封闭式地面火炬在LNG 接收站扩建工程中的应用

赵云龙

（中石化天津液化天然气有限公司，天津 300457）

封闭式地面火炬也叫聚能区火炬或热氧化器火炬。地面火炬系统一般由火炬排放管道、分液罐和地面火炬组成[1]。在全世界的炼油厂、化工/石化设施、输气管道、罐区和码头都有使用。该系统还用于在公海上船载热焚烧碳氢化合物和其他可燃蒸汽。这种设计相对于开放的、高架的火炬具有许多优点，主要包括封闭的地面火焰、无烟、没有热辐射、占地面积少、无可见火焰、无异味/噪声低、操作简便、维护工作少。其他优点包括：极低的噪声；极低且受控的排放；无热羽流；非常简单和完全可访问的控件；所有部件都在地面，维护服务便捷（例如点火器可以在单元不停机的状况下进行维护工作），无热辐射问题。

与所有火炬一样，安全性和可靠性也是封闭式地面火炬2 个必须要考虑的重要因素。封闭式地面火炬的安全可靠运行，主要取决于火炬燃烧器的设计和性能，以及全自动、故障安全的联锁传感器、点火器控制的可靠性。

1 封闭式地面火炬结构特点

火炬设施为天津液化天然气（LNG）项目扩建工程（二期）接收站工程最为重要的辅助生产设施之一，用于处理LNG 接收站各种工况下排放的低温低压火炬气。火炬设计处理能力为0～60 t/h，火炬分为由厂家负责的设备包内部分和总包单位负责现场制作的包外部分。

火炬设备包内部分主要为系统燃烧器、长明灯、点火系统、燃烧塔、工业电视监视系统、控制系统以及附属设备设施，而火炬设备包外部分则包含桩基、土建基础、防风墙、界区外管线、接线箱、控制箱、线缆等。

火炬设备包内部分具体如下：①35 套燃烧器及附带管线；②9 支长明灯及9 套高能点火系统，包括长明灯、高能点火器、热电偶；③1 套地面爆燃点火系统，包括点火盘、仪表、电气电缆及附件；④分级控制阀组，包含4 级燃烧控制气动阀及爆破针阀旁路；⑤火炬界区内管道及管件，包括放空总管、火炬放空支管和公用工程管道；⑥火炬界区内仪表及电气设施；⑦氮气后吹扫设施，有完善的氮气连续和后吹扫设施；⑧直径10.6 m、高度35 m 的燃烧塔，包含内衬耐火、隔热材料、梯子平台、其他必要的附属设施；⑨直径15.4 m、高度6 m 的防风墙及防火门、百叶窗等附件；⑩工业电视监视系统，1 套耐高温摄像机，用于监控火炬筒体内火炬气燃烧及长明灯运行情况；⑪控制系统，整个火炬设备包设置一套FCS 控制系统。

火炬设备包外部分具体如下：①土建专业。桩、基础和防风墙，其中桩基为74 根31 m 长灌注桩，基础、防风墙为520 m3C40 混凝土浇筑而成。②管道专业。火炬界区外工艺管线、公共工程管线以及管道的应力计算。③仪表专业。仪表接线箱及上游的桥架槽盒线缆，现场控制室内机柜安装、供电、接地。④电气专业。2 路AC 220 ⅤUPS 电源至火炬现场点火控制箱（1 台高空点火控制箱，1 台地面爆燃点火控制箱）及进线电缆。1 路AC 380 Ⅴ照明电源至火炬现场防爆照明配电箱及进线电缆。端子板接与全厂接地网。⑤电信专业。包括防爆监控设备箱、进线端子、电缆/光缆敷设。

2 封闭式地面火炬的技术要求

封闭式地面火炬系统必须是本质安全排放系统，通过合理的系统组织、先进成熟的燃烧技术、可靠的控制手段使封闭式地面火炬能满足LNG 接收站对各类工况下排放的火炬气及时、安全处理的需求，且处理结果能够满足国家现行标准和环保要求[1]。

任何工况下，火炬气体燃烧产生的背压，都不能影响整个LNG 接收站火炬系统放空气体的安全排放。为了适应各种工况下火炬放空气流量的变化，封闭式地面火炬系统采用分级燃烧控制，当工艺装置向火炬系统排放气量增大时，排放气体会在火炬放空总管内积聚，导致放空总管压力升高，各级放空管线上的气动切断阀将根据总管上的压力信号依次相继开启。第一级燃烧系统为常开设置，其余各级燃烧系统上设气动分级阀和起到超压包含作用的爆破针型阀旁路。

在排放气体过程中，一旦点火系统失效造成点火不及时，气体在火筒体内部聚集，遇到点火源就会发生爆炸造成严重后果。为保障火炬系统点火的成功率，火炬长明灯采用高能点火和地面爆燃相结合的点火方式，从而实现长明灯既可以在火炬设施现场通过手动操作点火器内传焰与高能点火，也能在中控室的上位机上远程自动点火。长明灯的气源来自火炬界区外的燃料气，通过DN50 燃料气管引至界区内，管线上设压力表、压力变送器、自力式调压阀组、止回阀和切断球阀。

