集输工业火炬安全放空系统实用技术
火炬安全放空系统(以下简称“火炬系统”)是压力容器、压力管道超压运行时的紧急泄放、安全燃烧系统(热放空系统)。由超压检测仪表、手动自动排放阀组件、压力管道组件、火炬体组件等组成。作为石油化工装置中气体或液体的安全、有效排放设施，火炬系统是事故泄放系统必不可少的组成部分。
火炬有不同类型：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火炬和多点燃烧器火炬；从放空后是否燃烧分为冷放空火炬和热放空火炬(冷放空一般设计放空立管而不是火炬，由排放介质特性决定)；按介质温度分为常温放空火炬、高温热流放空火炬和低温放空火炬。
高架火炬应用较普遍，地面火炬由于占地少、维护方便、安全、环保性较好，在国外已得到广泛运用，但在国内使用较少。普光气田酸性气井放喷或试气作业时采用的就是地面火炬，但设计还应进一步完善。
1 火炬放空管系计算方法
严格的火炬放空管系计算较复杂，应按最高(低)温度、最高压力、最大震动时的有效泄放量等条件来计算。
火炬放空管道包括支管和总管，支管计算较简单，下面重点讨论总管计算。火炬系统总管的管径确定是个比较复杂的问题，可按以下步骤来进行：
1) 对于每一个压力容器，给出可能引起超压的原因，确定相应工况下的泄放负荷，从而确定所应选用安全阀的大小和类型。在进行此项工作时最好不要采用直接按经验选取的方法，应按照规范逐个分析，详细计算出每种工况下的泄放负荷和泄放条件，以及相应的泄放面积。
2) 选定单个安全阀后，根据选用阀门计算实际泄放量，反过来对安全阀背压进行验算。
3) 根据规范，对于每个可能引起超压的原因进行分析，并分析由此造成安全阀同时泄放的总泄放负荷及相应的泄放条件。
4) 根据确定的总泄放负荷和泄放条件确定火炬系统总管的参数。
5) 在选定火炬气总管参数后，还要对每个安全阀的背压重新进行验算。
SH 3009—2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》第4.0.6明确了火炬总管设计排放量的计算方法：“排放系统的设计排放量，选取系统内最大排放装置的一次最大排放量和同一事故中几个装置同时泄放的排放量总和中的较大值”。据此，普光气田集气站的火炬排放量确定如下：取其井组单井设计最大排产量的小时流量作为基数，考虑在此期间其他临近气井流程中可能的泄放量。
火炬有2种情况可能达到设计排放量，对照高架工业火炬工艺流程(见图1[1])分析如下：
1) 单井投运时。单井高压BDV调试完毕后，打开其旁通阀(加热炉入口前的一级节流阀应处于关闭状态)，在不超过单井设计排产量的条件下逐渐加大开井量，高压酸气首先通过BDV旁通向高空火炬持续排放并充分燃烧，此时其他临近井应不运行或在60%以下负荷运行。待该井达到设计排产量后，平稳运行20～30min，如无异常，然后降低产量至60%设计负荷，开始导入生产流程(方法是逐渐并缓慢地开启加热炉入口处的一级节流阀，阀后系统务必提前全开且保持畅通)。调节一级节流阀的节流比在P2/P1大于0.5范围内(即节流比小于2)，同时逐渐关闭BDV旁通并保持BDV正常运行(BDV前后阀门禁止关闭)。单井逐一调试完毕后，根据产量需求再逐一调节单井产量达到设计满负荷运行。至此可以看出高压酸气气井投运时火炬系统的重要性。我们在任何时候不推荐直接开井进入下游流程的开车方案，尽管开井前已用空气、净化气或N2对系统进行调试并合格。
2) 事故状态时。如流程主管路阀门因关闭(或未全部打开)造成管路不通时，井口BDV将完全打开紧急泄压放空至最大单井生产量，严重时可能导致井口SSV关闭。
2 火炬放空管系布置技术
2.1 管径要求
1) 安全阀的出口管径应满足安全阀允许最高背压和支点放空流通能力的要求。安全阀进口规格一般小于出121规格1”～2”(1”等于25.4mm)、旁通管规格一般不小于安全阀进口规格。
2) 放空支管管径一般不大于其连接的干管管径。
2.2 放空支管宜斜45°插入放空干管[2]
放空支管宜斜45°插入放空干管，这里的斜45°插入是“宜”而不是必须，分两种情况讨论：
