高架火炬系统的设计与计算

!针#术石油化工设计
Petrochemical Design2018,35(3) 8 ~ 12高架火炬系统的设计与计算
民
(山东三维石化工程股份有限公司北京节能环保开发中心，北京100020)
摘要：高架火炬系统是石油化工行业重要的安全设施。

通过介绍中石化某石化炼油厂新建高架火炬工程设计实例，对火炬系统工艺流程设计、火炬系统主要工艺计算、火炬筒体上的主要设备及火炬点火系统等进行了阐述。

重点介绍了火炬系统总管直径的计算和选取，以及火炬分液罐、火炬水封罐、火炬筒体的计算。

提供了高架火炬系统设计与计算的思路和方法。

关键词！火炬排放量分液罐水封罐设计计算
doi：10. 3969/j.issn. 1005 - 8168.2018.03.003
高架火炬（以下简称火炬）主要用于处理石化 设 的废气和 性气体或 状态下的可燃性气体。

的设计包 气排放管网和 置两部分。

的设计内容包气总管和各分 的设计；置的设内容包 #体、分、水封罐、点设备设计。

1工程概况
中石化北京某分公司炼油厂1 〇〇〇万t/a炼 油系统改造项目新建了 5套装置，新建装置事故 气体排放量大，排放气体管道直径 ，炼油厂现有火炬设施的能力难以接纳新建5套装置 气体的 增量，且新建装置距现有火炬区较远，为保证新建装置正常生产运行及在
气体，在 新建装置区东北方向约700 m处的山上新建一座高架火炬。

2设计依据
2.1设计原则
根据各装置事故状态火炬气排放量，在满足 相关 和 要 安全环保的前 ，确 定新建 设 模。

2.2基础数据
新建5套装置包括%800万t/a常减压蒸馏I 装置、140万t/a延迟焦化装置、200万t/a加氢裂 化装置、5万m3/h制氢装置、第二套三废处理联合装置（包括6万t/a制硫装置、150 t/h污水汽提装 置及250 t/h溶剂再生装置）。

各装置火炬气最大 排放量 1。

从表1可看出％停电工况是新建火炬最大排 放工况，是低压排放状态，同的装置有：加氢裂化装置202 000 kg/h;制氢装置43 000 kg/h;三废装置17 158 kg/h(酸性气）。

停蒸汽工况是 高压排放最大工况，加氢裂化装置146 000 kg/h。

3工艺流程设计
新建火炬承担着炼油厂新建的加氢裂化装 置、置、减压 置 处理 合 置在 气体的 。

新建 分设高、低压 气主 性 气 。

3.1主火炬系统
为保 新建 置在 气体，根据排放压力分设高、低压2条气体排放管，分 设置分 和水 。

工 置在
状态下的 气送至 ，分，将 气中 的液体 分离，再通过水封罐人口进人水封罐内的水面以下，达到一定压力
收稿日期！ 2017 -09 -28。

作者简介：彭安民，男，2003年毕业于中国石油大学
(北京）储运专业，学士，工程师，主要从事石油化工设
计工作。

联系电话：010 -64352961 &E-mail:pen/an-
min@
2018年第3期（第35卷)彭安民.高架火炬系统的设计与计算•9 •
后冲破水封进入火炬燃烧。

分液罐分离下来的凝
至污油 。

现
气进入回收气柜管网的操作压力12〜25 kPa(表）和排放气 的安全性，确定用于排放气 的最高水封高度是1500 mm;气：排放进火炬燃烧的固定水封高度是250 mm，可确保在
气体 破水 和满足火炬系统的防回火要求。

根据该厂火炬气排放工 况不同切换水封实际高度。

该主火炬系统原则流 程如图1所示。

表1各装置火炬气最大排放量统计
项目温度/〇C
置
压力/
k P a()分子量
量/(k g• h_1 )
开停工火灾
公工程
误操作
水电蒸汽
高压
加氢裂化装置
50 ~ 200300 ~500 4.28146 000146 000146 000146 000
低压排放
加氢裂化装置18010019.93202 000202 000202 000置
40 ~ 36010010.5519 76043 00043 000
合装置10018.1 2 07433517 158减压装置40 ~ 250100121 359 3 112
化置
2001005091 000
3.2酸性气火炬系统
三废处理联合装置的酸性气含_S，因此三 废处理联合装置的酸性气单独设置酸性气火炬系 。