为了保证火炬设施安全，防止出现火炬排放线低压回火，在封闭式地面火炬系统未设置水封罐或其他阻火设施情况下，火炬设施在排放总管以及每级放空管线处均配备有氮气吹扫系统。其中第一级放空管线工艺设计为常开状态，在第一级放空管线氮气吹扫为连续吹扫方式，通入持续注入少量氮气来维持第一级放空管线内的微正压。其他各级放空管线在非排放气体状况下为常关状态，采取在排放气体后在每个分级阀之后注入大量氮气吹扫的方式，保证彻底置换燃烧器管道内所有的可燃气体，消除任何内部燃烧和延伸管内回烧的可能性。为了防止异常状况下火炬总管压力突然降低导致的回火现象，在火炬放空总管上也设置注氮管线，当放空总管压力低于逻辑设定值时，打开氮气吹扫开关阀，给包括分级阀下游的延伸管在内的整个火炬系统升压，使其保持相对于外界大气的微正压状态，防止空气进入火炬管线与排放气体混合发生闪爆情况。

封闭式地面火炬燃烧对外界的热辐射强度、火炬排放气燃烧烟气的最大落地浓度符合环保的要求，由于火炬排放气燃烧烟气成分极少有固体成分，故不考虑烟气中灰尘对辐射的影响[2]，无需辅助消烟，火焰的林格曼黑度小于1。火炬设施与相邻设施应确保其安全距离，符合防火规范中与相关设施安全距离的要求。安全距离应为以辐射热计算得出的安全防护距离基础上增加30%的安全系数，并按照规范要求的把火炬视为明火，其与周围设施的距离要求比较，取其较大值[3]。

3 火炬燃烧塔体安装流程

3.1 施工准备

封闭式地面火炬安装前施工单位作业人员需要先熟悉包括地面火炬燃烧塔装配图及零部件图、安装说明性文件、专用工具使用说明书、工艺安装图在内的安装技术资料。编制安装方案并做好通过技术交底，使作业人员对工程的情况、施工的程序和要求有全面深入的了解。在施工作业现场要清理平整出一块200 m2空地，作为施工材料周转区，同时准备好双排钢管脚手架相关材料。

3.2 设备验收

在火炬设备运到现场前，需在现场设置平整且高于周边的场地临时堆场，用于相关材料的堆放。材料存放区应注意对成品物资的保护，在设备堆放地点下方设置枕木，保证设备离地20 cm 以上。由于火炬筒体的内衬耐火、隔热材料为陶瓷纤维模块，需要采取防水保护的措施，堆场需提前准备防水布，堆放前下方垫好木板后再铺上防雨布，堆放时上方再覆盖防雨布。

火炬包设备组件到货后，需对到货物资进行开箱检验，检查包装情况，依据装箱单核对箱号、箱数，对设备及零部件的名称、型号、规格、数量及外观质量进行检查，设备外观应无表面损伤、无变形、无锈蚀；焊接飞溅和工装卡具的焊疤己清除，不锈钢制设备的防腐蚀面与低温设备的表面无刻痕和各类钢印标记，设备管口封闭。并根据设备装配图核对设备的主要几何尺寸、接口规格、管口方位，检查随机资料和专用工具是否齐全。对清点检查后的设备、零部件分类挂牌标识，放置于洁净、通风处，小型部件要放置于木质货架之上，妥善保管，以防丢失。对于不是立即安装的设备组件，要将包装箱恢复原貌。

3.3 基础验收

火炬包设备组件安装前还需要对基础进行检查，基础混凝土强度至少要达到设计强度的75%。基础上需划出标高基准点、纵向中心线、横向中心线。定位基础中心线之前，将基础受力面清扫干净，不得有沙土等杂物。基础纵横中心十字线划出后，根据图纸校对地脚螺栓孔的中心线准确性，位置大小和深度要与图纸相符，测量误差不超过设计规定范围。设备安装前把需灌浆的基础表面凿成麻面，麻面深度不少于10 mm，密度为每平方分米内3～5 个点，与螺柱连接的表面平整洁净。垫铁放置处周边50 mm 范围内基础表面需铲凿平整，保证垫铁与基础接触良好，铲平部位的水平度允许偏差为2 mm/m。预埋地脚螺栓的螺纹无损坏。基础表面若有油脂时必须进行彻底清理，避免影响安装施工和二次灌浆的质量。基础检查合格，交接手续办理完成后，再进行设备安装。

3.4 底部筒体安装

火炬设备安装首先需要用根据火炬筒体瓦片质量选择的25 t 吊车将一片片单独的筒体瓦片分别吊装至基础上方，作业人员在瓦片吊装后在基础表面用地脚螺栓将瓦片与混凝土基础紧固在一起，每根地脚螺栓两边各设置一组垫铁，每组垫铁的数量不超过5 块，且厚度为30～70 mm。两个瓦片之间也通过高处作业车进行纵向螺栓连接紧固。底部筒体第一片瓦片安装后，应在瓦片上方安装一个吊环，并在筒体内外各设置一个地锚，用2 根缆风绳将瓦片组固定。第一片瓦片安装完成后，再将第二片、第三片依次拼装的筒体瓦片吊装就位，并与前一片组吊装的筒体瓦片结合，将两组之间的螺栓连接好，但不要紧固，循环装好底层。瓦片安装成环后将纵向连接螺栓全部紧固，并根据规范进行垂直度调整，根据规范要求，垂直度不得大于H/1000 mm。吊装过程中，以中心取顶部与中间层连接的2 个螺栓孔作为吊点，并在下部设置一根溜绳，以控制瓦片在空中的旋转与就位的方向。

