天然气净化厂火炬系统设计研究_孙一伦

Qf 2.78 10 4 H y qm
式中：Qf —火焰产生的热量，W； Hy— 排放气体的低发热值，J/kg； qm—排放气体的质量流量，kg/h。
（2）
得出计算结果后， 将其提供给火炬头制造厂家， 由厂家进行设计以达到设计的要求。
2
火炬系统不能停工检修问题
火焰长度： 当火炬头出口气体马赫数 M a 0.2 时按式（3）计算。
式中：A —火炬头出口有效截面积，m ； qm —排放气体的质量流量，kg/h； 3 ρ —操作条件下气体密度，kg/m ； Ma —火炬头出口马赫数； ___ M —排放气体的平均分子量； k —排放气体的绝热指数； T—排放气体的温度，K。
2
孙一伦：天然气净化厂火炬系统设计研究
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在计算时， 可以参照 SH3009 的第 8.3 条计算方 法进行计算。 火焰产生的热量按式（2）计算。
一般情况下、炼油厂及化工厂全厂装置会统一 安排检修。因此配套的火炬设施可以根据装置的检 修安排同时进行停工检修。而由于天然气很难大量 储存、因此天然气净化厂一般来说不能全厂停工进 行检修。 因此配套的火炬系统也无法进行停工检修。 针对这一问题。我们设置了一套备用的火炬系 统。含备用分液罐、备用水封罐、备用的高压火炬 头和低压火炬头（见图 1） 。 其中，高压火炬 FL-001A 和低压备用火炬 FL-002B 共架； 低压火炬 FL-002A 与高压备用火炬 FL-001B 共架。正常运行工况，高压火炬 FL-001A 与低压火炬 FL-002A 长明灯同时燃烧。 所有通往备 用火炬系统的阀门全部关闭。当需要停工检修时， 以检修高压火炬为例。首先打开备用水封罐 D-012 后通往高压备用火炬 FL-001B 的阀门， 通入氮气对 备用火炬系统进行吹扫。然后点燃高压备用火炬 FL-001B 的长明灯，打开高压火炬放空线上通往备 用火炬系统的阀门。之后关闭高压火炬正常运行时 的阀门，通入氮气对整个高压火炬系统进行吹扫。 吹扫完毕后、熄灭高压火炬系统的长明灯。此时高 压备用火炬 FL-001B 和低压火炬 FL-002A 同时燃 烧、高压火炬 FL-001A 和低压备用火炬 FL-002B 所在塔架上火焰已经全部熄灭。工作人员可以登上 塔架，此时高压火炬系统的分液罐和水封罐也已经 停止工作，工作人员可以对整个高压火炬系统进行 检修。 但是，同时设置两套火炬系统需要注意辐射热 问题。 在一般的火炬设计中， 我们只是根据 SH3009 的第 8.1 条规定对最大放空工况时地面的辐射热进 行计算。根据计算结果来规划设备的平面布置。而 当两套火炬系统时，我们要考虑当一套检修时、另 外一套火炬突然发生事故放空这一极端工况。 因此， 除了正常的火炬辐射热计算外。还要计算当最大放 空工况时、放空火炬对另外一座火炬塔架最顶层平 台的辐射热影响。同时设计时要求这一平台必须背 对另外一座火炬、以保护操作人员。
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当
代
化
工
2014 年 5 月
算出 （火焰中心至受热点的距离）值。来校核两火
炬塔架之间距离是否满足要求。
图 1 火炬放空系统流程示意图 Fig. 1 The flow diagram of flare system
3
净化厂放空气体的温度低
天然气净化厂内放空气体主要为原料天然气。 事故放空时原料天然气减压的同时温度会急剧降 低。甚至有可能降低到-20 ℃以下。一旦进入水封 罐内，很有可能将水封罐内的水冻住。产生堵塞， 引起安全事故。因此需要对放空气体的温度进行调 整，使之升高到 0 ℃以上，防止水封罐内水冻结。 具体解决方法如图 2。
Dr —火焰中心至受热点的距离， D r RH —空气湿度百分数； 3 ρa—空气密度，kg/m ； 3 ρe —排放气体出口处的密度，kg/m ； ，m/s； νw—风速（最大取 8.9） νe—排放气体出口速度，m/s。
Qf 4 π K ，m；