设置分 ，不设置水 。

在 ：状态下的酸性放空气 ，进入分液罐将 气中 的液体 分 直接排性气 。

4工艺计算[1]
的设计工况，应选取系统内最大排放装置的一次最 量和同一 中置同时泄放的排放量总和中的较大值。

本次新建火 炬工程主火炬系统设计规模以加氢裂化装置和制 置 工况、低压 状态下同 的总量245 000 kg/h进行设计;高压排放系统设计规 模以加氢裂化装置停蒸汽工况下排放量146 000 k//h设；酸性气 设 模以三废置低压排放状态工况排放量17 158 k//h进行 设计。

，本文主要针对新建 工程主设 模，加 化 置和 置停电工况、低压 状态同时排放合计245 000 kg/h火矩气
设计计算。

• 10 •石油化工设计2018年第3期（第35卷)
c =1.11x10
=k 3 d 3
I KQT
K 2E
P
2
/4f 21(p 1 -?2T
’ ^3p 2+^ 1 000 ):
RT C (Re )2
[.30 7 x 107d3l Pl + Pl -p 2 +
f
/+
(9)(7)(8)(<) (10)
式中，C —卧式分液罐直径，
分
型式系数，取K = 1; >1
管的距离，m ;K -;K ---单流卧式
一分液罐进出口
系数，取3; E 一火炬气的液
滴沉降速度，m /s ; f s2;dr
重力加速度，取< 81 m
液滴直径，取0.000 5 m ;,—
液滴的
-操作条件下气体的密度，取 1 000 A g /m 3;,’密度，kg /m 3; C
—
液滴在气体中的阻力系数;
+—
气体动力粘度，取0.008 3 x 103 P + • s 。

在气体中的阻力系数计算列线见图2。

图2
液滴在气体中的阻力系数计算列线
经过计算，根据公式（9)求出=0;5 k / m 3;根据公式（10)求出C (Re )2 = 17 773,再由图2 查出C =0.9;然后根据公式（8)计算出E = 3.11 m/s ;根据公式(6)计算出C = 3. 53 m ;再根据公 式(7)计算出>1=10. 6 m 。

经圆整和考虑工艺设 备配管需要得C =4 m ，>1 =12 m 。

4.3火炬水封罐
针对该厂新建装置停电事故低压火炬气排放 量大且
量
的实际情况，为更好的满足排
放气的油水分离和气液分离，该工程
气系统
挡液板的卧式水 。

带挡板的卧式水直径按
式
％
4.1排放气总管直径
排放气管网直径的选取应满足生产装置经安 全 的气
在
力
水封
破水封。

在此主要叙述
气总管的计
，
气分
同理可参照。

1中排放气的排放压力，依据SH
3009—2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性 气体
设 》[1]， 气道阻力降按
式计算％
:
0.6+TQ 2
>
~
d5
R @ 68、0.2
+
0.11(7+?)Re =
dup 2/=
a = Q /(3 600(d 2/4),=1 000):/(r t )
式中，：---起点压力，取200 kPa (绝）;：----终点压力，AP + (绝）； >一一管道计算长度，取700 m ;M —一水利摩擦系数(无因次）；"一一气体密度 与空气密度的比值，取0.63; T
一一操作条件下的 气体温度，取453.15 K ; Q —一标准状态下气体体 积流量，取321 396. 959 m 3/h ; d
—管子内径，cm ;
Ra ---管内壁绝对粗|造度，取
0. 02 cm ;
Re 一一雷诺数;,
一一操作条件下气体的密度，
k /m 3; b ---气体动力粘度，取0. 008 3 x 103 Pa •
s ;u —气体流速，m /s ;)—
气体相对分子量，
取 18.28 ;R —气体常数，8 314 N • m /(k / • K ) (下同）。

