石油化工企業(yè)可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范條文說明.doc
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中華人民共和國石油化工行業(yè)標準 石油化工企業(yè)可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范 SH 3009-2010 條 文 說 明 2010 北 京 目 次 3 一般規(guī)定 3 4 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)的設(shè)置 3 5 設(shè)計排放條件的確定 4 6 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng) 5 7 分液及水封 6 8 高架火炬 10 8.1允許熱輻射強度 10 9 地面火炬 14 9.1 地面火炬的設(shè)計原則 14 9.2 封閉式地面火炬 15 9.3 開放式地面火炬 15 10 火炬氣回收 16 石油化工企業(yè)可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范 3 一般規(guī)定 3.2 為避免全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)規(guī)模過大和工程投資過高,或在為滿足環(huán)保要求的特定情況下,通常采用自動控制連鎖減排系統(tǒng)以減少或消除工藝裝置在緊急事故時可燃性氣體的排放。如:由停電引起空冷器風扇停止轉(zhuǎn)動、冷卻水中斷、塔冷卻回流中斷等事故時,使用自動控制連鎖系統(tǒng)切斷熱量的輸入,可以大大減少或消除可燃性氣體的排放。但自動控制系統(tǒng)不可能百分之百無故障,在確定全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)時不能不考慮自動控制連鎖減排系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性。另外,國外某些標準在這方面也有明確的規(guī)定。 3.5 理論上講,高于常溫并含有碳五以上烴類或水蒸氣的可燃性氣體,隨著溫度的下降會有一部分冷凝液析出。但通過對放分液罐的使用情況調(diào)查發(fā)現(xiàn),重組分裝置附近的放空油氣管道內(nèi)存液很多,在裝置運行期間,裝置邊界處分液罐內(nèi)的凝結(jié)液經(jīng)常處于滿負荷。很多煉廠反應(yīng)放空油氣剛出裝置時帶油多。分析其原因,顯然大部分的凝結(jié)液不是在離開裝置這一段裸管因冷卻而形成的,而是氣流夾帶出來的碳5以上的烴類物質(zhì)。 因此,采用在裝置內(nèi)先進行分液罐分液然后送出裝置。這樣做有以下優(yōu)點: a裝置操作人員可直接掌握放空油氣夾帶液滴的情況,有利于操作; b便于對分液罐的管理與操作; c便于分液罐內(nèi)的輕質(zhì)餾份回收處理; d有利于系統(tǒng)管網(wǎng)的安全運行。 3.7 大多數(shù)石油化工裝置可燃性氣體的安全泄放壓力較低,而通常全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)復雜且管道的路線較長,裝置內(nèi)外統(tǒng)一進行水力計算可以科學優(yōu)化放空氣體管網(wǎng)的規(guī)模;統(tǒng)一進行管系的應(yīng)力計算,有利于避免大直徑管道配管的難度。 4 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)的設(shè)置 4.2.2若放空油氣的熱值過低,無法回收利用,排至火炬頂部不能燃燒,擴散至大氣中,將污染空氣。對于處理放熱燃燒氣體的火炬,通常要求被處理的氣體具有足夠高的熱值以維持其自己燃燒,熱值大于等于7880 kJ/Nm3的氣體才能夠維持自己燃燒。 4.3.1 e) 一方面,劇毒介質(zhì)如果燃燒不完全進入大氣,其危害極其嚴重;含有腐蝕性介質(zhì)的氣體其排放管道的材質(zhì)要求須耐腐蝕。另一方面,在正常生產(chǎn)條件下,全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)主管網(wǎng)內(nèi)的可燃性氣體需要回收作為燃料氣使用,劇毒介質(zhì)或含有腐蝕性介質(zhì)的氣體是不允許進入的。 4.4.5 對于全廠可燃性氣體排放系統(tǒng),其允許的壓力降越高越有利于減少工程投資。塔或容器上安全閥的設(shè)置原則旨在保證容器緊急事故狀態(tài)下承壓設(shè)備的安全,壓力容器的設(shè)計壓力均大于等于0.35MPa.g。因此,通過選擇不同類型的安全閥,裝置邊界處的壓力可以不低于0.15 MPa。如果受工藝特殊要求限制,某些裝置安全閥排放背壓必須較低,則通過經(jīng)濟分析確定合理的系統(tǒng)設(shè)置方案。 