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。