辅助系统工艺设计02泄放系统与火炬

第二节泄放系统和火炬
一、概述
在海上油田开采过程中，通常伴随有大量的伴生气产生。

这些气体是可燃、有毒或带腐蚀性的烃类气体，如果不及时将这些气体处理掉而直接排放大气，可能造成火灾和严重的污染事故。

对海上油田而言，火炬燃烧气的气源主要有两种：一是油田伴生气；二是平台设施在故障状态下由泄压阀泄放出来的气体。

设计火炬系统的目的就是将油田生产出来的多余伴生气或者生产设施中泄放出来的气体在一个安全位置上烧掉，以确保平台的安全。

火炬放空系统是海洋生产平台上非常重要的安全系统，但其设计又是很复杂的。

目前，国内外推荐的设计方法主要是以API RP 521为依据的。

API RP 521上所介绍的方法侧重于炼油厂内的火炬，而对于海上油田，无论是在工艺还是设施上都有很大不同，因此，在设计海洋平台火炬时，需要有不同的考虑。

炼厂火炬与海洋平台火炬主要有下述两点不同：
1．炼厂火炬都采用直立塔式，而海洋平台火炬多数采用悬臂式（少数也用直立塔式），火炬臂通常100到200英尺（约30~60米），超过250英尺（约76米）则考虑单独的火炬平台结构。

2．所处位置不同
炼厂火炬距离厂区较远，并且其附近通常无人员走动，而平台火炬是沿平台边缘某位置悬伸出去，并且与水平方向成一定角度（一般15º~45º）。

火炬周围还可能常有人员走动。

海洋石油生产设施除前面提到的海上平台（固定式）外，还有浮式生产装置，如浮式生产储油装置（FPSO）、浮式储油装置（FSU）等，这些浮式生产装置上由于本身带有“不稳定性”，通常设在其上面的火炬在支撑结构设计上有比较高的要求，火炬可直接垂直安装或倾斜在船体主甲板上。

这种火炬系统的设计原理与海上平台火炬是相同的。

对于浮式储油装置（FSU）也有采用无焰燃烧式（地面式）火炬。

这种火炬的火焰完全封闭在一镀有耐火材料的钢室中，因此，看不见一点火炬燃烧的迹象，辐射强度可以减少到最低水平，操作人员工作条件较好。

无火燃烧式火炬系统的设计属于特殊的或专有设备，需要在火炬系统设计时与制造商进行紧密联系。

在本指南中，不对该种火炬的设计作论述。

目前，海上平台火炬系统的设计方法除了API RP 521上推荐的方法外，还有雪夫龙实用设计手册DP17.17-1上推荐的方法。

雪夫龙设计手册上介绍的方法也是API RP521上的方法为基础，并增加诸多海上平台火炬系统设计的经验和推荐作法，具有相当的实用价值。

因此，作为海上平台火炬系统的整体设计而言，建议将两者结合起来使用。

需要特别说明的是，本节中所使用的公式图表，除特别指明外，其余均取自于API RP 521。

二、泄放系统和火炬设计
1．泄放系统流程简介
泄放系统是海洋生产平台上非常重要的安全系统，其设计是否合理，将直接影响平台的生产和安全。

具体而言，泄放系统和火炬在海上生产设施中有如下用途：
1）为调节工艺过程中不正常状态，对某一容器或设备（如压缩机）在正确动作开始以前，可能有气体需要处理。

2）处理不能经济利用的多余的生产气。

3）处理紧急条件下的气体，如由于误操作或火灾引起的设备过压而产生的气体。

4）处理容器、设备和管线的放空。

图2-4-5给出了火炬系统的流程示意图，其流程描述大致如下：从平台相关设施生产或泄放出来的气体，经由各自的泄放管线，流入火炬系统的主泄放管并于其中汇合，汇合后的气体随后进入分液罐。

在分液中，气体脱去其中携带的直径为300至600微米的液滴，而后流入火炬筒体。

在火炬头，气体经长明灯引燃后，烧掉。

脱出的液体则由泵输出，进行回收。

图2-4-5 火炬系统流程示意图
2．火炬系统的主要组成
火炬系统主要由下列部件组成：
1）火炬筒体
2）火炬头
3）长明灯
4）密封
5）点火盘
6）分液罐
下面分别介绍各部件的功用：
1）火炬筒体：火炬筒体是一根管线，前端接火炬头，后端与压力泄放系统相连。

