地面火炬系统的安全设计
火炬气是石油化工行业生产过程中产生的废气, 属于易燃易爆有毒有害气体, 不能采用直接排
放的方式, 需要使用火炬排放装置进行收集、处
理。因此, 火炬系统是石油化工装置正常生产运
行的重要保证。
近年来, 随着石油化工企业生产规模的逐步
扩大, 装置的排放量也越来越大, 且国家对环保、
安全方面的要求越来越严格, 为了克服高架火炬
自身的安全稳定性、检修的方便性、安全防护距离
及占地面积较大(虽然火炬塔架和相关附属设施
占地面积小, 但热辐射影响范围较大, 因此建设用
地范围较大)等问题, 国内已经开始使用地面火
炬作为石油化工企业的主要排放处理装置。我国
仅在1998年从国外引进了第一套地面火炬; 在
2001年自行设计安装了第一套地面火炬装置; 由
于目前国内尚无地面火炬的相关国家标准, 因此
地面火炬的安全设计尤为重要。
1 火炬分类
火炬按照不同的分类方式有不同的类型, 按
燃烧器是否远离地面可分为地面火炬和高架火
炬; 按火炬燃烧器的形式可分为单点燃烧器火炬
和多燃烧器火炬。由于地面火炬具有多级燃烧
器, 可分级燃烧, 因此处理量大, 适合大规模生产
需求, 近年来得到广泛应用。
2 地面火炬的特点
( 1) 地面火炬的燃烧区域周围安装垂直的金
属围栏将地面火炬的热量包揽在内部, 从而减少
向四周扩散的热辐射, 围栏外的热辐射值低于
1. 6 kW /m2。
( 2) 防护区占地面积小、检修方便, 除围栏较
高外, 其余设施均在地面上, 只有入口阀及总管需
常规检查与检修, 而该部分位于围栏外; 燃烧室内
的火炬头可以在装置的开停车期间进行检修。
( 3) 地面火炬采用自动分级燃烧控制系统,
根据压力自动逐级打开燃烧器, 以适应不同的排
放流量。
( 4) 最大限度地减少了对周围环境的空气污
染、光污染和噪声污染。
3 事故状态下地面火炬可能存在的
风险
( 1) 事故状态下自动点火系统失灵, 将会有
大量可燃气体从地面火炬排出, 与周围空气混合
成易燃易爆混合物, 在扩散扩过程中如遇到点火
源, 延迟点火而发生蒸气云爆炸。
( 2) 当火炬气排放量增大, 火炬烧嘴供氧不
足, 可能会使火焰超越围栏的高度, 火焰的热辐射
收稿日期: 2010201222
作者简介: 刘向宏( 1971- ), 女, 高级工程师。
量和火焰温度可能会影响周边设施的安全。
( 3) 周边设施或装置一旦发生易燃易爆物质
泄漏并扩散, 在特定气象条件下, 地面火炬可能将
其引燃而发生火灾甚至爆炸, 并有可能产生有毒
气体。
4 地面火炬的安全距离设计
4. 1 国内规范的设计要求
安全距离设计是建设项目总平面设计的重
点。地面火炬在国外虽然得到广泛应用, 但在国
内应用较少, 5石油化工企业设计防火规范6
(GB50160- 2008)关于火炬的防火间距问题仅在
第4. 1. 9条提出"高架火炬的防火间距应根据人
或设备允许的辐射热强度计算确定, 对可能携带
可燃液体的高架火炬与相邻工厂或设施的防火间
距不应小于表4. 1. 9的规定" [ 1] ; 在5. 5. 22条提
出封闭式地面火炬的设置应按明火考虑、排入火
炬的可燃气体不应携带可燃液体、火炬的辐射热
不应影响人身及设备安全; 除上述两款外未对作
任何规定。
4. 2 国外规范的设计要求
国外地面火炬的设计普遍采用美国石油协会
标准APIRP5215泄压和降压系统导则6、API537
5通用炼油及石油化工设施火炬细则6等规范。
在地面火炬处理系统中, 以火焰的燃烧性质
作为设计主要考虑的内容, API标准标准提出的
热辐射要求见表1[ 2 - 3 ]。
表1 国外地面火炬热辐射标准
AP I标准BP- RP44- 3标准
安全区域/( kW# m2) < 1. 58 1. 6完全暴露
防护距离/( kW# m2) 1. 58~ 4. 5 3. 2(30 m in停留时间)
防护区域/( kW# m2) 4. 5~ 6. 3 4. 7( 60 s峰值逃离到安全地带)
严重致死区域/( kW# m2) > 1. 58 6. 3 ( 20 s峰值逃离到安全地带)
按照AP l附件C确定的火炬计算方法, 包括
火炬直径、长度、高度以及由风速引起火焰变形的
计算, 从火炬中心到水平分界线(即所考虑对象)
的最小距离可按照公式( 1)计算。
D - SFQ
4PK ( 1 )
式中: D) 火焰中心点到目标物体的最小距离, m;
S) 传送的热辐射因数;
F ) 接受的热辐射因数;
Q) 热排放(低热值), kW;
K) 允许的辐射值, kW /m2。
对封闭火炬由于火炬头燃烧后热量经过火炬
筒壁上升到火炬筒顶, 温降较大, 根据传热学中的
斯蒂芬- 玻尔兹曼定律, 气体的辐射能力和气体
绝对温度的四次方成正比, 其中T t 为放空气的
理论燃烧温度, Tf 为烟气的实际温度。
4. 3 安全防护距离的确定
地面火炬的安全距离需要根据实际情况(最
大泄放量、火炬的热辐射、烟气温度、地面风向、安
全排放控制系统、防护设施的设计标准等) 进行
详细的计算和实际的模拟设计来确定最优化的安
全距离[ 4]。
一般情况下有可能发生可燃气体泄漏的甲乙
类装置、厂房、库房以及人员集中的场所(如办公
室、控制室)等与地面火炬的设计距离应为以辐
射热计算得出的安全防护距离基础上增加30%
的安全系数, 并按照规范要求的把火炬视为明火,
其与周围设施的距离要求比较, 取其较大值。
5 地面火炬的主要安全设施设计
( 1) 地面火炬周围设置安全防护围栏, 禁止
人员随意进入火炬区, 并在火炬发生爆燃或爆炸
事故时, 能够承受爆炸冲击而不损坏, 并迫使爆炸
冲击波向上泄放, 减少对地面人员设备造成危害
的程度。
( 2) 工艺配管设计。
排入封闭系统的安全阀出口管道应顺流
向45b斜接在火炬总管的顶部, 以免总管内的凝
液倒流入支管, 并可减小安全阀的背压。
湿气体泄压系统排放管不应有袋形积液
处, 安全阀的安装高度应高于泄压系统。
火炬气的支干管应坡向主干管, 主干管坡
向火炬区内的分液罐或水封罐( 坡度不小于
2j ), 最低点应设排液口。
设置温度补偿器以避免温度对管路的影
响。
( 3) 火炬系统采用的主要控制回路[ 5]。
分液罐液位联锁控制。
分液罐液位高于高限报警并打开污油泵; 低
于低限值报警并停止污油泵运行。
水封液位控制。
水封液位高于高限报警并打开污水泵; 低于
低限值报警并停止污水泵运行
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