苏里格气田常压火炬与音速火炬应用效果分析

吴付洋，郭永强，程小路，周忠强，刘 彬，李 希，王 昊

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

苏里格气田常压火炬与音速火炬应用效果分析

吴付洋1，2，郭永强2，程小路2，周忠强2，刘 彬2，李 希2，王 昊2

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗 017300）

为减少事故状态下排放的天然气对环境的污染，苏里格气田设计使用高低压火炬放空系统用于处理厂及来气干线紧急事故状态天然气的燃烧泄放。本文通过对常压高架火炬和音速高架火炬系统工艺流程、设计初衷、事故状态下天然气燃烧泄放能力等重要参数进行计算分析，提出了常压火炬及音速火炬在日常生产出现的问题及对应的解决措施，对火炬日常应用有指导性意义。

处理厂；常压火炬；音速火炬；泄放量

为保证苏里格气田天然气处理厂在事故和检修状态下全厂设备装置的安全，苏里格各天然气处理厂均设置了火炬放空系统（见图1）。火炬筒上部设有分子封，密封气为燃料气，该燃料气由处理厂系统提供，火炬筒始终保持微正压，以防止火炬筒中形成爆炸性气体，在放空时引起爆炸，毁坏火炬放空系统影响处理厂安全生产。设计合理的放空火炬能保证火炬燃烧效率、热辐射、气体扩散和火雨等达到环境保护的有关要求，有效减轻污染，保护天然气处理厂的安全生产[1，2]。

图1 火炬放空系统工艺流程图

1 常压高架火炬与音速火炬运行效果分析

放空火炬的类型根据泄放的流速可分为音速火炬和非音速火炬。苏里格天然气处理厂内集气、配气、高压燃气区、增压站、脱烃脱水装置等区域天然气排放压力较低压燃气区、60 m3缓冲罐、闪蒸分离、凝析油稳定等区域天然气排放压力高，且差别较大，为保证天然气处理厂在检修及紧急状况下的安全生产，苏里格天然气处理厂均设置高、低压两套放空管网，为节约投资、控制成本，高、低压火炬共用一个塔架，苏里格天然气处理厂设置火炬高为78 m～80 m。

1.1 设计初衷

依据《SH3009-2010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》和《SH3009-2013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》中6.2节多套工艺装置可燃性气体排放量叠加原则，即（1）全厂最大排放量不考虑所有装置均同时排放的最大量排放；（2）每个排放系统在同一事故中的最大排放量，按排放量最大装置排放量的100%与其余装置排放量的30%计算（体积流量），但不应低于系统中两个不同装置最大排放单点的总量；（3）排放量最大的装置排放量的100%与全厂剩余装置排放量的30%之和作为确定火炬安全区域的设计排放量[1]，及现有天然气处理厂火炬放空自控连锁设置等级可见，设计紧急事故下天然气泄放量偏大，增加了设备投资，浪费了能源。

苏里格天然气处理厂均采用ESD紧急停车系统，可实现设备、装置、全厂连锁放空/连锁不放空四级自动、手动紧急停车。因此，在满足天然气处理厂紧急状况下天然气泄放要求的同时，考虑将天然气放空系统与ESD紧急停车系统有效结合，最大限度地减少天然气泄放量。根据美国石油协会推荐减压、降压指导标准APIRP521中规定：火灾泄压放空通常根据输送介质是否含有轻烃来设置泄放压力。对于输送介质含轻烃的装置，应在15min内使其压力降至690 kPa或压力降至容器设计压力的50%，并取其较低值；对于输送介质不含烃的装置，考虑15min内使其压力降至容器设计压力的50%。而天然气放空为瞬态过程，因此，天然气处理厂天然气放空初期的气源压力，决定了其最大泄放量，天然气处理厂管网内天然气储量是天然气泄放量的重要影响因素（见图2、图3）。

