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火炬系统本质安全设计

文档作者：孟庆海文档来源：中国石化工程建设有限公司		点击数：	更新时间： 2021年10月10日
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★ 石油化工安全环保技术 ★
2014年第30卷第4期PETIIOCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTA1 PROTECTION FECHNOI ()( Y
专题重宗述
火炬系统 “本质安全”
孟庆海
(中国石化工程建设有限公司，北京100101)
摘要：火炬是石化厂处理全厂排放可燃气体的重要的安全环保设施。整个火炬系统本
身的安全可靠是全厂各装置安全可靠运行和满足环保要求的重要保证。目前，火炬系统设计
中使用了许多自动控制， 自控仪表的失灵会给全厂带来安全隐患。火炬系统“本质安全” 设
计理念是解决全厂火炬排放气诸多不确定因素的重要保证。对石化厂火炬系统中主要的三大
系统“本质安全” 设计提出了应采取的设计方法，对今后同类设计具有借鉴和指导意义。
关键词：火炬系统“本质安全” 设计火炬气分液罐水封罐水封阀 长明灯
1 “本质安全”
“本质安全” 设计是指通过设计手段使生产
设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作
或发生故障的情况下也不会造成事故。本质安全
这一概念产生于20世纪60年代，最初是由安全
型电气设备的概念延伸而来，后来逐步扩展为一
种新的安全理念。
火炬系统是处理石油化工装置事故排放气和
带压无组织排放的可燃气体，使其燃烧，达到安
全环保要求的系统。对确保装置安全生产起着至
关重要的作用。火炬系统，按功能可分为，工艺及
管道系统、分液和水封系统及点火燃烧系统。本文
就以此三个系统，分别论述他们的“本质安全”
设计理念。
2 工艺及管道系统
管道系统的“本质安全” 是指在任何工况
下，都能够保证所有装置的泄放气体能够顺利排
放到火炬，并能够顺利烧掉。
2．1 工艺系统设计
要使管道系统的设计达到本质安全，从工艺
设计的角度讲，第一要严格控制排入火炬系统的气
体质量。排人气体的热值能达到自行燃烧或在排入
燃烧系统前将热值调整到能够自行燃烧；蒸汽、含
油气量较低的惰性气体也不能排入火炬设施；有
毒、宜聚合、杂质多的气体不能排人火炬系统。
7
第二，设定合理的管网背压 J。管道系统的
设计压力要保证各泄放点泄放的可燃气体，能够
顺利进入，即能够满足各装置安全阀泄放背压的
要求 。为避免管道系统的管径过大，可按实际
需要将管网划分为几个不同的压力等级。
第三，管道直径应满足全厂最大排放量要
求。同一事故引起全厂或几个装置排放时，应对
各装置的排放“流量一时间曲线” 进行叠加，取
最大值为该事故时的最大排放量。无排放“流
量一时问曲线” 时，则按照规范SH 3009的叠加
原则，确定各排放系统和全厂最大排放量。
第四，全厂排放系统管网应该维持一定的正
压。安全放空系统中排放的可燃气体通常都具有较
高的温度，因此为防止系统管网在骤冷时产生负
压，有必要设置管网压力检测和自动补压设施。
2．2 仪表控制系统
火炬系统的安保部分尽量不使用仪表控制系
统。智能再高、精度再好的仪表也总有坏掉的时
候，火炬系统是石化厂处理全厂可燃排放气体的最
收稿日期：2014—05—10。
作者简介：孟庆海，男，1983年毕业于辽宁石油化
工大学(原抚顺石油学院)石油及天然气储运专业，
长期从事炼油厂和石油化工厂储运系统、输油管道
及油库等工程设计和研究工作，现任公司副总工程
师、高级工程师。电话：010—84876537，E—mail：
mengqinghai@ sei．corn．en
8 ★ 石油化工安全环保技术★ 2014年第30卷第4期
后一道安全防线，不能有任何失误，必须确保
安全。