火炬筒体尺寸通常与集管尺寸相同，并通常使用工业化标准尺寸制造。

2）火炬头：火炬头直接安装在火炬筒体上，是火炬系统中气体进行实际燃烧的部件。

在火炬头的设计中，主要考虑的是稳定的火焰，使它不会被吹离或被吹灭。

火炬头根据燃烧工况的不同，将采用不同的型式。

由于火炬头的设计是属于专利产品，本指南不对其结构和设计做详细讨论。

3）长明灯：火炬长明灯用于点燃离开火炬头的气体。

为了保证最大的可靠性，长明灯必须保持一直燃烧着。

海上火炬的长明灯必须有独特的档风板，以保护在风速高达67m/s时，长明灯不会被吹灭。

在实际生产过程，必须使用自动长明灯故障检测系统，因为即使在晴天，
也很难看见长明灯的火焰。

自动检测系统是由一根专用电缆（由火炬制造商提供）将长明灯与点火盘相连，长明灯内有适应于高温的热电偶。

当热电偶检测出长明灯出故障时，它将发出一个信号，接着再发出长明灯重新点火信号。

另外，假如设在点火盘内的重新点火系统在几秒钟内不能重新点火时，相应的报警器将报警。

设计中，一般长明灯的数目至少要2个。

4）密封：密封是用于防止空气经过火炬头进入火炬筒体。

在某一时间，当火炬点火器工作时，如果任何可观数量的空气进入火炬系统，就存在着爆炸的危险状态，尽管在系统内空气通常与可燃气体以非均匀方式混合，但混合物可能处在爆炸范围内。

爆炸的剧烈程度与空气的数量和燃料的特性成正比。

空气进入火炬筒体的主要原因是火炬气排放量急剧下降，导致火炬气从筒体顶端回窜进入筒体，与筒体内气体混合，从而产生爆炸。

为了避免这种危险状态，在工业实际应用中采取连续地把气体注入火炬系统，以防止“无流体流动”状态。

这些气体被称为是吹扫或清扫气。

吹扫气可以是在火炬的任何操作条件下达不到露点的任何气体。

在海上生产平台上，通常使用天然气。

在炼厂，也有采用在火炬筒体底部增设一个密封罐来做为保护火炬系统的。

由于这种方法需要增加一个罐，这对海上生产平台有限空间而言，一般不采用这种方法。

5）点火盘：点火盘由空气和气体管线、混合室、火花间隙点火器和有关控制仪表组成，参见图2-4-6。

其工作原理如下：用于点燃火炬用的天然气，分为二路，第一路再分为二部分，其一进入点火器，先经压力调节阀将压力控制在100kPaG后，与来自仪表风系统压力为100kPaG的空气进入混合室混合，通过自动电打火，产生火花，做为点火引导气；其二则直接通往火炬头，做为长明灯用气。

另一路做为吹扫气进入整个放空管路和火炬系统，以保持内部始终为正压，防止空气进入。

点火盘上的混合室，有一个玻璃孔，操作人员可以通过它观察点火情况，当点火失败时，点火盘将自动点火三至四次，如果自动点火失败，还可利用其上的手动按钮，进行手动点火。

如果手动点火失败，将传送信号至中控室并报警。

在点火盘上，还有指示长明灯状态的指示灯，即每个长明灯有两个指示灯，分别指明长明灯正常和故障两种状态。

图2-4-6 点火盘
6）分液罐：火炬燃烧气体中如果混有液体，将会产生两个非常严重的问题：
（1）液体可形成“火雨”，它可能被风刮向平台，对人和设备形成危险处境。

（2）当火炬燃烧的气体速度不是很高时，燃烧液体溢出火炬头，最终沿火炬筒体流下，严重地降低了火炬系统寿命。

为了避免这些问题的出现，通常做法是在底部或靠近火炬筒体的下方加一个分液罐。

分液罐的作用就是从火炬燃烧的气体中脱去直径为300至600微米的液体。

分液罐必须为切线进口和有适当的内部设计，以保证脱除预期的液体。

分液罐的全部设计必须与火炬设计和其余的压力泄放系统相符合。

前面所叙述的火炬系统的各个部件，除火炬筒体和分液罐需要按实际情况进行设计计算外，其余部件如火炬头、长明灯和点火盘一般属于专利产品，它们的选择必须和火炬制造商代表进行讨论和分析，以得到足够的数据资料，并且由制造商进行设计和计算。