4.5.3 大型煉油和石油化工廠的裝置數(shù)量多且單套裝置處理能力大,按照裝置的允許排放背壓分別設(shè)置高壓和低壓系統(tǒng),在經(jīng)濟上更趨于合理,火炬的數(shù)量與生產(chǎn)的檢修分組、火炬自身直徑的限制等都有關(guān)系,從近年幾座千萬噸級煉油廠和百萬噸乙烯的運行經(jīng)驗看,火炬是不宜少于兩座的。如果火炬氣回收設(shè)施能夠保證正常生產(chǎn)時排放到某個火炬系統(tǒng)的可燃性氣體得到全部回收,則正常生產(chǎn)時火炬基本是不燃燒的,僅是用于開停車和緊急事故工況,其使用壽命都可以達到4年以上;如果火炬經(jīng)常燃燒,火炬頭及其高空點火系統(tǒng)的壽命很難超過2年。 5 設(shè)計排放條件的確定 5.2.1 煉油廠和石油化工廠事故工況下可燃性氣體排放是一種無組織排放,通過分析、計算確定每個裝置事故排放的“流量-時間曲線”,排放系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)對同一事故工況進行疊加處理,取最大值為該事故時的最大排放量。這是相對準確確定火炬排放量的方法。但對于工藝過程較長、排放點較多的工藝裝置來講,要分析、計算出十分準確的排放“流量-時間曲線”很困難。因此,本規(guī)范規(guī)定了一種簡單的火炬排放量疊加原則,作為無法取得排放“流量-時間曲線”時確定全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)和火炬設(shè)計排放量的方法。 通過調(diào)查和收集的信息表明,不論國內(nèi)還是國外,采用簡單疊加原則確定火炬排放量是比較普遍的方法??梢詺w納為如下五種疊加原則:a、全部裝置事故排量100%疊加;b、一個最大裝置排放量與其余裝置事故排放量的50%疊加;c、只考慮一個最大裝置的事故排放量;d、考慮兩個裝置最大事故排放量疊加;e、一個最大裝置排放量與其余裝置事故排放量的30%疊加。 從國內(nèi)幾十年的實踐經(jīng)驗看,全廠性停電、局部停電、停水等事故偶有發(fā)生,但不同的工廠在事故時表現(xiàn)出的排放情況差別很大,有出現(xiàn)多個裝置發(fā)生排放的,也有沒有出現(xiàn)大量排放的。但從以往的事故情況看,同一事故排放量100%疊加是十分保守的,只考慮一個最大裝置的事故排放量又太過于激進(國內(nèi)某廠曾發(fā)生過由于火炬系統(tǒng)按一個最大裝置的事故排放量設(shè)計,發(fā)生全廠停電時在約20分鐘內(nèi)大多數(shù)裝置陸續(xù)發(fā)生排放,雖然全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)沒有發(fā)生事故,但因系統(tǒng)偏小而導致高噪音和部分裝置明顯憋壓)。此次修訂是參照近幾年國內(nèi)的設(shè)計經(jīng)驗給出的火炬排放量簡單疊加原則。 在每個排放系統(tǒng)的設(shè)計中要考慮系統(tǒng)可能發(fā)生最大排放的工況,以此確定各系統(tǒng)的尺寸;對于火炬在事故時產(chǎn)生的熱影響應(yīng)該按5.2.1中d的要求確定,此原則確定的排放量只是確定火炬熱輻射影響范圍的依據(jù),不能用于確定火炬的規(guī)格。 6 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng) 6.1.1 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)氣體的流動既不是等溫過程也不是絕熱過程,實際流動狀態(tài)一般介于等溫和絕熱狀態(tài)之間。由于火炬氣的溫度都遠離深冷溫度,為簡化計算的復雜程度,通常國際上的標準都采用較保守的等溫方程式(6-1)計算管網(wǎng)的流動阻力。由于全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)氣體的流動均處在紊流區(qū),該區(qū)的水力摩擦系數(shù)計算公式有很多,采用不同公式計算結(jié)果有一定的差別,目前國外工程領(lǐng)域的水力計算軟件中普遍使用柯氏公式(Colebrook),但由于其手工求解困難,因此在標準中采用的是莫迪(Moody)公式,這兩個公式都是紊流區(qū)的綜合公式,莫迪公式可以看作是柯氏公式的近似公式。在API 521、殼牌等公司標準以及其它歐美工程公司的標準中,火炬氣體排放管道水力計算普遍采用等溫方程式和莫迪公式。據(jù)有關(guān)文獻介紹,柯氏公式的準確性較高。 6.1.5隨著管道使用年限的增加,可能存在未被發(fā)現(xiàn)的腐蝕穿孔,而全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)在特殊情況下會存在負壓工況,維持管網(wǎng)的正壓狀態(tài)以避免空氣進入可燃性氣體排放系統(tǒng)內(nèi)形成爆炸氣體。