一般安全放空阀要求的背压比较低，放空支管和总管的壁厚比较薄，如果泄放前压力比较高还是应斜45°插入最好。对高架工业火炬而言，无论是自动放空还是手动放空压差都很高，在这样高压差下物流冲击力很大，如果垂直插入会直接作用到主管壁上产生较大反推力，容易产生管道撕裂、管壁冲蚀等问题，斜45°插入就会导流掉大部分气体，使反推力降低。
而对高架工业火炬燃料气等低压放空支管，系统泄放前的压力不是很高，此时可以垂直插入。
2.3 火炬总管布置探讨
1) 应满足柔性设计。放空总管应在满足柔性设计前提下尽量取直。放空总管的柔性设计应进行正反计算对比：如配管的自然弯曲补偿能满足要求，可以不单独加设补偿器；反之，应增加补偿。计算表明：普光地形复杂，平面上采用“Z”字形弯加上纵向自然弯曲，完全可以满足柔性设计。
2) 应满足稳定性要求。迂回曲折的安装方式可满足柔性要求，但不利于管道的稳定，高压放空时可能会因阻力增大形成冲击而导致放空管系的震荡或失稳。低管架敷设时，应增加径向稳管措施(如以管卡牢固地固定在地面砼墩上等)；高管架敷设时应设双脚支架等(加拿大常用)。
3) 放空总管应坡向火炬分液罐，中间不应出现袋形弯。根据加拿大现场经验，如必须出现袋形弯时，务必在最低点加排液阀，站内其他酸气管道也应尽可能做到这一点。
4) 关于埋地敷设。对于地处复杂地形的酸气管道，不推荐埋地敷设，原因有二：一是避免袋形弯；二是便于维护检修。高架工业火炬内流程管道均地面布置，加拿大也是这么做的。
3 高架工业火炬火炬投用技术
1) 开井前，火炬应首先投运。
2) 检查并确认所有安全阀工作正常，且已全部处于备用状态。
3) 对装置内所有与火炬相连的系统进行N2置换。N2置换采用憋压、泄压的方法(从放空系统扫线管引入至火炬顶部，对大气进行放空)，经采样分析，确认系统内O2的体积分数小于2%时，N2置换完毕。
N2置换操作有2种做法。一是全系统变流量、不憋压、多点进出气操作：在装置区多处选点同时进气，多点间断排气，反复2～3次后开始取样分析(要求采样点分布在装置各处，具有代表性)，直至合格。二是分两段变流量、部分憋压、多点进出气操作，此方法N2用量较少、置换彻底，但操作较麻烦，具体操作为：先用“8”字盲板将火炬分液罐出口封堵，分前后两段分别置换。保持火炬分液罐出口前系统为0.1～0.2MPa压力，调换“8”字盲板方向，向火炬总管和火炬筒排放N2，火炬分液罐出口至火炬燃烧器之间的置换不憋压，采用变流量直排方式进行。反复2～3次后开始取样分析，直至合格。推荐方法一。
4) 完成上述操作，且分析结果全部合格后，立即联系调度，申请开启火炬燃料气(甲烷气)总阀，准备甲烷气吹扫作业。设计手册《石油化工企业含烃(可燃)气体排放系统》第四章对火炬气(甲烷气)吹扫做出了规定：火炬筒采用火炬气(甲烷气)吹扫速度为0.9m/s，吹扫时间不小于20min，吹扫后开始置换长明灯管道3～5min(甲烷与氮气混合物达到燃烧下限以上时，长明灯可引燃主火炬)，联系调度并申请点燃长明灯和主火炬，点燃后适当加大10%～15%火炬密封用燃料气量，使高空火焰暂时可视(正常生产时，利用燃烧器周围的火焰探测器来监视火炬密封气系统的正常工作状态)，再关闭长明灯和主火炬，调试并投用电子点火系统(以电子点火方式代替长明灯点火方式)。
5) 始终保持长明灯、电子点火系统全部处于工作状态，始终保持主火炬密封气燃烧，以使火炬系统处于完全备用状态。至此，火炬投产结束。
4 火炬筒爆炸的可能性
消除火炬筒爆炸的起因，是防止类似事故发生的关键。重点应避免以下几种情况发生。
1) N2置换不彻底，O2的体积分数超过2%的指标[3]。火炬总管的置换和O2含量检测比较简单，单点单管都可以做到。但是，如果装置内部的N2置换不彻底，可能导致引入火炬总管的O2含量超标，应引起高度重视。应从不同管系、不同位置、不同置换出口反复排气、检测，直至整个可燃气体管道系统(含设备)O2含量达标。
2) 严重回火。高架工业火炬火炬燃烧器下部设有单向微压阀瓣，可有效防止空气进入，具有防止一般回火的功能。向火炬总管连续输入密封燃料气并燃烧的做法是防止空气进入的补充措施。