气总 直径
1 000 mm ，
公
式(4)求出u = 113.7 m /s ;根据公式(5)求出,= 0.97 m /s ;根据公式（3)求出Re = 13 287 831;再根 据公式(2)求出M = 0. 013 ;代入式（1)
:=
154 kPa (绝），该值远大于250 mm 水封高度为 102.45 kPa (绝）。

选择DN 1000火炬排放气总管 满足排放气轻松突破水封。

因此， 气总
管直径确定是DN 1000。

4.2
火炬分液罐
分液罐主要功能是分离排放气中直径300〜 600 )m 的液滴。

本新建火炬工程排放气系统采
流卧式分 ，单流式分
尺寸
公 式如下％
(2)(3)
⑷
(5
)
2018年第3期（第35卷)彭安民.高架火炬系统的设计与计算•11 •
c=i.i5xi〇_V D"e(11)
> =L3 +L a +L5(12)
>4= D C(13)
式中，C—分液段水封段直径，m$L—水封罐 筒体长度，m;>3—气体出口到分液段筒体端部 的距离，m，设备结构的要求确定;>4—挡液板与气体出口之间的距离，m;>5—水封段长度，m〇
依据SH 3009—2001《石油化工企业燃料气系 统和 性气体 设 》，水 气立管必须高出水封控制最高液面3 )，且挡液板顶 端应高出水封段最高水位200mm，同时水封段应 满足:①水封水量;②挡液板上方气体通道面积应 气口截 ；&附属设备安装要求。

经过计算，公式（11)计算出C = 3.66 m。

再根据公式（13)计算出>4=11m。

结合满足 水封罐设 的要 1。

度总和 足以
上要求及配管需要的最大值6m。

最后根据公式 (12)计算出L= 18m。

经圆整和考虑工艺设备配
需要，最后取该低压水封罐直径C = 4 m，水封 体 度 L E19.8 m。

4.4火炬筒体
火炬筒体的设计计算包括火炬筒体出口直径 的 和 体高度的 。

4.4.1火炬筒体出口直径
火炬筒体直径按下列各式计算：
C= 1-128 槡(14)
4 = G/(3 600p2[)(15)
E=/E(16)
E =( DRT/M)0'5(17)式中，C—火炬筒体出口直径，m;4---火炬筒
体出口截面积即火炬头有效流通面积，m2;G—
排放气体质量流量，245 000 kg/h;m---马赫数，单个装置开停工 最大排放量 0.2,局部、水 成若 压设施同时泄
最 量时取0.5; E—声波在 气体中的
传播速度，m/s;D—排放气体绝热指数，取1.1。

经过计算，根据式（17)计算得E =476 m/s;再根据式（16)计算得出的流速E+ =238 m/s;根据式（15)求出4 =0.38 m2;再根据式（14)计算出火 炬筒体直径C =0•7 m。

根据SH 3009—2001第4.0. 20条规定:火炬筒体直径不得小于排放气总 管的直径。

再考虑到新建主火炬筒体由高、低压 气管网共用。

综合 和
素，火炬筒体直径C最后确定为1.1mm。

4.4.2火炬筒体高度
体高度按 式 :
H=槡_(1 _夺—!)2(18)
!=t/_I E(19)
Q{=2.78 x10_7HyG(20)
Gs t =G(0.68-10.8/,) (21)
H= 120C{(22)式中，H—火炬筒体高度，m;$——热辐射率，取 0.2;9—火炬的热辐射强度，取1.5;I—最大 受热点到火炬筒中心线的水平距离，取90 m; H---火焰高度，m;!----有风时的火焰倾斜角度；—最大受热点至地面的垂直距离，0; E—火炬头出口处最大平均风速，取42 m/s; Q{—火焰放出的总热量，kW/h;H—排放气 体的低发热值，取45 000 000 J/k/;Gs t—消烟蒸 汽流量，k/h。