在计算时候、可以假设火炬高度为距火炬头最 近一层平台与火炬头之间的高度为火炬高度。根据 SH3009 第 8.1.7 条规定“8.1.7 对于分别布置且不同 时检修的火炬塔架顶部平台的允许热辐射强度（来 自于另一个火炬的热辐射）应小于等于 4.7 kW/m2。 （允许的火炬热辐射强度，kW/m2； ）值取 4.7。反
1
放空气体放空量大、含硫量高、低 压火炬放空气体热值低问题
净化厂火炬放空系统一般来说选取原料气进料 线紧急关断、原料气全部放空工况作为最大放空量 工况（有极个别情况在仪表故障时候的瞬时放空量 可能更大） 。 放空气体组成为未净化的天然气， 放空 量大、含硫量高。一般的炼油厂酸性气火炬设计中 虽然含硫量也比较高、 但是放空酸性气的量比较小， 火炬的处理能力较低，火炬头很小，无法直接应用 于净化厂。因此在设计中我们只能参照炼油厂酸性 气火炬，采用了如下措施进行进行设计。
A=3.047 106
qm M Ma kT
（1）
收稿日期： 2014-03-10 作者简介： 孙一伦（1981-） ，男，辽宁抚顺人，工程师，2004 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：石油化工设计。E-mail： 27768761@qq.com。
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阀门连锁打开，加热器启动，同时根据分液罐出口 的放空气体温度，使用调节阀调整蒸汽的流量。以 保证分液罐罐出口的放空气体温度维持在 0℃以 [3,4] 上。避免造成分液罐后的水封罐内水结冰 。造成 安全事故。 在具体的设计工作中，我们采用了 HTRI 软件 进行换热器计算。壳层介质为火炬放空气体，管层 介质为蒸汽。使用蒸汽对火炬放空气体进行升温到 4 ℃以上。具体参数及计算结果如图 3、4 所示。
（1）首先在火炬管道材质选择方面选择抗硫化 氢腐蚀的材质，防止硫化氢腐蚀管道。 （2）根据 SH3009 的要求，要求装置内低发热 3 值低于 7 880 kJ/Nm 的放空气体必须经过热值调整 3 后（调整后热值需高于 7 880 kJ/Nm ）方能排入火 炬系统。同时设计专门的酸性气火炬头，加入燃料 气伴烧的同时扩大火炬头的直径，降低火炬头处放 [1,2] 空气体排放的马赫数 。 以能达到更好的燃烧效果。 达到环保及安全方面对于燃净率及硫化氢、二氧化 硫落地浓度的要求。 在设计中，根据 SH3009 第 8.2.5 条规定，处理 酸性气体的火炬头出口马赫数宜小于等于 0.2。 在计 算火炬头有效截面积时，高压火炬放空气体的热值 较高一般在计算中马赫数选用 0.2 即可。低压火炬 放空气体热值较低，在计算中一般会降低火炬头处 放空气体排放的马赫数（不大于 0.1） ，以便使之燃 烧 的 更 加 完全 。 在确 定正 确 的 马 赫数 后 ，根 据 SH3009 第 8.2.8 条规定对火炬头有效截面积进行计 算。计算方法如下。 火炬头出口有效截面积应按式（1）计算。
摘
要： 天然气净化厂火炬系统的设计与普通炼油厂火炬系统设计有所不同。天然气净化厂中的放空火
炬气含硫量高、放空温度低。而且目前中石化所建设的净化厂项目均要求装置轮番检修，即火炬系统不能停工, 对设计提出了新的课题和要求。 关 键 词：天然气净化厂；火炬系统；检修；高含硫； 低温放空 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2014）05-0822-04 中图分类号：TE 624
Design of the Flare System of Natural Gas Purification Plants
SUN Yi-lun