因此本指南只对火炬筒体和分液罐的设计做详细的讨论。

3. 火炬系统的压力分析
前面已叙，火炬的燃烧气是从平台相关设施在正常生产或事故泄放过程中排放出来的。

这些气体先经由各自的设备的泄放管线，然后流入火炬系统的泄放总管并在其中汇合。

汇合后的气体再进入火炬烧掉。

由于平台上有多种生产设施，各生产设施的操作压力或泄放量可能会不同，有的甚至相差很大。

不同操作压力或泄放量的生产设施在气体泄放过程中在火炬汇管里所产生的背压是不一样的，如果让这些操作压力或泄放量相差很大的设施中排出的天然气都进入同一个汇管，则压力高的设施的泄放过程中所产生的背压将会影响压力低设施的正常排放，进而影响火炬的正常燃烧。

因此，为了有效避免高、低压设施在泄放过程中出现这种干扰，在设计中，通常按设施操作压力的不同，采用两个火炬汇管，即高压汇管和低压汇管，并相应分别设置高压和低压两个火炬分液罐。

从高、低压设施中排放出的天然气则分别经过高压汇管、高压分液罐和低压汇管、低压分液罐，然后再进入火炬烧掉，这也就是设计中通常称的高压火炬和低压火炬。

对于一些操作压力更低（接近大气压）的设施（如闭式排放罐）中排除的气体，由于它们的压力太低，无法进入火炬系统正常燃烧，一般在设计中单独设置一条放空管，将这部分气体引到安全位置排放，这个安全位置有时也位于火炬臂的中部。

三、泄放量的确定
1．海上生产平台常见的事故状态
本节主要讨论海上平台常见的主要事故状态，但读者不要误以为这些事故是仅有事故。

在设计中，系统经常可能发生的危险情况都应被考虑。

如工艺设备、管线、机械或电气之间不存在任何关联或两个可能相继发生的故障，都可能是引起平台事故的原因。

操作人员的误操作也被认为是引发事故的潜在根源。

需要说明的是，本指南中所谈及的事故状态主要是海洋石油平台可能出现的事故状态，除此以外的事故，请详细参见API RP 521第二章。

1）容器出口关闭
当装置正在操作时，压力容器出口上的截止阀偶然关闭，可能使容器压力超过其最大允许工作压力。

如果截止阀在打开位置，并未上锁或装锁定器，就需要有压力泄放装置。

这种阀门一旦关闭，就可能引起超压。

2）控制阀失灵（窜气）
设备上游的控制阀出现故障，也可能会引起超压。

这种情况一般出现在由液位控制的液体从高压容器流入低压容器。

如果液位控制阀出现故障全开，这时高压容器内的液位将下降，气体便会通过液位控制阀窜到低压系统，从而引起超压，这种事故一般也称为“窜气”。

对于气体系统，也需要考虑控制阀失灵。

一个典型的例子就是燃料气系统入口的压力控制阀失灵，这时会引起燃料气分液罐内快速超压，因此，需要泄放。

3）换热器故障
在管壳式换热器中，管子可能出现由于热冲击，机械振动和腐蚀等几种原因引起的泄漏事故。

不论哪种原因引起泄漏，都可能使换热器的低压程出现超压。

对于压力相当低的设备，当低压端的设计压力等于或大于高压端的设计压力的三分之二时，整根管子破损就不可能是偶然事件。

当操作时，轻微漏泄通常会引起低压端超压。

相反，当低压端的设计压力小于高压端设计压力的三分之二时，整根管子破损被认为可能是偶然事故。

然而，如果换热器高压端操作压力是1,000PsiG（6895KpaG）或更高，并且内部容纳的蒸汽或能在低压端闪蒸或引起液体蒸发的液体，则整根管子破损应该被认为与压力差无关。