由图2、图3可知火炬泄放量和放空压力均随放空时间变化而变化，即随着放空时间的增加，火炬泄放量和放空压力均越来越小。为避免紧急状况下，处理厂各设备同时紧急切断并泄压所造成的火炬瞬时泄放量、火炬头备压及震动过大，引发安全生产事故。苏里格某天然气处理厂根据现有ESD（Emergency Shut Down System）紧急停车系统固有特点，针对处理厂紧急状况下各设备区域紧急切断放空时间进行优化、调整，将各设备区域紧急切断并泄放时间由同时切断泄压改为不同区域紧急切断并泄压先后间隔15 s，有效降低了紧急状况下设备泄压放空所造成的火炬头强烈震动及次生危险事故的发生。

图2 火炬放空量变化曲线图

图3 火炬放空压力变化曲线图

1.2 泄放量及安全性

火炬放空气体的速度一般用马赫数来计算衡量。马赫数是表示声速倍数的数，即一倍声速，记为Ma，定义为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比，即Ma=v/c。APIRP521中规定：当场、站发生紧急事故造成停工，原料或产品气体需全部排放时，可取0.6 Ma；单个装置事故或停产检修时，可取0.2 Ma[1]。

天然气长输管道站、场的惯用方法为以20%声速为基础作为火炬出口速度来决定火炬的尺寸。公式如下：

其中：D-火炬筒体出口直径（m）；A-火炬筒体出口截面积，即火炬头有效流通面积（m2）；F-放空气体的体积流量（m3/s）；V-火炬出口气体允许线速度（m/s）；m-马赫数；K-放空气体绝热系数；P-理想气体常数，取8.314。

1.2.1 常压高架火炬 以苏里格第六天然气处理厂为例。根据《天然气净化厂设计规范》SY/T0011-2007中6.1.19的规定，进入天然气净化厂的天然气管道上的截断阀前应设置安全阀和泄压放空阀，放空量均应为原料气全量[2]。苏里格第六天然气处理厂不考虑所有干线放空量叠加，选择输气量最大的苏6-4干线840×104m3/d（35×104m3/h）为干线放空量。因此，火炬及放空系统按35×104m3/h放空量进行设计，即最大放空量F为840×104m3/d；高压放空火炬管径为DN700，低压放空火炬管径为DN200，取D=700mm；绝热系数K由放空气体组分决定，苏里格第六天然气处理厂放空气体中90%以上为甲烷，而甲烷气体的绝热指数约为1.3，因此，近似取放空气体绝热系数K=1.3；气体的摩尔质量M由气体组分决定，同上，甲烷的相对分子质量为16g/mol，因此近似取M=16g/mol；将该气体视为理想气体，则R=8.314。在一定的温度、压力下，由上述公式（1）、（2）可得：

当t取最低温度-20℃时，m=0.610；当t取最高温度35℃时，m=0.553。

由此可知，苏里格第六天然气处理厂紧急状态下，放空量最大时，环境温度取值-20℃～35℃时，m＜0.6，基本符合APIRP521设计规定。因此，该处理厂设计使用常压高架火炬即可满足生产需求。

1.2.2 音速高架火炬 以苏里格第四天然气处理厂为例，苏里格第四天然气处理厂考虑所有干线放空量叠加。因此，火炬及放空系统按63.13×104m3/h放空量进行设计，即最大放空量F为1515.12×104m3/d；高压放空火炬管径为DN700，低压放空火炬管径为DN200，取D=700mm；绝热系数K由放空气体组分决定，由苏里格第四天然气处理厂放空气体的组分可知，放空气体中90%以上为甲烷，而甲烷气体的绝热指数约为1.3，因此，近似取放空气体绝热系数K=1.3；气体的摩尔质量M由气体组分决定，同上，甲烷相对分子质量为16g/mol，因此近似取M=16g/mol；将该气体视为理想气体，则R=8.314。在一定的温度、压力下，由上述公式（1）、（2）可得：