经过 ，根据式（22)求出H =132 m;根据
式(21)求出 G. =21 851.64 k/h;根据式（20)求 出Q{=3 064 950 kW/h;根据式（19)求出！= 10。

；最后根据式（18)求出H{ = 117. 15 m;经圆整得火 体高度 120 m。

5火炬筒体上主要设备
5.1火炬头
火炬头是火炬系统中最重要的设备，主火炬 头设 消烟来帮助 气完全燃烧，新建 ：敞开锥体和 夹 的二次引射空气
式低噪音无烟型主火炬头，该火炬头公称直径为 1 100 mm，高度为4 000 mm，火炬头上部筒节采用 耐热不锈钢310SS，保证火炬头顶部材料的高温强 度和抗腐蚀性能，部筒节 不锈钢304SS，确保 整体抗腐蚀性能。

化 气体 不
•12 •石油化工设计2018年第3期（第35卷)消烟的技术特点，酸性气火炬头采用顶部空间带
锥体花瓣形引火环的低噪音无烟火炬头，火炬头 公称直径350 mm，高度为4 000 mm，火炬头上部 采用镍基高温合金材料W H3030，下部采用310SS，保证高温强度和耐腐蚀性能。

在主火炬头用筒体 外面均布安装4套节能长明灯，在酸性气火炬头 体外面均布安装2套节 明灯。

节 明灯组件设置的引射器、防风罩、过滤器、可调喷嘴，保 安全可靠性 的节能效果。

5.2分子密封器
分子密封器是火炬设施中防止回火的一个重 要设备，本设折流式分 ，其工作
原理 氮气 气体，将氮气 分 '折流筒体的顶部，在该区域内形成微正压。

当氮 气在其内的流动速度略 气的分子扩散速度，即在分折流筒体的顶部长期形成一个不含空气的微正压区域，起到阻止空气倒流至火 体内的 。

主火炬分子密封器的规格是DN1100、高6000 mm、最大直径2 400 mm;酸性气火炬分子密封器 的规格是DN350、高6 000 mm、最大直径840 mm;分 体材 304SS。

为防止冬季低温况下发生冰冻，分 设 伴热设施。

(上接第7页）
2.2变形控制型量的验算
2.2.1不产生塑性递增的验算
+'B/<]m++ ['m]m+!'s(15)其中为运行中最高和最低壁温屈服极限平均值，Pa。

2.2.2不产生蠕变递增的验算
['L+'B^<]m a + ['m]m a!1•25['](16*
其中：['$]取交变的平均壁温在104 (的许 用应力。

2.2&蠕变-疲劳验算
目前ASME的蠕变-疲劳验算，采用线性破 坏准则％(火炬点火系统
新建火炬设置2套点火系统，即自动点火系
统和地面内传焰式点火系统。

点火控制信号引至 炼油一厂中 室，的气源 料气。

当放空气体 ，由启，在过程中需打 料气管道上的电磁阀，
点火成功后则关闭电磁阀；地面点火系统是自动 的，当失灵时，启地 ，空气净化风与燃料气分：人
地面内传焰式火炬点火系统，按一定比例混合后 气体，引，火焰沿引 引至火
炬头部，点燃长明灯，长明灯点燃火炬头。

7结语
火炬是石油化工生产装置重要的安全和环保 设施，在 设计和 的每一个环节都需全面
考虑。

气总管的确定，分、水
体的 关键的。

参考文献：
[1 ] SH3009—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[S].北京:中国石化出版社出版,2002.
i(*)$(})!C(17)式中:C为总的蠕变-疲劳损伤；-为交变荷 载为j的施加次数;-为交变荷载为j的设 用 数。

参考文献：
[1]姜佛之，赵熙时，编著•工程材料的力学性能[M].北京:北
京航空航天大学出版社,1991.
[2]霍奇.结构的塑性分析[M].北京:科学出版社,1964.
[3] S.铁木辛柯,0盖尔，著.材料力学[M].胡人孔，译.北京％
科学出版社,1978.。