2．3 管道安装
从配管设计的要求讲，第一，全厂可燃性气
体排放系统管网热补偿应采用自然补偿，且补偿
器宜水平安装。采用自然补偿是最为安全可靠
的，其他形式，诸如波纹管、旋转补偿器、球形
补偿器等均存在薄弱环节，长期使用容易破损，
导致安全事故，不提倡使用。第二，管道的固定
点要起到真正固定的作用，且设计的固定架要能
够承受足够的推力。随着石化厂的大型化，火炬
管网的管径也越来越大，管道固定管托在标准图
集中是找不到的，只是简单地模仿设计存在隐
患，要经过认真计算校核，确保无误。
3 分液和水封系统
火炬系统管网中如存在低点，或较长管道的
中点，及火炬气进入火炬之前应按规范要求设置
积液罐或分液罐。分液罐的设计关键点是能够将
排放气中直径大于600 m的液滴分离出来，防
止火炬燃烧时发生火雨。
水封是利用水的静压密封火炬气并隔离火炬
与管网的一种装置，它使水封罐内保持一定的水
位并使火炬气能自由流出，同时防止水封后气体
进入火炬气管网。水封系统是全厂火炬系统和火
炬设施可靠的防回火安全设施。其“本安” 概念
是在任何工况下系统必须保证水封有效。
水封在火炬系统中的作用主要是：
保护系统管网不产生逆燃或回火。当火炬系
统可燃气压力过低、排放速度小于火焰传播速度
或火炬气中氧气含量过高等工况出现时，在火炬
及其系统管网中会产生回火或闪爆，这时水封将
起到逆止作用，防止火焰继续传播，保证放空管
网乃至上游各装置安全。
维持管网正压，防止空气进入管网。高温火
炬气排放停止时遇到暴雨，管道内气体温度骤降
或在排放的火炬气温度降到某种组分的相变温度
时，火炬气体积急剧变小，管道内会产生负压，
如果没有水封或水封的水量不足，则会导致空气
由火炬头进入管网系统；还有一种情况是大气压
在高程差作用下，小于空气密度的排放气体处于缓
慢流动或不流动时，水封罐至火炬头出口的管段中
会处于负压状态，如果水封的水量不足，则可使整
个排放系统出现负压，负压可导致空气从管道或设
备的腐蚀空洞进入管网，造成安全隐患。
作为压力控制设备，为保持整个放空系统不
出现负压工况，不同密度的排放气体对水封高度
的要求不同，如密度大于或等于空气密度的放空
气体充满火炬筒体时，水封罐内不存在负压，这
种工况下的水封高度只需满足管网维持正压要
求；对于放空气体密度小于空气密度工况，需要
适当提高水封高度 。
3．1 水封阀组不能代替水封罐
随着节能、环保意识不断提高，通常在水封
罐前的放空管网上引出一个支线，送往气柜和压
缩机，回收正常生产过程中或小事故引起的小量
排放。而放空管网中的压力越高，回收的气体越
多，这就要求水封罐的水封高度足够高。水封高
度增加太高，在装置事故放空时水封不能及时撤
到装置要求的背压，整个系统将不能正常工作。
因此，设计出了多种水封阀或水封阀组，拟取代
传统的水封罐。
水封阀组和各种水封阀的主要工作原理是，
正常生产时能够将水封提到较高的水位，提高了
系统的背压，使得可燃气体进入气柜更加容易，
且能够更多地回收火炬气，提高经济效益；在装
置事故状态下，水封阀组或水封阀能够在几秒钟
内撤除多余的水封，能使装置顺利放空。问题
是，为了尽快撤除水封，水封阀组的水量较少，
在装置大量放空时，罐内的水被带走，不能马上
建立起有效水封，因此防回火功能消失。
3．2 水封系统设计要点
水封系统应该设在分液罐和火炬之间，尽量
靠近火炬。水封距离火炬头越近，火炬回火爆炸
时的体积空间越小，对系统造成的破坏就越小。
水封罐的设计压力。根据化学计算，理论上
烃类气体在密闭空间内发生爆炸产生的压力为气
体压力(绝)的7～8倍，实验证实甲烷和乙烷密封
空间的爆炸压力分别为0．66 MPa和0．68 MPa 。
绝大部分火炬水封罐操作范围在0～34 kP(表压)
内。火炬发生爆炸通常是发生在排放结束时，此
时水封罐内的压力接近常压，同时考虑到设备设
计的许用应力与金属的强度极限有很大的差距。
因此，规范中规定水封罐的设计压力应大于等于
2014年第30卷第4期 ★ 孟庆海．火炬系统“本质安全” 设计 ★
