天然气净化厂火炬系统设计研究.pdf

第 4 3卷第 5期 2 0 1 4年 5月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o ] ． 4 3 ． N O ． 5 M a y， 2 0 1 4 天然气净化厂火炬系统设计研究 孙 一 伦 中 石化 1【 程建设有限公 司， 北京 1 0 0 1 0 1 摘 要 天然气净化厂火炬系统的设计与普通炼油厂火炬系统设计有所不同。天然气净化厂中的放空火 炬气含硫量高、 放空温度低。而且目前中石化所建设的净化厂项 目均要求装置轮番检修，即火炬系统不能停工， 对设计提出了新的课题和要求。 关键词天然气净化厂；火炬系统；检修；高含硫； 低温放空 中图分类号T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 40 5 0 8 2 2 0 4 De s i g n o f t h e Fl a r e S ys t e m o f Na t ur a l Ga s Pur i fic a t i o n Pl a nt s SUN Y i ． 1 un S i n o p e c E n g i n e e r i n g I n c o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e fl a r e s y s t e m d e s i g n o f n a t u r a l g a s p u r i fi c a t i o n p l a n t s i s d i ffe r e n t f r o m o r d i n a r y r e fi n e r i e s ． T h e fl a r e g a s i n n a t u r a l g a s p u r i fic a t i o n p l an t s h a s h i g h s u l f u r c o n t e n t a n d l o w t e mp e r a tur e ．An d c u r r e n t p u r i fic a t i o n p l a n t s c o n s t r u c t e d b y S i n o p e c Gr o u p r e q u i r e d e v i c e ma i n t e n a n c e i n b a t c h e s ，n a me l y t h e fl a r e s y s t e m c a n n o t s h u t d o wn ， wh i c h wi l l p r o p o s e n e w d e s i g n i s s u e s a n d r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s Na tur a l g a s p u r i fi c a t i o n p l a n t ； F l a r e s y s t e m ； M a i n t e n a n c e ； Hi【g h s u l fur c o n t e n t ； L o w t e mp e r a t u r e 对 目前国内所建设的天然气净化厂项 目进行分 析。净化厂内火炬系统的设计与普通炼化装置配套 的火炬系统有很多不同，主要为以下几点 a 、净化厂放空气体放空量大 、 含硫量高 、 低压 放空气体热值低不易燃烧完全。 b 、 净化厂内装置的检修原则为轮番检修， 即不 能全厂同时停工检修。因此作为安全手段的全场火 炬放空系统不能全系统停工检修。 c 、净化厂放空气体的温度低。 针对上述问题 ，在净化厂项 目的火炬系统设计 中，一一进行 了解决。 1 放空气体放空量大、含硫量高 、低 压火炬放空气体热值低问题 净化厂火炬放空系统一般来说选取原料气进料 线紧急关断 、原料气全部放空工况作为最大放空量 工况 有极个别情况在仪表故障时候的瞬时放空量 可能更大 。 放空气体组成为未净化的天然气， 放空 量大、含硫量高。一般的炼油厂酸性气火炬设计中 虽然含硫量也 比较高、 但是放空酸性气的量比较小 ， 火炬的处理能力较低 ，火炬头很小 ，无法直接应用 于净化厂。因此在设计中我们只能参照炼油厂酸性 气火炬，采用了如下措施进行进行设计。 1 首先在火炬管道材质选择方面选择抗硫化 氢腐蚀的材质，防止硫化氢腐蚀管道。 2 根据 S H 3 0 0 9的要求 ，要求装置内低发热 值低于 7 8 8 0 k J ／ N m 的放空气体必须经过热值调整 后 调整后热值需高于 7 8 8 0 k J ／ N m 方能排入火 炬系统。同时设计专门的酸 性气火炬头 ，加入燃料 气伴烧的同时扩大火炬头的直径，降低火炬头处放 空气体排放 的马赫数” 。 。 以能达到更好的燃烧效果 。 达到环保及安全方面对于燃净率及硫化氢 、二氧化 硫落地浓度 的要求。 在设计 中，根据 S H 3 0 0 9 第 8 ． 2 ． 5条规定 ，处理 酸l生 气体的火炬头出口马赫数宜小于等于 0 ． 2 。 在计 算火炬头有效截面积时 ，高压火炬放空气体的热值 较高一般在计算 中马赫数选用 0 ． 2即可 。低压火炬 放空气体热值较低 ，在计算中一般会降低火炬头处 放空气体排放的马赫数 不大于 0 ． 1 ，以便使之燃 烧 的更 加 完全 。