本規(guī)范中要求的正壓大于等于150mm水柱,是與本規(guī)范的第7.2.25條相關(guān)聯(lián)的,在第7.2.25條中明確水封高度的最小值應(yīng)大于等于150mm,通常管網(wǎng)的正壓值與有效的水封高度是一致的。 6.2.1 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)是石油化工廠在緊急事故時保證工廠安全的重要手段,其排放管道的配管設(shè)計必須安全、可靠。采用型補償器進行熱補償可以保證整個系統(tǒng)的管道具有同等的強度,如果使用膨脹節(jié)其不可避免成為系統(tǒng)中的薄弱點,尤其當管道中存在凝結(jié)液時,膨脹節(jié)極易損壞。國內(nèi)曾發(fā)生過幾起因膨脹節(jié)引起的火炬氣排放管道失穩(wěn)脫架、斷裂事故。 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管道必須具有一定的坡度,并能夠及時將凝結(jié)液分離出去,以避免管道內(nèi)產(chǎn)生段塞流或兩相流震動危及整個系統(tǒng)的安全。 6.2.2可燃性氣體排放管道吹掃是檢修、維修的安全需要,目的在于清除管道內(nèi)可燃性氣體。當采用蒸汽作為吹掃氣時,長時間連續(xù)吹掃會導致管道內(nèi)產(chǎn)生大量的凝結(jié)水而發(fā)生振動。因此,要求間斷吹掃使管道溫度控制在小于等于120 ℃,通過多次反復的方式通入蒸汽,以達到清除管道內(nèi)可燃性氣體的目的。 6.2.4 管道內(nèi)氣、液(主要是凝結(jié)液)兩相流動沖擊力方向的多向性及數(shù)值的多變性,是造成部分管道及管架破壞事故的主要原因。通過對國外相關(guān)資料的收集及多年的設(shè)計實踐,本規(guī)范確定了含凝結(jié)液的可燃性氣體排放管道對固定管架的水平推力的取值。 6.2.8 全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)管網(wǎng)在特殊情況下會存在負壓工況,其負壓程度取決于水封罐入口立管高度及可充水量,要求的30kPa負壓是最小值,設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計參數(shù)確定。 7 分液及水封 7.1.7 在實際生產(chǎn)中,連續(xù)發(fā)生緊急事故的情況可能存在,但事故導致火炬氣排放量連續(xù)兩次都達到或接近全廠可燃性氣體排放系統(tǒng)的設(shè)計能力的可能性是不存在的,從這個角度來說,凝結(jié)液泵流量的大小僅取決于預計的運轉(zhuǎn)時間長短,25m3~50m3/h的流量是設(shè)計上的典型流量范圍;由于凝結(jié)液泵大部分時間里是不運轉(zhuǎn)的,人工啟動要比自動聯(lián)鎖啟動更安全穩(wěn)妥。為避免高溫凝結(jié)液進入輕污油系統(tǒng)而引起事故,應(yīng)控制其送出溫度小于等于70℃;為防止高壓力的輕污油倒流進入分液罐,要求在凝結(jié)液泵出口管道上設(shè)置兩個止回閥,以確保安全。 7.1.16臥式分液罐的尺寸計算 1)式(7-1)的推導基礎(chǔ)是液滴垂直降落時間等于氣體從進口到出口流過的時間。 2)式(7-3)來源于API521。 3)式(7-5)是根據(jù)比值b與比值a的關(guān)系曲線回歸的曲線方程,以代替復雜的數(shù)學解析方法。 4)式(7-6)來源于API521。 5)計算臥式分液罐的直徑時,首先假定臥式分液罐直徑,根據(jù)假定的計算出罐內(nèi)液體截面積與罐總截面積比值b和罐內(nèi)液面高度與罐直徑比值a后,將全部計算參數(shù)帶入式(7-1)計算得到試算的臥式分液罐直徑,經(jīng)過反復試算直到滿足為止。 7.1.17臥式分液罐直徑的計算式(7-1)僅是考慮了重力分離作用,并沒有考慮氣體在分液罐內(nèi)高速流動有可能將罐內(nèi)液體卷走的問題。式(7-7)是根據(jù)水平流道中氣液兩相流動機構(gòu)提出的罐最小直徑計算公式。 按水平管道流動機構(gòu)的波狀流動考慮該問題。實際上罐內(nèi)的水不流動,也就是液相折算速度=0,但=0在理論上是不成立的。因此,取Mandhane相圖中最小的液相折算速度=0.003m/s(這是可以從圖中查到氣相折算速度的最小值)作為水基本不流動的邊界條件,以便處理實際問題。對于分液罐按氣體折算速度m/s(即波狀機構(gòu)氣體折算速度的80%)作為確定氣體臨界流速的條件。由于折算速度小于真實速度,當=0.003m/s時折算速度與真實速度的差很小,且>>,則氣體的臨界流速可以取=。 Mandhane相圖是環(huán)境溫度及大氣壓條件下的空氣與水的實驗結(jié)果,對于火炬排放氣體及凝結(jié)液應(yīng)修正為。因此,分液罐內(nèi)氣體水平流動的臨界速度取決于壓力、溫度、兩相介質(zhì)的密度、氣體粘度、凝結(jié)液的表面張力和臨界氣相折算速度,即。圖7-2是根據(jù)凝結(jié)液溫度100℃、火炬氣分子量小于等于135的假定條件,計算并回歸得到的分液罐內(nèi)氣體水平流動臨界速度與操作壓力的關(guān)系圖。 