4）外部失火
任何压力容器或带压设备，在处理或加工易燃液体或气体的生产平台上，在其使用期间都可能受热，即使容器内介质不易燃烧，这种危险依然存在。

失火的主要原因是设备中泄漏的烃类，遇到明火时，会被点燃，从而引起火灾。

泄漏可以是设备泄漏、管线泄漏或操作失误而引起。

当含有烃类液体的容器暴露在周围明火时，容器将吸引热量。

如果这种吸热持续到足够长的时间，容器内的压力将上升，直至容器上的安全泄压阀顶开，进行压力泄放。

但是，为了避免容器在吸热过程中温度不断上升而引起容器出现应力破坏（尽管这时容器的压力可能并未超过其设计压力），通常在火灾事故下还需进行降压，即打开泄放阀（Blowdown valve）。

5）公用供给故障
对于由公用供给故障可能引起的后果，不论涉及全部装置或局部装置都必须仔细进行分析，以判断什么设备受公用故障的影响。

公用设备停止工作之后，要分析对装置操作的影响如何，从而确定公用故障引起的泄放要求。

2．泄放量的确定
本节对前面介绍的几种主要的事故状态下的泄放量的确定作为一般要考虑的问题和专门建议的形式提出。

1）容器出口关闭
当容器或设备上的出口被堵住时，为防止容器系统超压，泄放装置的容量至少必须与压力来源的容量同样大。

2）控制阀失灵
(1)对液体控制阀失灵，泄放量的确定步骤如下：
①确定设计条件
正常操作温度T（℃）
控制阀上游容器操作压力P1（BarA）
气体分子量M（KG/KMOL）
②确定控制阀下游泄放压力P2
P 2=1.1（S.P.）+1.013 BarA 2-4-7
式中S.P.为泄压阀设定压力 BarG 。

③选择临界流动系统CF
CF 可以从阀门样本中得到，在没有阀门样本的情况下，近似取CF =0.85。

④确定流动状态
压降△P=P 1-P 2 2-4-8
△P C =0.5 （CF ）2·P 1 2-4-9
如果△P <△P C ，流动为非临界状态
如果△P >△P C ，流动为临界状态
⑤计算泄放量
在非临界流动状态下，
FG=（66.77）（0.6Cv ）273
)(2221+•-T M P P KG/HR 2-4-10 在临界状态下
FG=（57.82）（0.6Cv ）（CF ）（P 1）
273
+T M KG/HR 2-4-11 式中C V 为控制阀的阀门系数。

(2) 对气体控制阀失灵，其泄放量的确定步骤如下：
①确定设计条件
气体流动温度 T （℃）
控制阀上游压力 P 1（BarA ）
气体分子量 M （KG/Kmol ）
②确定控制阀下游泄压阀泄放压力P
P 2=1.1（S.P.）+1.013 BarA 2-4-12
式中S.P.为泄压阀设定压力 BarG 。

③选择临界流动系数CF
CF 可以从阀门样本中得到，在没有阀门样本情况下，近似取CF =0.85
④确定流动状态
△P=P 1-P 2 2-4-13
△P=0.5（CF ）2（P 1） 2-4-14 △P <△P C ，流动为非临界流动；
△P >△P C ，流动为临界流动。

⑤计算泄放量
在非临界流动状态下：
FG =（66.77）（0.6Cv ）273
)2221++T M P P KG/HR 2-4-15 在临界流动状态下：
FG=（57.82）（0.6Cv ）（CF ）（P 1）273
+T M KG/HR 2-4-16 (3) 对上述液体或气体控制阀失灵两种情况，需有下面两点说明：
①如果考虑控制阀失灵故障下的最恶劣情况，即控制阀失灵（全开）时，其旁通阀也处于全开状态，因此，泄放量应为前面计算式中计算量的2倍，即：
FG ′=（FG ）×2 2-4-17
②对计算式中的控制阀阀门系数Cv ，可以从阀门样本中得到，也可以由仪表专业计算后提供。

3）换热器故障
在这种事故状态下，管子破裂是指管子有明显的裂口。

泄放量计算可用下述公式：
(1) 当介质为气相时（高压侧压力至少为低压侧两倍，如果低于两倍，则应适当降低其泄放量）
W =107×104（d ）2（P P ）0.5 2-4-18
(2) 当介质为液相时
W=4.7×104（d ）2（γP
∆）0.5 2-4-19
式中：W —气体或液体泄放量 KG/HR
d —管子内径 M
P —高压侧压力 KG/CM 2（表）
△P —高低压侧压差 KG/CM 2
p —气体重度 KG/M 3
γ—液体比重
4）外部火灾
确定容器外部受火时泄放量的步骤如下：
(1) 计算沾湿面积A
沾湿面积的计算按容器内液位高度位于正常液位时的沾湿面积考虑。