3.5 中部、上部筒体安装

中部和上部筒体在安装前需在现场空地先组对成环后再整体吊装。使用25 t 吊车将一片片单独的片筒体瓦片吊装至空地后，按照上一步底部筒体安装方式将2 个瓦片之间的纵向螺栓连接紧固。

中部筒体成环后通过500 t汽车吊整体吊装至底部筒体上，顺时针旋转至设备就位位置上方，缓慢落下后，将两层之间的环向螺栓穿好紧固。上部筒体吊装方法同中部筒体一致。

3.6 平台及钢直梯安装

筒体外壁的钢平台及部分不影响吊装的钢直梯应在筒体组对完成后进行安装。在筒体瓦片组对前，检查平台连接件及钢直梯连接件是否已按图纸要求焊接，如有缺少的连接件，在组对前焊接完成。吊装过程中，应在平台或直梯上设置2 根溜绳，便于地面人员辅助进行位置调整进行就位和螺栓紧固。火炬筒体全部吊装固定后进行剩余钢直梯安装。

3.7 内圈脚手架搭设

筒体安装完成后，在筒体内部搭设脚手架。搭设前清扫火炬内地面杂物，确保脚手架落地稳固扎实。通过挡风墙的门洞运送脚手架杆。脚手架应距离筒壁600 mm，以便于安装陶瓷纤维模块及锚固钉。

3.8 陶瓷纤维模块的锚固钉安装

陶瓷纤维模块与筒体的连接固定件为锚固钉，锚固钉采用焊接方式固定在筒体上，由于锚固钉为不锈钢材质，筒壁为碳钢材质，选用合适的异种钢焊接工艺进行焊接，焊脚高度大于等于5 mm。锚固钉焊接时应保证其垂直度，并保护好前端的丝扣。锚固钉焊接时，会破坏筒体表面的防腐漆，应将破坏的部位表面打磨干净后，再采用与原防腐漆相同的油漆进行补漆。

3.9 陶瓷纤维模块安装

锚固钉焊接并补漆后，在筒体内壁铺设2 层20 mm厚的陶瓷纤维毯，铺设应平整、整齐。将陶瓷纤维大模块双手抱起，对准锚固钉所在位置，将陶瓷纤维块挂上。陶瓷纤维大模块之间存在缝隙较大时，应采用补偿条进行补偿。由于陶瓷纤维具有强吸水性，需做好防雨防水措施。在安装时，将筒体顶部采用防雨布封住，以防止雨水落在安装好的陶瓷纤维块上，导致陶瓷纤维块吸水增重坠落。

3.10 验收

安装完成后，检查地面火炬燃烧塔的标高、高度、垂直度，连接螺栓的紧固力度，锚固钉的布置、垂直度，陶瓷纤维模块的布置等。

4 管道预制质量保证措施

LNG 接收站用的封闭式地面火炬要严格遵守Sizing、selection，and installation of pressure-relieving devices in refineries、Guide for pressure-relieving and depressuring system、《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》等行业规范。

在施工过程中严格把控施工程序、操作规程、材料检验、隐蔽工程验收、工序交接等重点。

开箱时，要准备好适当的开箱工具，以文明施工原则拆卸包装箱板，不允许对包装箱乱敲乱打，以免损坏设备。凡未经开箱检查验收的设备不得进行下面工序的安装施工。

设备安装过程中要保证设备的标高符合图纸及规范要求，设备垂直度要符合立式设备安装质量标准要求；注意螺栓连接的紧固力度；需对地脚螺栓进行保护，采用黄油及塑料薄膜包扎和加套管进行保护。另外要注意对设备的保护，在运输和安装过程中，加强成品保护意识，对易损件进行保护。

设备安装过程中要注意陶瓷纤维模块的锚固钉焊接的垂直度与焊脚高度符合相关图纸及规范要求。注意陶瓷纤维大模块铺设的整齐性与缝隙符合要求。对于锚固钉焊接后的补漆，需在修补前对相关部位打磨干净。

5 结束语

综上所述，封闭式地面火炬是LNG 接收站最为关键的设备，承担着处理LNG 接收站放空BOG 的重要作用。火炬的安装直接决定了接收站整体安装进度。对于LNG 接收站码头工程，根据封闭式地面火炬的工作原理及组成结构，制定切实可行的安装路线，合理规划作业的流程，严格预制质量保证措施，可以在进度、安全、质量方面提高建设管理水平，大大改进LNG接收站建设施工方式，圆满完成LNG 接收站二期工程计划工期目标。本文总结的关键技术要点，也可为同类型LNG 接收站码头卸料臂的安装提供借鉴。