為保持臥式分液罐內(nèi)氣體真實速度滿足上述流動的邊界條件,同時還要考慮罐內(nèi)允許的最大積液量影響,則可以寫出下列等式: 經(jīng)整理得到式(7-7) 7.1.18立式分液罐的直徑計算式(7-8),是按照立式罐內(nèi)氣相空間的氣體上升速度等于液滴沉降速度的80%推導而得。 7.2.1 水封罐和阻火器是防止火炬回火爆炸導致可燃性氣體排放管網(wǎng)及其連接的設(shè)備被破壞的重要設(shè)施和手段,設(shè)置的位置越靠近火炬或放散塔根部,回火爆炸對系統(tǒng)造成破壞的范圍越小,設(shè)計中應(yīng)首選水封罐,不宜使用阻火器(阻火器極易被堵塞)。當阻火器距離火炬頭出口大于20d時阻爆燃型阻火器將失去阻止火焰?zhèn)鞑サ淖饔?,此時必須使用阻爆轟型阻火器。 7.2.2同一個放空系統(tǒng)中有兩個或兩個以上火炬同時操作時,不同火炬之間會存在壓力差,當火炬氣排放量較小時有可能發(fā)生火炬之間的互吸現(xiàn)象而導致空氣進入火炬筒內(nèi)發(fā)生爆炸事故(含氫量較高時極易發(fā)生)。因此,火炬之間必須采用水封罐以阻斷氣體在火炬筒內(nèi)的倒流。分層設(shè)置水封高度有利于減少小氣量工況時火炬頭的燜燒問題。 7.2.3相互備用的兩個火炬僅是在切換時存在短時間同時使用的工況,備用的火炬在切換完畢后使用閥門和盲板與在用火炬隔離,共用水封罐是經(jīng)濟合理的。但為避免切換期間兩個火炬連通時出現(xiàn)事故,應(yīng)在兩個火炬切換操作時提供足夠的安全吹掃氣體。 7.2.11 水封罐的設(shè)計應(yīng)能保證在發(fā)生回火爆炸事故時不被破壞。理論上烴類氣體在密閉空間內(nèi)發(fā)生爆炸產(chǎn)生的壓力為氣體壓力(絕)的7~8倍,火炬發(fā)生爆炸通常是發(fā)生在排放結(jié)束時,此時水封罐內(nèi)的壓力接近常壓,同時考慮到設(shè)備設(shè)計的許用應(yīng)力與金屬的強度極限有很大的差距。因此,本規(guī)范規(guī)定水封罐的設(shè)計壓力應(yīng)大于等于0.7MPa.G。 7.2.15 隨著石油化工廠的大型化,火炬排放氣體量越來越大,相應(yīng)的水封罐尺寸也變得較大,使用立式罐可能會影響到系統(tǒng)管廊的高度增加;另一個不宜使用立式水封罐的重要原因在于排放氣體量較大時,立式罐水封液面的穩(wěn)定性遠不如臥式罐,容易造成溢流水量過大的問題。 臥式壓力容器的長度與直徑比值為2.5~3時經(jīng)濟性較好,本條中“水封罐長度與直徑的比值宜為2.5~6”,是包含了單流式和雙流式的整個比值范圍,即對于單流式為2.5~3,雙流式為5~6。 7.2.21 當大量排放氣體經(jīng)過水封時,極易引起臥式水封罐內(nèi)的水發(fā)生劇烈波動,這種波動有時會造成罐基礎(chǔ)的破壞,在設(shè)計中應(yīng)當考慮防止水發(fā)生劇烈波動的有效措施。 7.2.22 臥式水封罐的尺寸計算 1)式(7-9)的推導基礎(chǔ)是液滴(氣體通過水封帶出的)垂直降落時間等于氣體從進口到出口流過的時間。 2)式(7-10)是根據(jù)比值a與比值b的關(guān)系曲線回歸的曲線方程,以代替復雜的數(shù)學解析方法。 3)計算臥式水封罐的直徑時,首先假定臥式水封罐直徑,根據(jù)假定的計算出罐內(nèi)液面高度與罐直徑比值a和罐內(nèi)液體截面積與罐總截面積比值b后,將全部計算參數(shù)帶入式(7-9)計算得到試算的臥式分液罐直徑,經(jīng)過反復試算直到滿足為止。 7.2.23臥式水封罐直徑核算的理論出發(fā)點與7.1.17是完全相同的。但對于罐內(nèi)氣體水平流速的臨界速度限定嚴于臥式分液罐,水封罐按氣體折算速度m/s(即分層流動機構(gòu)氣體折算速度的90%)作為確定氣體臨界流速的條件。 由于水封罐內(nèi)的氣相是密度等于、粘度等于的非空氣介質(zhì),而液相是水。因此水封罐的液相折算速度修正為:。水封罐內(nèi)氣體水平流動的臨界速度取決于壓力、溫度、氣相介質(zhì)的密度、氣相介質(zhì)的粘度和臨界氣相折算速度,即。圖7-3是根據(jù)水封罐操作壓力為150kPa.A、火炬氣分子量小于等于135的假定條件,計算并回歸得到的水封罐內(nèi)氣體水平流動臨界速度與MP/T的關(guān)系圖。 7.2.25 可燃性氣體排放管網(wǎng)在特定的條件下存在兩種負壓工況。一種負壓工況是高溫氣體排放停止時遇到降雨,管道內(nèi)氣體溫度大幅降低將導致整個管網(wǎng)出現(xiàn)負壓,如果密封水量不足,則會導致空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng),在7.2.5條中明確了針對這種負壓所必須的密封水量;另一種負壓工況是在大氣壓高程差作用下,密度小于空氣密度的排放氣體處于緩慢流動或不流動時,水封罐至火炬出口的任意點處均處于不同的負壓狀態(tài),如果此時水封水量不足及系統(tǒng)管網(wǎng)維持正壓措施失靈,則整個可燃性氣體排放系統(tǒng)會出現(xiàn)負壓。