(2) 计算容器热吸收量
Q=（43.2）·（F ）·（A ）0.82 KW 2-4-20
式中F 为环境系数，其取值见表2-4-4。

表2-4-4 环境系数F ＊
(3) 计算泄放压力和泄放温度
泄放压力 P 2=（1.21）（S.P ）+1.013 2-4-21
式中P 2—泄放压力 BarA
S.P —泄放阀设定压力 BarG
泄放温度
T 2=EXP[（0.25）ln
12p p +ln （T 1+273）]-273 2-4-22
式中P1—操作压力BarA
T1—操作温度℃
T2—泄放温度℃
计算潜热
将泄放压力和泄放温度进行换算
P2′=P2×14.5 PsiA 2-4-23
T2′=1.8×T2+32 ºF 2-4-24 由P2′，T2′值，查图2-4-7
得到潜热值H′Btu/LB
换算成KJ/KG，即
H=（2.32）（H′）KJ/KG 2-4-25 (4) 计算泄放量
W=()()
H
Q3600
KG/HR 2-4-26
5）公用供给故障
对于公用供给故障所引起的设备泄放，由于很难用统一的模式来确定其泄放量，因此，这里不对其泄放量的计算做深入研究。

表-2中列出了在公用故障下可能引起的设备故障。

读者在遇到这种事故状态时，只要辩清产生的原因，就可能根据章节中的阐述来确定泄放量。

前面介绍的几种主要事故状态下泄放量的确定方法，只是单体设备在相应事故状态下的单体泄放量，它们并不是火炬系统的泄放量。

在确定火炬系统的泄放量时，要根据平台设施的实际布置情况来估算，而平台设施在甲板上的布置又是按照不同的安全区域来划分的。

我们考虑某系统或设备在某种事故状态下的泄放量时，不仅要考虑出事故系统或设备本身的泄放量，还要考虑其对与故障系统或设备位于同一区域內其它设备的影响，因此，火炬系统的泄放量应该是在某种事故状态下，位于同一区域内所有设备可能产生的综合泄放量。

具体地说，确定火炬系统的泄放量就是对不同区域内可能出现的各种事故态的泄放量进行综合分析，确定几种事故工况进行计算，然后取其中的最严重的工况作为火炬系统的设计泄放量。

在事故状态分析时，一般不考虑两种或两种以上不同事故在同一区域发生，也不考虑两个不同的区域同时发生两种不同的事故。

因此，在设计计算过程中，如果已经确定出某一个区域在某种事故工况下的泄放量最大，并以此作为火炬系统设计泄放量的基础，对于其它区域的这种事故状态下的泄放量，除非这种事故状态对它们有影响，需要计算泄放量，否则，其它区域的泄放量就按正常操作条件下的气体排放量，然后逐一叠加到选定区域的最大泄放量上，叠加泄放量的总和便可作为火炬系统的设计泄放量。

图2-4-7 轻烃混合物在泄放温度下的潜热值
表2-4-5 可能中断的公用供给和受影响的设备
中断公用供给受影响的设备
电气冷却循环水泵
锅炉上水泵，淬冷泵或回流泵
空气冷却热交换器的风机、冷却塔的风机或燃烧空气风机
工艺蒸汽压缩机、仪表空气压缩机、真空压缩机或
制冷压缩机
仪表、电动阀
冷却水工艺或公用供给冷凝器
冷却器
回转或往复设备的水套
仪表空气变送器和控制器
工艺调节阀
报警和关断系统
蒸汽泵的涡轮原动机、压缩机的涡轮原动机、助燃空气风机的涡轮原动机或发电机涡轮原动机
重沸器
往复泵
直接注蒸汽的装备
喷射器
燃料（油、天然气等）锅炉
再热炉（重沸器）
泵或发电机的引擎原动机
压缩机引警泵动机
燃气轮机
惰性气体密封
仪表和装备的净化
四、辐射热的确定
辐射热值的选取在火炬系统设计中是非常重要的参数。

