地面火炬系統的安全設計

青山

火炬氣是石油化工行業生產過程中產生的廢
氣, 屬于易燃易爆有毒有害氣體, 不能采用直接排
放的方式, 需要使用火炬排放裝置進行收集、處
理。因此, 火炬系統是石油化工裝置正常生產運
行的重要保證。
近年來, 隨著石油化工企業生產規模的逐步
擴大, 裝置的排放量也越來越大, 且國家對環保、
安全方面的要求越來越嚴格, 為了克服高架火炬
自身的安全穩定性、檢修的方便性、安全防護距離
及占地面積較大(雖然火炬塔架和相關附屬設施
占地面積小, 但熱輻射影響范圍較大, 因此建設用
地范圍較大)等問題, 國內已經開始使用地面火
炬作為石油化工企業的主要排放處理裝置。我國
僅在1998年從國外引進了第一套地面火炬; 在
2001年自行設計安裝了第一套地面火炬裝置; 由
于目前國內尚無地面火炬的相關國家標準, 因此
地面火炬的安全設計尤為重要。
1 火炬分類
火炬按照不同的分類方式有不同的類型, 按
燃燒器是否遠離地面可分為地面火炬和高架火
炬; 按火炬燃燒器的形式可分為單點燃燒器火炬
和多燃燒器火炬。由于地面火炬具有多級燃燒
器, 可分級燃燒, 因此處理量大, 適合大規模生產
需求, 近年來得到廣泛應用。
2 地面火炬的特點
( 1) 地面火炬的燃燒區域周圍安裝垂直的金
屬圍欄將地面火炬的熱量包攬在內部, 從而減少
向四周擴散的熱輻射, 圍欄外的熱輻射值低于
1. 6 kW /m2。
( 2) 防護區占地面積小、檢修方便, 除圍欄較
高外, 其余設施均在地面上, 只有入口閥及總管需
常規檢查與檢修, 而該部分位于圍欄外; 燃燒室內
的火炬頭可以在裝置的開停車期間進行檢修。
( 3) 地面火炬采用自動分級燃燒控制系統,
根據壓力自動逐級打開燃燒器, 以適應不同的排
放流量。
( 4) 最大限度地減少了對周圍環境的空氣污
染、光污染和噪聲污染。
3 事故狀態下地面火炬可能存在的
風險
( 1) 事故狀態下自動點火系統失靈, 將會有
大量可燃氣體從地面火炬排出, 與周圍空氣混合
成易燃易爆混合物, 在擴散擴過程中如遇到點火
源, 延遲點火而發生蒸氣云爆炸。
( 2) 當火炬氣排放量增大, 火炬燒嘴供氧不
足, 可能會使火焰超越圍欄的高度, 火焰的熱輻射
收稿日期: 2010201222
作者簡介: 劉向宏( 1971- ), 女, 高級工程師。
量和火焰溫度可能會影響周邊設施的安全。
( 3) 周邊設施或裝置一旦發生易燃易爆物質
泄漏并擴散, 在特定氣象條件下, 地面火炬可能將
其引燃而發生火災甚至爆炸, 并有可能產生有毒
氣體。
4 地面火炬的安全距離設計
4. 1 國內規范的設計要求
安全距離設計是建設項目總平面設計的重
點。地面火炬在國外雖然得到廣泛應用, 但在國
內應用較少, 5石油化工企業設計防火規范6
(GB50160- 2008)關于火炬的防火間距問題僅在
第4. 1. 9條提出"高架火炬的防火間距應根據人
或設備允許的輻射熱強度計算確定, 對可能攜帶
可燃液體的高架火炬與相鄰工廠或設施的防火間
距不應小于表4. 1. 9的規定" [ 1] ; 在5. 5. 22條提
出封閉式地面火炬的設置應按明火考慮、排入火
炬的可燃氣體不應攜帶可燃液體、火炬的輻射熱
不應影響人身及設備安全; 除上述兩款外未對作
任何規定。
4. 2 國外規范的設計要求
國外地面火炬的設計普遍采用美國石油協會
標準APIRP5215泄壓和降壓系統導則6、API537
5通用煉油及石油化工設施火炬細則6等規范。
在地面火炬處理系統中, 以火焰的燃燒性質
作為設計主要考慮的內容, API標準標準提出的
熱輻射要求見表1[ 2 - 3 ]。
表1 國外地面火炬熱輻射標準
AP I標準BP- RP44- 3標準
安全區域/( kW# m2) < 1. 58 1. 6完全暴露
防護距離/( kW# m2) 1. 58~ 4. 5 3. 2(30 m in停留時間)
防護區域/( kW# m2) 4. 5~ 6. 3 4. 7( 60 s峰值逃離到安全地帶)
嚴重致死區域/( kW# m2) > 1. 58 6. 3 ( 20 s峰值逃離到安全地帶)
按照AP l附件C確定的火炬計算方法, 包括
火炬直徑、長度、高度以及由風速引起火焰變形的
計算, 從火炬中心到水平分界線(即所考慮對象)
的最小距離可按照公式( 1)計算。
D - SFQ
4PK ( 1 )
式中: D) 火焰中心點到目標物體的最小距離, m;
S) 傳送的熱輻射因數;
F ) 接受的熱輻射因數;
Q) 熱排放(低熱值), kW;
K) 允許的輻射值, kW /m2。
對封閉火炬由于火炬頭燃燒后熱量經過火炬
筒壁上升到火炬筒頂, 溫降較大, 根據傳熱學中的
斯蒂芬- 玻爾茲曼定律, 氣體的輻射能力和氣體
絕對溫度的四次方成正比, 其中T t 為放空氣的
理論燃燒溫度, Tf 為煙氣的實際溫度。
4. 3 安全防護距離的確定
地面火炬的安全距離需要根據實際情況(最
大泄放量、火炬的熱輻射、煙氣溫度、地面風向、安
全排放控制系統、防護設施的設計標準等) 進行
詳細的計算和實際的模擬設計來確定最優化的安
全距離[ 4]。
一般情況下有可能發生可燃氣體泄漏的甲乙
類裝置、廠房、庫房以及人員集中的場所(如辦公
室、控制室)等與地面火炬的設計距離應為以輻
射熱計算得出的安全防護距離基礎上增加30%
的安全系數, 并按照規范要求的把火炬視為明火,
其與周圍設施的距離要求比較, 取其較大值。
5 地面火炬的主要安全設施設計
( 1) 地面火炬周圍設置安全防護圍欄, 禁止
人員隨意進入火炬區, 并在火炬發生爆燃或爆炸
事故時, 能夠承受爆炸沖擊而不損壞, 并迫使爆炸
沖擊波向上泄放, 減少對地面人員設備造成危害
的程度。
( 2) 工藝配管設計。
排入封閉系統的安全閥出口管道應順流
向45b斜接在火炬總管的頂部, 以免總管內的凝
液倒流入支管, 并可減小安全閥的背壓。
濕氣體泄壓系統排放管不應有袋形積液
處, 安全閥的安裝高度應高于泄壓系統。
火炬氣的支干管應坡向主干管, 主干管坡
向火炬區內的分液罐或水封罐( 坡度不小于
2j ), 最低點應設排液口。
設置溫度補償器以避免溫度對管路的影
響。
( 3) 火炬系統采用的主要控制回路[ 5]。
分液罐液位聯鎖控制。
分液罐液位高于高限報警并打開污油泵; 低
于低限值報警并停止污油泵運行。
水封液位控制。
水封液位高于高限報警并打開污水泵; 低于
低限值報警并停止污水泵運行

動力火車

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