但這種負壓是自平衡的,不會造成空氣由火炬頭進入管網(wǎng)系統(tǒng),但可以導致空氣由放空管道或設(shè)備上的腐蝕等形成的孔洞進入系統(tǒng)。 水封罐通常用于阻火、維持系統(tǒng)壓力、分層控制排放背壓或提供火炬氣回收所需的管網(wǎng)背壓等目的。因此,水封高度取決于水封的目的。本規(guī)范規(guī)定的水封高度僅是對于阻火、維持系統(tǒng)壓力的目的??紤]第二種負壓工況時水封界面前后有如下關(guān)系式: 下圖中水面上的壓力與排放氣體的分子量、溫度、當?shù)卮髿鈮汉突鹁娓叨扔嘘P(guān)。由大氣壓壓高方程可以得到火炬頭出口處的大氣壓力計算式如下: 式(B)中為溫度等于(K)地面處的大氣壓力(kPaa)。由于火炬高度有限,處于大氣地面層的火炬頭出口處的大氣壓力也可以采用實測壓力隨高程變化規(guī)律計算,計算式為: 由地面向上H處的壓力降低值與大氣的環(huán)境溫度有關(guān),溫度越低壓力差值越大。水面上的壓力等于火炬頭出口處的大氣壓力與h高排放氣體柱產(chǎn)生的壓力之和。h高排放氣體柱產(chǎn)生的壓力同樣可以采用壓高方程計算,也可以采用簡化計算方法,即(kPa)。 為在工程設(shè)計中便于使用,以簡化算法處理式(A),取,則: 經(jīng)整理得式(7-13): 火炬水封示意圖 對于含有大量氫氣、乙炔、環(huán)氧乙烷等燃燒速度異常高的可燃性氣體,一旦氧氣進入系統(tǒng)管網(wǎng)形成爆炸氣體,當火炬水封罐后發(fā)生回火閃爆時,水封阻擋不了火焰向水封罐前系統(tǒng)的傳播。本條中b)、c)是考慮在系統(tǒng)管網(wǎng)失去維持正壓氣源且壓力降到0kPa時,也要保證水封后面的負壓不能導致水封前的壓力降到0kPa以下,300mm和200mm水封高度是以標準狀態(tài)下(溫度0℃,大氣壓力101.325kPaa)氫氣或甲烷對于150m高火炬計算的水封高度再考慮1.75倍的安全系數(shù)(以滿足不同溫度時的安全)確定的;由于密度大于等于空氣的可燃性氣體充滿火炬筒體時,水封罐內(nèi)不存在負壓,這種工況下的水封高度只需滿足管網(wǎng)維持正壓的要求,規(guī)定的150mm是與第6.1.5相關(guān)聯(lián)的。 8 高架火炬 8.1允許熱輻射強度 火炬設(shè)施安全區(qū)域的大小取決于允許熱輻射強度?;鹁鏆庾畲笈欧帕康拇_定原則本身具有一定安全系數(shù),最大排放持續(xù)的時間通常不超過30分鐘,太陽的熱輻射強度0.79kW/m2~1.04kW/m2是一天當中的最高值,且受天氣的影響較大;裝置開、停工期間由于操作不穩(wěn)定或下游裝置不能同步開車,會有大量的可燃性氣體連續(xù)數(shù)天排放到火炬燃燒。因此,太陽的熱輻射是否疊加到火炬產(chǎn)生的熱輻射中,在不同的工況下應(yīng)該區(qū)別對待。 允許的熱輻射強度是暴露持續(xù)時間的函數(shù),它應(yīng)該包含人的反應(yīng)時間和靈活性等因素。在API521中建議考慮操作人員或檢修人員的總暴露時間為8s~10s。根據(jù)熱輻射對人和設(shè)備影響研究文獻整理的熱輻射與允許暴露時間數(shù)據(jù)見下表: 熱輻射與允許暴露時間數(shù)據(jù)表 熱輻射強度(kW/m2) 皮膚裸露時 有適當防護時 說明 1.58 --- 可持續(xù) 公共區(qū)域持續(xù)暴露的安全強度 1.74 60s 2h 2.33 40s 0.5h 3.0 35s --- 樹木持續(xù)暴露的安全強度 3.2 30s --- GB 50160 《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》的廠內(nèi)安全強度 4.73 16s 5min 6.31 10s 1min 9.46 6s 10s 持續(xù)暴露30min的金屬表面將達到210℃,樹木會燃燒。 本規(guī)范規(guī)定的不同區(qū)域的允許熱輻射強度及表8.1就是以這些原則為基礎(chǔ)制定的。 8.2.5 排放氣體在火炬頭出口處允許的馬赫數(shù)大小取決于系統(tǒng)允許的壓降、環(huán)境噪聲標準、火焰穩(wěn)定性以及氣體的燃燒特性。對于系統(tǒng)排放壓力較低以及環(huán)境噪聲要求嚴格的火炬,短時間的事故排放時應(yīng)該控制在0.5以下,工廠正常生產(chǎn)的連續(xù)或頻繁排放最好維持在0.2;對于系統(tǒng)排放壓力足夠高,且環(huán)境噪聲要求不嚴時,適于采用音速?;鹁骖^出口氣體速度太低時,火焰受風的影響較大,火焰有可能在下風向的低壓區(qū)沿火炬頭下落數(shù)米,會引起火炬頭過熱和腐蝕,有關(guān)火炬研究文獻發(fā)表的數(shù)據(jù)表明火炬穩(wěn)定燃燒的馬赫數(shù)為0.2~0.5。 對于酸性氣火炬主要關(guān)注的是氣體中有毒、有害物質(zhì)的燃盡率。石油化工企業(yè)的酸性氣主要是含硫化氫的氣體,目前在酸性氣火炬設(shè)計上普遍采用低速并維持適當燃燒溫度的方法,也可以采用0.5馬赫數(shù)以上的高速火炬頭,使酸性氣體與空氣充分混合達到硫化氫燃盡率的要求。 