它的选取直接关系到火炬系统的设计是否合理。

1．辐射热对平台的影响
辐射热对平台的影响包括人员和设备。

对人员影响主要是考虑对人的皮肤的灼烧。

据API RP 521上的资料介绍，当辐射热强度达到2000Btu/hr·ft2（6.32千瓦/米2）时，人在其中达8秒钟就会感到痛，达20秒皮肤就会起泡。

但在平台上，要考虑的另一个保险因素是工作服提供了有效遮蔽，只容许身体很少部分暴露在很强的热辐射下。

作为比较基准，日光的辐射热强度在250~330Btu/hr·ft2（0.79~1.04千瓦/米2）范围以内。

日常的热辐射对某些位置可能成为一个影响因素，但加到火炬辐射热上的日光效应对容许的暴露时间只能起微小的影响。

辐射热对设备的影响主要是指设备承受热辐射后，引起温度上升达到该设备最高允许温度时的热辐射强度。

设备的最高允许温度由其材质、结构、用途和环境等因素而定，计算较复杂，而且不易算准，工程实践证明，绝大多数情况下，设备能够安全接受的热辐射强度要比人员确定的要高，因此，工程上不进行具体计算，只考虑给火炬附近设备加上适当的隔热措施。

2．辐射热值的选取
关于设计中热辐射强度的取值问题，目前有关资料中并未给出明确的选用值，都是推荐用值。

在这里，我们给出API RP 521和雪夫龙规格书中推荐的选用值，作为一个比较。

表-3中列出了API RP 521的推荐用值。

在雪夫龙规格书GS 16.07-1中，对火炬的辐射热选取有下述两点论述：
1）对于连续燃烧的火炬，计算火炬头至平台甲板之间的最小距离是基于热辐射强度600Btu/hr·ft2（其中包括太阳热辐射强度260Btu/hr·ft2）。

2）对于间歇性的短期燃烧（时间≤16秒）的紧急事故状态下，在计算火炬头至平台甲板所要求的最小距离时的设计热辐射强度是基于1500Btu/hr·ft2）。

API RP 521上介绍，由于允许的辐射热强度是暴露持续时间的函数，所以必须考虑人的反应时间和灵活性的因素。

在紧急放空时，该时间可以设想为3~5秒，每个人找到遮蔽或脱离现场需要5秒钟，这样总暴露时间8~10秒钟。

从表-3中的数值可以看出，容许热辐射强度设计等级1500Btu/hr·ft2和500Btu/hr·ft2与雪夫龙规格书上推荐的数值基本是一致的。

但如果考虑太阳辐射热的情况下，表-3中的数值比雪夫龙规格书中的值偏高。

由于表-3中推荐数值是偏重于炼厂，而雪夫龙规格书中是偏重于海上平台，因此，我们推荐使用雪夫龙推荐的热辐射强度值，即
1）火炬正常燃烧（连续）时，火炬的热辐射强度值取600Btu/hr·ft2；
2）紧急放空时，热辐射强度取1500Btu/hr·ft2。

其中的热辐射强度值都包括太阳辐射热260Btu/hr·ft2。

3．辐射热计算点的选取
这里所谓的辐射计算点，是指在火炬周围必须限制辐射强度的暴露点，也就是说，火炬燃烧时释放出的辐射热，只要在这点的热辐射强度低于设计所允许的热辐射强度，那么，平台上所有其它位置上的热辐射强度也将低于允许的热辐射强度，从而保证平台人员安全。

这个点可以是平台上的某点，也可以是平台上部空间有人员出入的某个点。

众所周知，火炬燃烧时以火焰为中心的热源，其辐射热是以球形均匀向周围传播的，也即在同一球面上各点热辐射强度相等，球的半径越大，球面上的各点受到的热辐射强度越小。

根据辐射热的辐射原理，在设计计算中，这个点通常处于平台上的距火炬较近且位置较高的设备上。

实际上，这个点的选取通常在平台上部设施（设备或模块）布置完成后，再考虑到人员活动的场所是很容易找到的。

根据以往的设计经验。

这个点常位于平台吊机操作室或钻修井工作台某个位置。