回火是需要的燃烧压力高或燃烧器燃烧压力设计不合理(燃烧速度大于燃气流速)造成的。严重的不稳定的回火可能导致火炬筒体内吸入大量剩余空气，有引起火炬总管爆炸的可能性，会造成严重事故，务必高度重视。阻火器、分子封、氮气封、水封罐固定水封等都是避免回火的有效措施。
3) 密封气失效。高架工业火炬采用的是燃料气体密封，要保持火炬系统微正压状态，就应保持密封气压力和流量。任何原因停止密封气供应的做法都是不能接受的。应强调的是：密封气的供应、火炬长明灯和电子点火系统的正常工作应处于连续监控状态之中。一旦发现失控，应立即修复，甚至关闭井口SSV或井口闸板阀，以保证此时无超压泄放发生，此时严禁关闭站场出站总阀门。
4) 事故状态下放空过量。酸气管道或设备泄漏时，系统余气过量进入火炬、吸入空气易引发爆炸。管道或设备泄漏时，系统余气引入火炬燃烧，以减少H2S在暴露空气中的量是可以实现的，但切不可排放过量，以免引起火炬筒爆炸，导致事故扩大。
大量泄漏发生后，应紧急关井并启动BDV引燃主火炬。高压火炬燃烧速度较快，井口高压放空时最高速度可达171.5m/s(O.5马赫)，最低也达34.3m/s(0.1马赫)，因此应及时关闭放空，以免从不同的泄漏点引入空气而形成爆炸性混合物。建议的关闭压力为0.05～0.1MPa。0.1MPa压力下，集气站酸气系统自然泄漏可释放出的酸气小于200m3，其中H2S小于30m3，与火炬爆炸的风险相比是可以接受的。
5 火炬筒避雷针安全布置
高架工业火炬火炬有两种(塔架式和拉绳式)，共16个，高度为65～85m，设静电接地和非独立避雷钟。由于火炬较高，在其周围布置避雷针不现实，只有固定在火炬架顶端或燃烧器外侧。火炬不存在冷放空，一直有密封气在燃烧，不存在雷电打火引燃的情况。
6 地面火炬基本知识
6.1 地面火炬的技术特点
地面火炬通常指封闭火炬，但也包括地面多燃烧器火炬，具体选型主要是根据事故泄放的量来选择。前者主要用于泄放量较小的化工厂，后者主要用于泄放量大的乙烯和天然气项目。地面火炬组成部件除具有一般火炬所具有的燃烧器、引火器及其点燃器、火焰探测器、浮性或速度密封、气液分离罐、易燃易爆气体探测器、液封、管道、烟尘消除控制系统和辐射防护设备外，还有封闭体和燃气岐管。地面火炬装置能有效保证生产装置在开/停车状态、正常状态和事故状态工况下产生的放空气体能够及时、安全、可靠地放空燃烧，满足热辐射、有害气体排放达标等环保要求。
地面火炬作为一种极为有效的封闭式废气焚烧系统，具有以下特点：
1) 火炬向四周扩散的热辐射较小，封闭体外的热辐射值低于1.6kW/m2，可以减少防护区的面积。
2) 检修方便，除封闭体较高外，其余的设施均在地面上。
3) 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，提高了火炬操作的安全性。
4) 占地面积少。地面火炬由于燃烧发生在地面，不会发生火雨，主要依据辐射热计算确定防火间距。
6.2 地面火炬的特殊要求
1) 地面火炬与装置之间的安全防护距离的规定。由于目前国内地面火炬应用较少，《含硫天然气管道安全规程》[3]在第五章第六节中仅对高架火炬的设置提出了要求，对地面火炬与装置之间的安全防护距离并无规定。国外地面火炬应用较普遍，在火炬的有关规范(API 521[4]、API 537[5])中，对地面火炬与装置之间的安全防护距离计算均提出了明确要求。
2) 地面火炬的设计要根据现场的地质条件、气象条件和要求的地震设防烈度综合设计。
3) 地面火炬系统要将气体放空燃烧火焰完全控制在防辐射隔热罩内，尽量让外界看不到火焰，以最大限度地减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。
4) 地面火炬应设置安全防护墙，以禁止人员随意进入火炬http://www.dfhjdxw.com区，并在火炬发生爆燃或爆炸的极端事件时，能够承受爆炸冲击而不损坏，并迫使爆炸波向上泄放而不对地面的人员和设备造成危害。
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