8.2.8 式(8-1)計算出的是火炬頭出口有效截面積,火炬頭出口的實際面積還應(yīng)該包括其內(nèi)部其它構(gòu)件的當量面積,此部分面積由火炬頭供貨商考慮。 8.2.17 火炬頭出口至鋼塔架頂層平臺應(yīng)該保持一定的距離,盡量避免低排放量工況時火焰在風的作用下對火炬塔架頂層平臺的損害。碳氫化合物燃燒產(chǎn)生的溫度高,酸性氣、純氫氣等低熱值氣體燃燒產(chǎn)生的溫度相對較低,根據(jù)多年的實踐及火炬頭安裝和拆卸具體情況本規(guī)范確定的7m和5m。 8.3.3 火焰長度對火炬高度的影響較大。國外對火焰長度的研究主要集中在20世紀60~90年代。 1964年G.R.KENT通過小直徑管道在靜止的空氣中對火焰的長度進行實驗,其結(jié)論是,從馬赫數(shù)≥0.2開始火焰長度是固定的,并約等于氣體出口直徑的118倍。 1970年HONDA T.J.提出火焰長度為0.72x103md(馬赫數(shù)m=0~0.12)。 1973年T.A.BRZUSTOWSKI and E.C.SOMMER提出基于可燃性氣體在側(cè)向風中噴射混合和在空氣中爆炸下限研究的火焰長度計算方法,該方法在API RP 521中稱為精確計算法。 1974年Schwanecke R.提出馬赫數(shù)<0.15時火焰長度為2.43x10-2Q0.5(Q,MJ/kg),馬赫數(shù)在0.15~0.35時火焰長度為7.7x10-6Q/d2,馬赫數(shù)>0.35開始火焰長度是固定的,且等于氣體出口直徑的120倍。 API RP 521的圖解法,該方法是基于幾組觀測數(shù)據(jù)制作的火焰長度與氣體低熱值相關(guān)聯(lián)的對數(shù)坐標圖,配合側(cè)向風與焰變形近似關(guān)系圖確定火焰中心點。這種方法自1969年API RP 521首次發(fā)表至今一直在使用,沒有進行過修正。 美國氣體處理器供貨商聯(lián)盟(GPSA)1987年發(fā)布的工程數(shù)據(jù)手冊是以排放氣體在火炬頭出口的壓力降計算火炬的火焰長度,火焰長度為。 據(jù)有關(guān)研究文獻報道,實際觀測的火焰長度與上述各種預測公式的計算值存在不同的差別,有的觀測結(jié)果與計算值偏差很大。到目前沒有哪一個計算方法可以準確預測火炬的火焰長度。 通過對上述不同的火焰長度預測公式進行分析和多組實際數(shù)據(jù)的計算比較, 可以認為T.A.Brizustowski and E.C.Sommer和G.R.Kent的計算方法得到的火炬高度還是可以接受的,API-521的圖解法最保守,尤其是在較大排放量時其計算結(jié)果明顯不合理。但T.A.Brizustowski and E.C.Sommer的計算方法需要知道可燃性氣體的確切組成,使用的方便性和計算結(jié)果的穩(wěn)定性不好。 本規(guī)范采用了G.R.Kent的火焰長度計算方法,式(8-5)來源于G.R.Kent實驗數(shù)據(jù)的回歸。 8.3.4 不論火焰長短如何、火焰形狀如何,其對任意一點的熱影響都可以看做是由一個熱源點發(fā)出的熱輻射影響的結(jié)果,這個熱源點就是名義上的火焰中心點,由火焰中心點和受熱點的幾何關(guān)系可得到火炬高度計算式(8-6)。 在排放氣體發(fā)熱量、熱輻射率、計算點允許的熱輻射強度和火焰長度確定的條件下,火焰的中心位置就成了影響火炬高度的決定因素。 不同的研究文獻定義的火焰中心不同,G.R.Kent認為火焰的熱量是沿火焰長度均勻釋放的,因此通過積分得到無風時火炬的火焰中心約在火焰長度的下1/3處(實際是與火炬高度相關(guān)聯(lián)的變化值);API-521的圖解法是把火焰按照非剛性體在側(cè)向風的作用下,采用無限累加的方法計算出火焰的末端,把火炬頭出口到火焰末端連線的中點定義為火焰的中心點;T.A.Brizustowski and E.C.Sommer方法是把火焰在側(cè)向風作用下形狀中心曲線的中點定義為火焰的中心點;GPSA工程數(shù)據(jù)手冊的火焰中心定義與G.R.Kent的相同。但把火焰假設(shè)為剛性體時,火炬出口速度越低火炬高度就越小的不正常結(jié)論,這是過于簡化側(cè)向風對火焰變形影響所造成的。因此,本規(guī)范采用G.R.Kent的火焰長度計算方法和火焰中心點的定義,但不是按照剛性體的假設(shè)確定側(cè)向風作用下的火焰中心點。 本規(guī)范采用伊萬諾夫射流軌跡方程確定火焰中心點。經(jīng)大量的計算數(shù)據(jù)證實該方法確定的火炬高度與T.A.Brizustowski and E.C.Sommer方法確定的火炬高度差別很小,計算結(jié)果略保守于T.A.Brizustowski and E.C.Sommer方法的計算結(jié)果,也就是說比T.A.Brizustowski and E.C.Sommer方法偏于安全。 處于開放環(huán)境的火炬其熱輻射系數(shù)是無法通過理論計算得到的。