当t取最低温度-20℃时，m=1.10；当t取最高温度35℃时，m=0.998。

由此可知，苏里格第四天然气处理厂紧急状态下，放空量最大时，环境温度取值-20℃～35℃时，m＞0.6，不符合APIRP521设计规定。按APIRP521要求可知，放空天然气速度最大马赫数不能超过0.7，否则容易发生溢流，造成放空管线及火炬抖动，引发安全事故。因此，苏里格第四天然气处理厂设计选用音速火炬，将其火炬头设计成了7个φ270的小火炬头，增加了火炬释放面积，增大了空气通入量，满足了生产需求。

1.3 优缺点分析

1.3.1 常压高架火炬

优点：常压火炬主要用于燃烧效率高、低辐射、无烟燃烧、燃气压力低、带液量少的放空场所。常压火炬放空口无背压，放空冲击力小，不易发生火炬“脱火”现象，火炬使用寿命较长，该火炬运行维护简单，操作费用低。

缺点：火炬燃烧有效面积小，天然气泄放燃烧速率较慢，单位时间内泄放量少。

1.3.2 音速高架火炬

优点：音速火炬主要用于燃烧效率高、低辐射、无烟要求高、燃气压力较高带液量较少的放空场所。

缺点：音速火炬独特的喷嘴设计使得一定压力的气体通过文丘里喷嘴使气流速度达到或者接近当地音速，其火炬头背压可达0.6MPa，高压差、高流速是其核心技术，因此，高流速的放空气对音速火炬头冲击力偏大，火炬头震动大，造成火炬头易破损，放空泄压时，易造成火炬“脱火”且其运行维护复杂、操作费用高，约为常压火炬的3倍。

2 音速火炬存在的问题及解决措施

2.1 存在问题

2013年苏里格天然气处理厂（2011年投产）在运行中发现高压火炬头放空主火筒与分火筒的焊接部位出现多处裂缝，2014年发现火炬焊缝开裂，濒临脱落，十分危险，因此，苏里格天然气处理厂于2014年8月1日-2014年8月7日，对焊缝进行了补焊维修，维修后正常运行。同年12月，高压火炬焊缝再次开裂，并再次对裂缝处进行补焊，以保证处理厂安全生产。

2.2 解决措施

（1）苏里格各天然气处理厂均采用ESD四级紧急停车系统，且其与处理厂放空系统有效连锁，建议优化处理厂ESD紧急停车系统，采用各设备区域延时放空，降低单位时间内天然气泄放量，减小火炬放空压力。

（2）常压火炬震动小、破损率低、维修简单，寿命长，而苏里格各天然气处理厂来气压力均为2.0MPa～2.4MPa，增压后压力均为 4.4MPa～4.8MPa，鉴于苏里格天然气处理厂（设计年集输处理能力为50×108m3）投产至今火炬放空系统运行状态良好，建议将音速火炬更换为常压火炬。

（3）建议每年至少组织两次火炬定检，尤其对火炬头焊缝处进行严格检查。

（4）日常生产中密切关注火炬头燃烧变化，发现异常情况，如火炬分火筒烧裂等，及时处理，保证处理厂安全生产。

3 结论

本文从天然气处理厂火炬选型设计初衷、火炬泄放量、安全性能、优缺点及生产中存在的问题等方面对苏里格气田所采用的音速高架火炬和常压高架火炬进行了浅要的分析、讨论。由上述可知，常压高架火炬完全可以满足当前处理厂事故状态下的天然气泄放工作，且其设计优良、投资小、泄放量少、故障率低、维修便捷、使用寿命长，因此建议，苏里格各天然气处理厂更换音速火炬为常压火炬。

［1]SH3009-2013.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］.2013.

［2]SY/T0011-2007.天然气净化厂设计规范［S］.2007.

TE966

A

1673-5285（2017）09-0051-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.013

2017－08-28