在确 定正 确 的马 赫数后 ，根据 S H 3 0 0 9 第 8 ． 2 ． 8条规定对火炬头有效截面积进行计 算。计算方法如下。 火炬头出 口有效截面积应按式 1 计算。 ●一 一 I ， A 3 ．0 4 7 1 0 ． f 1 p M V 尼 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 一 l O 作者简介 孙一伦 1 9 8 1 一 ，男，辽宁抚顺人，工程师，2 0 0 4年毕业于辽 宁石油化工大学油气储运专业，研究方向石油化工设计。E - m a i ] 2 7 7 6 8 7 6 1 q q ． c o m 。 第 4 3卷第 5期 孙一伦 天然气净化厂火炬系统设计研究8 2 3 式中 一 火 炬 头 出 口 有 效 截 面 积 ， m ； 在计算时， 可以参照 S H 3 0 0 9的第 8 _ 3 条计算方 排放气体的质量流量 ，k g ／ h P操作条件下气体密度 ，k g ／ m 一 火炬头出口马赫数 ； 丽 非 放气体的平均分子量 ； 非 放气体的绝热指数 ； z } 放气体的温度 ，K 。 得出计算结果后， 将其提供给火炬头制造厂家， 由厂家进行设计以达到设计的要求 。 2 火炬系统不能停工检修问题 一 般情况下 、炼油厂及化T厂全厂装置会统一 安排检修 。因此配套的火炬设施可 以根据装置 的检 修安排同时进行停工检修。而由于天然气很难大量 储存、因此天然气净化厂一般来说不能全厂停工进 行检修。 因此配套的火炬系统也无法进行停工检修。 针对这一问题。我们设置了一套备用的火炬系 统 。含备用分液罐 、备用水封罐 、备用 的高压火炬 头和低压火炬头 见图 1 o 其 中 ，高压 火炬 F L O 0 1 A 和低压 备用 火炬 F L O 0 2 B共架 ； 低压火炬 F L 一 0 0 2 A与高压备用火炬 F L O 0 1 B共架。正常运行工况， 高压火炬 F L 一 0 0 1 A 与低压火炬 F L O 0 2 A长明灯同时燃烧。 所有通往备 用火炬系统的阀门全部关闭。当需要停工检修时 ， 以检修高压火炬为例。首先打开备用水封罐 D 一 0 1 2 后通往高压备用火炬 F L O 0 1 B的阀门， 通入氮气对 备用火炬系统进行吹扫。然后点燃高压备用火炬 F L O 0 1 B的长明灯，打开高压火炬放空线上通往备 用火炬系统的阀门。之后关闭高压火炬正常运行 时 的阀门，通入氮气对整个高压火炬系统进行吹扫。 吹扫完毕后 、 熄灭高压火炬系统的长明灯。此时高 压备用火炬 F L O 0 1 B和低压火炬 F L 一 0 0 2 A 同时燃 烧、高压火炬 F L O 0 1 A和低压备用火炬 F L O 0 2 B 所在塔架上火焰已经全部熄灭。工作人员可以登上 塔架 ，此时高压火炬系统的分液罐和水封罐也已经 停止工作，工作人员可以对整个高压火炬系统进行 检修 。 但是，同时设置两套火炬系统需要注意辐射热 问题 。 在一般 的火炬设计中 ， 我们只是根据 S H 3 0 0 9 的第 8 ． 1 条规定对最大放空工况时地面的辐射热进 行计算。根据计算结果来规划设备的平面布置。而 当两套火炬系统时，我们要考虑当一套检修时、另 外一套火炬突然发生事故放空这一极端工况。 因此， 除了正常的火炬辐射热计算外。还要计算当最大放 空工况时 、放空火炬对另外一座火炬塔架最顶层平 台的辐射热影响。同时设计时要求这一平台必须背 对另外一座火炬、以保护操作人员。 法进行计算 。 火焰产生的热量按式 2 计算。 Q f 2 ． 7 8 x 1 0 q 2 式中 ～火焰产生的热量 ，w； 拭一 排放气体的低发热值 ，J ／ k g ； q 排放气体的质量流量，k g ／ h 。 火焰长度 当火炬头出口气体马赫数M。 ≥0 ．2 时按式 3计算。 L f l 1 8 D f1 3 当火炬头出口气体马赫数M 0 ． 2时按式 4 计算 。 L f 2 3 D n l n M 1 5 5 D n 4 式中 火焰长度 ，m； Dn火炬头出口直径 ，m。 火炬 局度 按 式 5计 算 。 √ 器 一 一 5 热辐射系数 s 按式 3 - 6 计算 _ 8 4 6 1 0 _ 3 H 0 ．2 9 6 4 X 1 0 0 6 空气与排放气体的动量比值巨按式 7 计算； E r 7 式 中血 一火炬高度，IT I ； 万一 排放气体的平均分子量； 一 排放气体的低发热值，k J ／ m ； 一 允许的火炬热辐射强度，k w ／ m ； 一 火炬通体中心线至计算点的水平距离 ．m；X 在风速作用下 火焰 中心 的水平位移 ，m； 一在风速作用下火焰 中心的垂直位移 ，m； 厂 一 口 一 火 焰 中 心 至 受 热 点 的 距 离 ， D r √ ， m ； 风 一空气湿度百分数 ； D 一空气密度 ，k g ／ m ； 排放气体出口处的密度 ，k g ／ m ； v 一风速 最大取 8 ． 9 ，m ／ s ； v 一 排放气体出口速度 ，m ／ s 。 在计算时候 、可以假设火炬高度为距火炬头最 近一层平台与火炬头之间的高度为火炬高度。根据 S H 3 0 0 9 第 8 ． 1 ．7条规定 “ 8 ． 1 ． 7 对于分别布置且不同 时检修的火炬塔架顶部平台的允许热辐射强度 来 自于另一个火炬的热辐射 应小于等于4 ．7 k 、 v ／ m 2 。 允许的火炬热辐射强度，k W／ m ； 值取 4 ． 7 。反