大量的研究文獻提出的熱輻射系數(shù)差別很大,范圍在0.1~0.5。本規(guī)范2001版中采用的熱輻射系數(shù)是0.2。 根據(jù)國內(nèi)多年實踐經(jīng)驗并結(jié)合有關(guān)熱輻射系數(shù)研究文獻,在本次規(guī)范修訂中,給出了一個基于氫氣、甲烷、丙烷和重組份的熱輻射系數(shù)分別為0.125、0.17、0.22和0.3 與氣體低熱值相關(guān)聯(lián)并考慮空氣吸熱的熱輻射系數(shù)計算式(8-7)。 對于所有類型的火炬,風速增加時火焰的傾斜程度都增加。大多數(shù)情況下,風引致的火焰傾斜及由此引起的對火焰下部某點輻射增強與該點增強的風力對流冷卻作用會達到一個平衡。多數(shù)輻射強度研究文獻認為8.9m/s是一個合理的風速取值。 8.5.2 注入吹掃氣體是防止火炬回火的唯一手段。使用水封罐或阻火器都可以達到將系統(tǒng)管道與火炬筒隔離,起到阻止火炬筒內(nèi)回火波及到整個排放系統(tǒng)的作用。但使用阻火器存在易堵塞、驟冷回火、系統(tǒng)負壓等問題。因此,除LNG等低溫火炬外不推薦使用阻火器,國外的相關(guān)標準也是如此,如:Shell、API等。 8.5.4對高速燃燒或?qū)挶ㄏ尢匦越橘|(zhì)(如:含較高氫氣、乙炔和環(huán)氧乙烷等)的火炬、酸性氣火炬和有毒介質(zhì)的火炬,使用燃料氣作為吹掃氣有利于改善其燃燒特性,以進一步提高火炬運行的安全性。 8.5.6 來源于API RP 521和JOHN ZINK的有關(guān)密封器試驗數(shù)據(jù),這樣的吹掃速度可以保證密封器之下的含氧量≤3%,如果排放的火炬氣中本身就含有微量的氧氣時,設(shè)計中應(yīng)考慮適當加大吹掃氣的速度。通常認為防止燜燒的速度在0.15m/s以上。 8.5.8 分層設(shè)置防回火吹掃氣體的供給,可以減少燃氣的消耗量。 8.5.9速度密封器安裝在火炬頭下半部靠近入口法蘭處,既可以避免其長期處于高溫區(qū)被損壞,也可以避免空氣浸入火炬頭以下部分過深,同時便于檢修和維修。 9 地面火炬 9.1 地面火炬的設(shè)計原則 9.1.1 由于地面火炬燃燒器安裝在地面上,火炬氣排放過程中一旦熄火,且點火不及時時,極度或高度危害的有毒可燃性氣體將聚集在地面火炬設(shè)施周圍,對周邊人員將構(gòu)成一定的威脅,可能引發(fā)安全事故。 9.1.2因開停工及正常生產(chǎn)時可燃性氣體的排放量較小,一旦長明燈熄滅,且點火不及時,可燃性氣體擴散至大氣中時,其影響范圍較小,容易處理。 9.1.3地面火炬的分級應(yīng)滿足下列要求: a 火炬氣排放系統(tǒng)是一個本質(zhì)安全系統(tǒng),任何工況下都應(yīng)確?;鹁鏆獍踩欧拧? b為防止分級控制閥旁路誤爆,分級系統(tǒng)控制閥旁路的爆破壓力應(yīng)有合理的余量,爆破片與爆破針閥不同,對于爆破片來說,正常操作壓力應(yīng)避免接近爆破壓力,通常取75%; c地面火炬的合理分級是地面火炬設(shè)計的關(guān)鍵。對單個燃燒器而言,在火炬氣組成相對確定,且無助燃氣體的情況下,依靠燃燒器自身的結(jié)構(gòu)引射空氣,能夠在一定壓力范圍內(nèi)實現(xiàn)無煙燃燒,該壓力范圍即為壓力助燃性燃燒器的最佳壓力操作范圍。在火炬系統(tǒng)分級時,各級操作壓力范圍取得太窄,可能使各級之間發(fā)生跳躍;如壓力范圍取的太寬,火炬氣燃燒時可能冒黑煙。 d對于地面火炬而言,各分級管道前的壓力越高,越利于燃燒,蒸汽助燃型燃燒器的設(shè)置數(shù)量越少,蒸汽的消耗越少,運行費用費用越省,但排放總管管徑相對較大,管道、管件及相應(yīng)管架投資加大;分級數(shù)量越多,各分級管道的管徑越小,相應(yīng)分級控制閥及旁路爆破針閥或爆破片口徑越小,但管道器材的使用數(shù)量會相應(yīng)增加。因此,在確定各分級管道前排放總管的最大允許排放背壓值及分級數(shù)量時,應(yīng)進行經(jīng)濟比較。 9.1.4為防止各分級管道上的控制閥失靈后無法開啟后,導致系統(tǒng)超壓,各分級系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置爆破旁路,且爆破壓力不得高于各分級管道前的最大允許背壓。爆破片需要的防止誤爆壓力余量遠高于爆破針閥。因此,當各分級管道前的最大允許背壓值較低時,為保證各分級管路能夠在壓力相對較大的范圍內(nèi)工作,分級控制閥旁路上宜選用爆破針閥。 9.1.5為防止各分級管道上的流動背壓較大,各分級管道的截面積之和不得小于排放總管的截面積。因分級控制閥及爆破針閥或爆破片的價格較高,為降低投資,本規(guī)范允許其直徑在保證安全的前提下可比相應(yīng)分級管道的公稱直徑小一級。 9.1.6 為縮短閥門開啟時間,減少投資,且防止因密封材料破壞導致閥門內(nèi)漏,各分級管道上控制閥宜選用金屬硬密封蝶閥。為防止閥門動作時間過長,使系統(tǒng)憋壓,導致爆破旁路爆破,本規(guī)范對閥門的開啟時間做出了規(guī)定;因閥門的關(guān)閉時間對系統(tǒng)的安全沒有影響,因此,本規(guī)范對閥門的關(guān)閉時間沒有做出嚴格規(guī)定。 