓，
如果沒有水封或水封的水量不足，則會導(dǎo)致空氣
由火炬頭進入管網(wǎng)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(fù)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(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓可導(dǎo)致空氣從管道或設(shè)
備的腐蝕空洞進入管網(wǎng)，造成安全隱患。
作為壓力控制設(shè)備，為保持整個放空系統(tǒng)不
出現(xiàn)負(fù)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(nèi)不存在負(fù)壓，這
種工況下的水封高度只需滿足管網(wǎng)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(dāng)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(wǎng)上引出一個支線，送往氣柜和壓
縮機，回收正常生產(chǎn)過程中或小事故引起的小量
排放。而放空管網(wǎng)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(shè)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(chǎn)時能夠?qū)⑺馓岬捷^高的水位，提高了
系統(tǒng)的背壓，使得可燃?xì)怏w進入氣柜更加容易，
且能夠更多地回收火炬氣，提高經(jīng)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(nèi)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(nèi)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(shè)計要點
水封系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)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(shè)計壓力。根據(jù)化學(xué)計算，理論上
烴類氣體在密閉空間內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)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(nèi)?；鹁姘l(fā)生爆炸通常是發(fā)生在排放結(jié)束時，此
時水封罐內(nèi)的壓力接近常壓，同時考慮到設(shè)備設(shè)
計的許用應(yīng)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(shè)計壓力應(yīng)大于等于
2014年第30卷第4期 ★ 孟慶海．火炬系統(tǒng)“本質(zhì)安全” 設(shè)計 ★
0．7 MPal
。
3．3 水封高度設(shè)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(xiàn)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(chǎn)生負(fù)壓。
首先，水封高度應(yīng)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(chǎn)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(zhì)火炬氣，應(yīng)適當(dāng)增加水封高度，水封高度
應(yīng)>1300 mm；對于火炬氣密度≥空氣密度的工
況，水封高度應(yīng)≥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(nèi)氣體產(chǎn)生驟冷，導(dǎo)致整個管網(wǎng)出現(xiàn)負(fù)
壓，規(guī)范要求水封罐內(nèi)應(yīng)有足夠的水量，有效水封
量應(yīng)至少能夠在放空總管產(chǎn)生負(fù)壓時，滿足水封罐
人口立管3 m充水量。
為了保證水封罐內(nèi)的有效水量，設(shè)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(nèi)氣體水平流速不超過臨界速度。
還有一種工況設(shè)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(shè)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(yīng)設(shè)低液位聯(lián)鎖自動補水措施，保持水封的水位。
3．5 溢流管的設(shè)計
溢流管除了排出水封所需多余的水外，還應(yīng)
有撇油作用，一般設(shè)計成U型。在沒有火炬氣放
空的情況下，水封罐內(nèi)的壓力為火炬簡體內(nèi)物料
自重產(chǎn)生的壓力或者是由于密度小于空氣的火炬
氣產(chǎn)生的負(fù)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(yīng)大
于水封罐內(nèi)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(zhì)性質(zhì)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(jīng)過
脫硫處理，且點火設(shè)施前應(yīng)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(xiàn)清潔燃燒。
燃燒系統(tǒng)是火炬設(shè)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(shè)備。
國內(nèi)外火炬頭的形式很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各有
特色，關(guān)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(shù)應(yīng)小于等于0．5；無煙燃燒時火炬頭出口的馬赫
數(shù)宜取0．2；處理酸性氣體的火炬頭出口馬赫數(shù)宜
小于或等于0．2。其它輔助設(shè)備應(yīng)根據(jù)需要配備。
點火裝置是火炬安全運行的關(guān)鍵?；鹁嫦到y(tǒng)
應(yīng)配備可靠的點火控制系統(tǒng)，要有遠(yuǎn)程高空自動
點火、遠(yuǎn)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(jié)語
火炬設(shè)施是石化廠處理全廠可燃?xì)怏w排放氣
重要的安全環(huán)保設(shè)施?；鹁媾欧艢饩哂袝r間不
定、排放量不定、排放介質(zhì)性質(zhì)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(zhì)
安全設(shè)計理念和措施應(yīng)得到貫徹和落實。
參考文獻：
[2]
[3]
王松漢．石油化工設(shè)計手冊第4卷工藝
和系統(tǒng)設(shè)計[M]． 北京：化學(xué)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(shè)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(xué)出版社，1966：35．36．</空氣>

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