火炬水封罐水封高度设置的分析及应用

王 郑，吴新团，杨爱萍

1.中石油华东设计院有限公司，山东青岛 266000

2.青岛中油岩土工程有限公司，山东青岛 266000

炼油化工厂在生产运行中会出现各种工况的放空，比如停水、停电、开停工、火灾、安全阀紧急泄放等工况的放空。基于环保、安全、节能等需要，放空气需要集中处理。放空气的处理通常采取两种措施，即回收和燃烧。在正常生产时，放空气通常采用气柜回收；当紧急工况放空时，一般采取火炬放空燃烧。

水封罐的设置是防止火炬发生回火爆炸时波及水封罐前端的放空气系统管道及其相关设备的重要措施和手段[1]。水封高度设置主要在于满足水封的功能需要。SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》对水封高度的要求主要考虑阻火、维持系统压力的目的，其计算结果只推荐了水封高度的最低要求，而对水封高度上限没有做出明确要求。在实际设计及生产中，水封高度的设置在计算的最低要求基础上，还需要结合生产操作需要，如气柜回收所需的管网背压、气柜联锁关断阀。

近年来某炼厂新建装置增多，为缓解老火炬系统的压力，减少炼油火炬系统隐患，依托现有火炬，新建一套低压火炬放空管道系统，并进行相关分液罐、水封罐及其他配套设施的改造。

1 水封罐结构

考虑新建放空管道路径较长，纳入放空系统的放空量较大，为尽量降低沿途管架高度，节省经济成本，从经济性及稳定性上综合考虑，本项目水封罐结构采用卧式水封罐。

本项目放空系统有两个火炬同时操作，按照SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》要求，设置2个水封罐。放空系统的放空气经分液罐后，分别经各自的水封罐进入火炬燃烧排放。在计算过程中，按照两个水封罐并联、每个水封罐靠近各自火炬考虑，取排放总量的一半作为单个水封罐计算的排放总量。新建低压火炬系统水封罐（结构见图1） 规格为φ4 000 mm×16 000 mm，水封罐进口处放空管道管径为DN800。

图1 水封罐结构

2 水封高度的设计

2.1 计算依据

设计中水封高度的计算主要依据SH 3009—2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》，对水封高度提出如下要求[2]：

（1）需要达到放空系统在正常工况下有效阻止火炬回火的目的，并保障放空气体在事故工况下能够顺利冲破水封进入火炬进行燃烧排放。

（2）放空气中含有大量氢气、乙炔、环氧乙烷等燃烧速度异常高的可燃性介质时，水封高度的计算应按式（1）进行，且高度取值不应小于300 mm。

式中：hw为水封高度，m；p1为水封前管网需保持的压力（绝压），kPa；g为重力加速度，9.81m/s2；ρw为水封液体密度，kg/m3，取1 000 kg/m3；F1为系数，kPa·K/m，取 3.308 26 kPa·K/m；F2为系数，m，取8 361.4 m；H为火炬头出口至地面的垂直距离，m；Ta为环境日平均最低温度，K；P为火炬头出口处的压力（绝压），kPa；h为火炬水封液面至火炬头出口的垂直距离，m；M为为排放气体平均相对分子质量；R为气体常数，取8 314 N·m·kg-1·K-1；T 为排放气体的温度，K。

（3）放空气密度小于空气时，水封高度的计算应按式（1）进行，且高度取值不应小于200mm。

2.2 计算过程

水封罐水封高度的计算主要基于阻火、维持系统压力的需要来计算。式（1）也是基于水封界面的前、后压力关系推导。

压力平衡关系基于考虑水封高度所产生的压力与水封水面上的气体因火炬高度所产生的压力p2之和大于等于水封前管网放空气体的压力p1（p1≤hw×ρw×g+p2）。

根据依托条件和放空系统模拟计算结果（见表1、表2），求得最小水封高度为0.43 m。

表1 输入数据

表2 中间数据

本次放空气组分密度小于空气，且含有大量氢气，计算结果满足不应小于300 mm的要求。

按照规范要求，当放空系统管网出现负压工况时，水封罐有效水封水量至少满足水封罐进口处立管充水量达到3 m高[2-3]。

距水封罐进口3 m处立管（DN800）内水量Q≥1.6 m3，换算成水封罐水封所需水量高度h2（≥0.1 m），则计算所得水封高度hw≥0.43 m，满足要求。

水封高度的选取还需考虑其对水封罐气相空间和凝液功能的影响。根据规范要求，水封罐上部气相空间气体流动的径向截面面积应大于或等于进口管道横截面面积的3倍，并能够实现撇除分离直径大于或等于600 μm的凝结水滴的功能[2]。

在满足维持系统压力需要的计算基础上，通过对水封罐计算的验证，结合设计经验，新建水封罐正常水封高度选取600 mm用于正常投产工况；预留400、800 mm两个档位，分别用于开停工、生产调整等操作工况。

3 方案讨论

如果新建水封罐的设计液位太低，压力联锁值偏低或火炬管网缓冲余地很小；则装置排放量稍有变化便可能造成水封顶开，导致火炬燃放。这样既不利于低压放空气的回收利用，也不利于当地对环保生产的要求。

提出新建水封罐水封高度由600 mm调整至正常水封1 600 mm。这样，既能提高放空气回收量，又能减少火炬点火事故。

鉴于旧火炬系统水封罐水封高度以及低压火炬气回收的生产管理经验，结合当地的环保生产要求，将水封高度分别设置为400、800、1 600 mm并进行模拟计算，以确定增加水封高度后产生的额外压力降。

通过调研以及模拟分析，当水封高度调整至1 600 mm，在进行紧急放空时容易出现以下问题：其一，水封罐震动较大；其二，水封罐前放空气压力测量值较计算值偏高；其三，气柜入口切断阀无法自动启用。

结合设计经验，分析存在以上情况的可能原因有：其一，水封高度过高，放空气放空时，破水封的气体不连续，造成水封液面较大的波动，引起水封罐震动；其二，水封高度增加，会增加放空气体在水中的摩阻；其三，水封高度过高，造成气柜入口切断阀自动切断，火炬放空结束后，水封前压力过高，无法自动恢复至切断阀自动启动的压力值。

为避免放空时水封罐震动过大、气柜入口切断阀的启动等问题，结合气柜操作压力（3.6 kPa），水封高度最终设置为600 mm，投产后运行稳定。

4 结束语

当水封高度的设置需要考虑提供放空气回收的管网背压的功能时，需要结合气柜入口联锁关断压力值，既要起到有效阻止火炬回火，保障气柜回收火炬气所需的管网背压，起到放空气回收的目的，同时应确保排放气体在事故时能顺利冲破水封排入火炬，并保障气柜联锁关断阀的正常使用。

如果水封高度值设置过高，一方面，放空系统内积气太多，放空气在突破水封时会形成间断性的排气，危险性增大，放空气排放不通畅，火炬燃烧不稳定；另一方面，放空结束后，水封前压力高于气柜联锁阀自动启的联锁值，造成联锁阀无法自动启，影响放空气回收。如果气柜入口联锁阀失效，过高压力的气体会进入气柜，造成气柜破坏事故。水封罐水封高度的选取应在规范计算要求的基础上，结合生产和安全需要，既满足安全需要和操作功能，又能起到放空气最大回收的环保目的。在实际生产中，在满足规范要求的水封最低高度基础上，考虑放空气回收需求时，提出水封高度相应压力宜高出气柜的操作压力0.50～3.00 kPa（相当于50～300 mmH2O） 的建议。