9.1.7各分級管道上的控制閥和旁路上爆破針閥的泄露等級不應(yīng)低于ANSI V級。 由于地面火炬燃燒器安裝在地面上,各分級管道上的控制閥和旁路上爆破針閥一旦發(fā)生泄露,火炬氣將聚集在地面火炬設(shè)施周圍,可能引發(fā)安全事故,因此控制閥和爆破針閥的密封性能一定要好。 9.1.8 為防止因某級控制閥無法打開,使系統(tǒng)憋壓,導致各級爆破旁路爆破,造成不必要的損失,本規(guī)范規(guī)定控制系統(tǒng)除應(yīng)具有逐級開啟的功能外,尚應(yīng)具有跨級開啟的功能。 9.1.9蒸汽助燃型燃燒器通常在較低操作壓力下工作,不易形成交叉點火,且容易熄火,因此每個燃燒器均需配置一支長明燈;其它各級工作壓力一般較高,容易形成交叉點火,且不易熄火,但為確保點火安全,火炬氣直接排放至大氣,可能引起安全事故,各級長明燈的設(shè)置數(shù)量應(yīng)不少于2支。 9.1.11為避免分級系統(tǒng)管道控制閥后形成爆炸混合氣體,可能引起安全事故,各分級控制閥后應(yīng)設(shè)氮氣吹掃系統(tǒng)。對常燃分級系統(tǒng)而言,分級控制閥一般為常開狀態(tài),為防止火炬排放系統(tǒng)出現(xiàn)負壓發(fā)生回火,該系統(tǒng)須設(shè)氮氣連續(xù)吹掃系統(tǒng)。 9.1.12為節(jié)約蒸汽用量,確?;鹁嫦到y(tǒng)無煙燃燒,蒸汽助燃型燃燒器的蒸汽供給流量宜根據(jù)火炬氣的排放量及分子量進行調(diào)節(jié)。 9.2 封閉式地面火炬 9.2.1封閉式地面火炬的處理量不宜大于100t/h。 封閉式地面火炬的處理量約為100t/h時,煙氣排放筒的直徑一般在17m左右,如處理量增加,煙氣排放筒的直徑也會相應(yīng)增加。當煙氣排放筒的直徑增大較大時,會影響地面火炬的吸風量,從而影響火炬氣的燃燒。 9.2.2排氣筒高度會對煙氣擴散、燃燒效果及對周邊的各設(shè)施及人員產(chǎn)生的熱輻射有關(guān)。排氣筒越高,煙氣擴散越好,燃燒效果越好,對周邊的各設(shè)施及人員產(chǎn)生的熱輻射影響越小,但投資相對越高。 9.2.4排氣筒內(nèi)的熱流密度會影響火炬氣的燃燒效果,火炬氣達到無煙燃燒的熱流密度為275~335kW/Nm3,因此本規(guī)范對排氣筒內(nèi)的熱流密度的上限做出了規(guī)定。 9.3 開放式地面火炬 9.3.1為避免熱輻射對地面物體的影響,火焰應(yīng)封閉在金屬圍欄內(nèi),也就是說,金屬圍欄應(yīng)高于火焰頂部,為安全起見,本規(guī)范規(guī)定了金屬圍欄高度應(yīng)高于各燃燒器火焰長度2m。 9.3.3因開放式地面火炬是根據(jù)各分級控制閥前的壓力信號逐級控制開啟各級控制閥的,火炬氣的排放量通常較小,因此低壓力級燃燒器較高壓力級燃燒器的使用頻次高。為盡量減小火焰對金屬圍欄的影響,本規(guī)范做出了該規(guī)定。 9.3.4 為降低投資,金屬圍欄內(nèi)分級管道的材質(zhì)一般為碳鋼,碳鋼管道的使用溫度應(yīng)低于425℃。如各分級管道裸露在金屬圍欄內(nèi),將受到熱輻射的影響導致溫度升高,為此各分級管道應(yīng)采取防熱輻射措施(如管道上部鋪設(shè)一定厚度的碎石)。 9.3.5因布置分級控制控制閥一側(cè)的金屬圍欄附近設(shè)有操作平臺和走道,為方便觀火和檢修,觀火窗及檢修門應(yīng)設(shè)在靠近分級控制閥一側(cè)的金屬圍欄上。 9.3.6 在布置燃燒器時,燃燒器的安裝距離不能太近,也不能太遠。太近,會導致冒黑煙;太遠,會影響接力點火。 10 火炬氣回收 10.3 設(shè)置氣柜的目的在于平衡全廠可燃性氣體排放量的無規(guī)則波動,為回收氣體壓縮機平穩(wěn)運行和操作提供足夠的緩沖時間,以實現(xiàn)排放氣體的全部回收。經(jīng)過大量的調(diào)查研究,盡管在設(shè)計上達到了正常操作時零排放的指標,但實際生產(chǎn)過程中各種因素導致的可燃性氣體的排放是不可避免的。從統(tǒng)計數(shù)表明,一個新建的千萬噸級煉油廠或百萬噸級乙烯廠排放到火炬的可燃性氣通常不超過5000Nm3/h,對于建設(shè)年限較長或生產(chǎn)管理不善的石化企業(yè)其排放量接近10000Nm3/h。從調(diào)查的數(shù)據(jù)看,3~4個小時的氣柜緩沖時間是比較合適的。 10.4 為保證裝置事故排放時不對氣柜造成損壞,在回收支線閥前的火炬氣排放總管上設(shè)流量、溫度和壓力檢測儀表,以減小信號連鎖的閥門反應(yīng)不及時造成氣柜破壞事故。設(shè)計上應(yīng)根據(jù)油氣回收支線的長短適當確定各檢測儀表的安裝位置。- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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