（Sinopec Engineering Incorporation， Beijing 100101，China） Abstract: The flare system design of natural gas purification plants is different from ordinary refineries. The flare gas in natural gas purification plants has high sulfur content and low temperature. And current purification plants constructed by Sinopec Group require device maintenance in batches, namely the flare system can not shut down, which will propose new design issues and requirements. Key words: Natural gas purification plant; Flare system; Maintenance; High sulfur content；Low temperature
图 2 火炬分液罐内加热器工作示意图 Fig.2 The working schematic diagram of heater in flare dispenser
如图 2 所示，在火炬分液罐内设置加热器，当 有放空气体进入可燃气体放空系统时候，在放空总 管上的温度变送器测到温度变化后，蒸汽管道上的
根据结果由设备专业进行设备的设计，分液罐 结构形式如图 5 所示。 校核两火炬塔架之间距离是否满足要求。 从上述计算结果中可以看出。采用此方案后， 分液罐出口的放空气体温度可以达到 4 ℃以上。 不 会使分液罐后水封罐的水结冰。能够达到设计的要 求。 但是需要特殊说明的是，在新颁布的规范 SH 3009-2013 《 石油化工企业可燃性气体排放系统 设计规范》 中第 4.4.1 条规定 “由液相蒸发或安全 阀排出的介质因减压而使温度低于 0 ℃的可燃性 气体， 其排放管道在低温可燃性气体升温至 0 ℃之 前，不应接入含有水分的可燃性气体排放系统管 网。”根据这一规定，在以后的净化厂设计中高压 放空气体应在装置内进行升温再进入火炬系统，不 需在火炬系统的分液罐内进行处理。
DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2014.05.060
第 43 卷第 5 期 2014 年 5 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol.43，No.5 May，2014
天然气净化厂火炬系统设计研究
孙 一 伦
（中国石化工程建设有限公司， 北京 100101）
对目前国内所建设的天然气净化厂项目进行分 析。净化厂内火炬系统的设计与普通炼化装置配套 的火炬系统有很多不同，主要为以下几点: a、净化厂放空气体放空量大、含硫量高、低压 放空气体热值低不易燃烧完全。 b、 净化厂内装置的检修原则为轮番检修， 即不 能全厂同时停工检修。因此作为安全手段的全场火 炬放空系统不能全系统停工检修。 c、净化厂放空气体的温度低。 针对上述问题，在净化厂项目的火炬系统设计 中，一一进行了解决。
图 3 HTRI 软件运行参数 Fig.3 The operating parameters of HTRI
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图 4 换热器内蒸汽计算结果 Fig.4 The calculation results of steam in heat exchanger steam
Lf 源自文库 118Dfl
计算。
Lf 23Dfl ln M a 155 Dfl
（3）
（4） 当火炬头出口气体马赫数 M a 0.2 时按式 （4）
式中：Lf ——火焰长度，m； Df1 ——火炬头出口直径，m。 火炬高度按式（5）计算。
hs
Qf ( X X c )2 Yc 4πK
（5）
热辐射系数 ε 按式（3-6）计算
100 116 30 116 5.846 103 H y 0.2964 ( ) ( ) RH DR
（6）
空气与排放气体的动量比值 Er 按式（7）计算；
Er
a w 2 2
（7）
式中：hs—火炬高度，m； M — 排放气体的平均分子量； Hy —排放气体的低发热值，kJ/m3； K —允许的火炬热辐射强度，kw/m2； X —火炬通体中心线至计算点的水平距离，m；Xc 在风速作用下 火焰中心的水平位移，m； Yc —在风速作用下火焰中心的垂直位移，m；