0．7 MPal
。
3．3 水封高度设计
水封高度取决于水封的目的。用于回收火炬
气的水封系统，建议采用可靠的水封阀组加水封
罐的流程来实现水封保护。利用水封阀组水封高
度维持回收火炬气的压力，水封罐防止系统回火
和产生负压。
首先，水封高度应确保排放气体在装置事故
排放时能冲破水封排人火炬；其次满足排放系统
在正常生产条件下有效阻止火炬回火。对于燃烧
速度快，如氢气、乙炔、环氧乙烷等极速燃烧特
性介质火炬气，应适当增加水封高度，水封高度
应>1300 mm；对于火炬气密度≥空气密度的工
况，水封高度应≥150 mm；而火炬气密度<空气>200 mm_2 J。
另外，为防止水封罐前的管道由于高温工况遇
降雨，管道内气体产生骤冷，导致整个管网出现负
压，规范要求水封罐内应有足够的水量，有效水封
量应至少能够在放空总管产生负压时，满足水封罐
人口立管3 m充水量。
为了保证水封罐内的有效水量，设计时要使
水封罐具有一定的分水功能；同时要保证水封罐
内气体水平流速不超过临界速度。
还有一种工况设计时必须考虑，就是排放气
体的温度大于100℃时，排放的气体会使水蒸发
而减少有效水封的水量，这时自动补水是保证水
封罐有效水封的实用方法。
3．4 水封罐的补水设计
水封罐在任何状态下都必须保持水封有效。一
般要做到两点：一是正常工况下，保持水封罐常流
水。水量可通过限流孑L板限制，流量为U形溢流
管自流能力的50％ 。二是在事故状态下，水封罐
应设低液位联锁自动补水措施，保持水封的水位。
3．5 溢流管的设计
溢流管除了排出水封所需多余的水外，还应
有撇油作用，一般设计成U型。在没有火炬气放
空的情况下，水封罐内的压力为火炬简体内物料
自重产生的压力或者是由于密度小于空气的火炬
气产生的负压。为保证最大排放量时溢流管不与
大气直接连通，规范要求溢流管的水封高度应大
于水封罐内气体空间的最大操作压力的1．75倍。
9
4 燃烧系统
任何情况下都要保证排放气通过火炬头时能
够燃烧。长明灯长明是此系统“本安” 理念的重
要保证。
火炬系统的排放气具有不确定性，时间不定、
排放量不定、排放介质性质不定等。同时要求整个
系统在任何工况下都能够随时点燃排放气。自动点
火具有一定的优越性，可以节省长明灯常燃的燃料
气，但是电子的东西总是具有一定的不安全因素，
任何一个自动点火系统都不能保证100％的点火成功
率，而长明灯时刻长明，全天候，是最可靠的选择。
长明灯要采用清洁燃料气，有条件可以用天
然气作为点火源。采用炼厂高压燃料气时必须经过
脱硫处理，且点火设施前应加过滤器，避免长明灯
管道和长明灯节流孔板堵塞，同时实现清洁燃烧。
燃烧系统是火炬设施的核心。主要包括火炬
头、点火器、密封器、助燃消烟等辅助设备。
国内外火炬头的形式很多，结构复杂，各有
特色，关键点是能够使排放气充分燃烧。一般情况
下，全厂紧急事故最大排放工况火炬头出口的马赫
数应小于等于0．5；无烟燃烧时火炬头出口的马赫
数宜取0．2；处理酸性气体的火炬头出口马赫数宜
小于或等于0．2。其它辅助设备应根据需要配备。
点火装置是火炬安全运行的关键。火炬系统
应配备可靠的点火控制系统，要有远程高空自动
点火、远程高空手动点火和地面传燃式点火等多
种点火方式。
5 结语
火炬设施是石化厂处理全厂可燃气体排放气
重要的安全环保设施。火炬排放气具有时间不
定、排放量不定、排放介质性质不定等诸多不确
定性。整个系统本身的安全可靠是全厂各装置安
全可靠运行的重要保证。石化厂火炬系统的本质
安全设计理念和措施应得到贯彻和落实。
参考文献：
[2]
[3]
王松汉．石油化工设计手册第4卷工艺
和系统设计[M]． 北京：化学工业出版
社．2002．
SH 3009—2013石油化工可燃性气体排放
系统设计规范[s]．
赵衡阳． 气体和粉尘爆炸原理[M]． 北
京：北京理工大学出版社，1966：35．36．</空气>

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