油氣田火炬系統(tǒng)點火裝置安全設置.docx

油氣田火炬系統(tǒng)點火裝置安全設置孫海譚紅旗夏勇（中國石油工程建設公司設計技術部 中國石油西南油氣田公司川西北氣礦）摘 要 火炬系統(tǒng)是保障油氣田處理設施安全的最后一道屏障，而在全場停車且泄放時火炬點火裝置是保證火炬系統(tǒng)能否正常點火成功運行的關鍵，本文詳細介紹了油氣田地面火炬系統(tǒng)點 火裝置的類型和原理以及點火裝置運行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的組成和原理。關鍵詞 火炬系統(tǒng) 停車泄放 火炬點火裝置 打火方式 監(jiān)視系統(tǒng)：油氣田處理裝置由于各種原因均存在不同程度的氣體排放，稱之為火炬氣。 通常，火炬氣的主要來 源是系統(tǒng)壓 力 調(diào) 整 中 由 壓 力 控制閥排放的工藝氣 體；裝置系統(tǒng)泄 漏，如 與 火 炬 系 統(tǒng) 相 連 的 閥 門 和 安 全閥的泄漏等；生產(chǎn) 過程 中 必須排放的易燃、易 爆 物料；塔、球罐、容器等釋放的氣體以及站場停車泄 放時釋放出來的大量氣體。 這些火炬氣往往都是通 過火炬系統(tǒng)燃燒后排向大氣的，如果火炬點火裝置 失效的話，就會導致這些未經(jīng)燃燒的可燃氣或有毒 有害氣體直接排向大氣，從而產(chǎn)生蒸氣云爆炸的危 險以及威脅員工身體健康或生命安全和造成處理裝 置的損壞等一系列嚴重后果。 因此，火炬系統(tǒng)是否 能夠安全有效地運行取決于火炬點火裝置能否正常 運行，而判斷點火裝置是否正常運行，就必須有一套 能夠快速準確的點火裝置運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來保證 操作人員能快速地判斷點火裝置的運行狀態(tài)并作出 相應操作。本文結合實際工作中火炬系統(tǒng)點火裝置的設計 以及其他相關標準規(guī)范和書籍，詳細地介紹了火炬 系統(tǒng)點火裝置的具體結構以及點火方式的類型和原理、點火裝置運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的分類和原理。態(tài)，因此點火裝置實際上是一個燃燒器。 而作為一個燃燒器，點火裝置必須能夠：（）計量燃料氣和空 氣耗量；（）混合燃料氣和空氣；（）保持火焰的穩(wěn) 定。典型的火炬點火 裝置是由燃料氣計量用節(jié)流 孔、燃料氣和空氣混合器（一般采用文丘里管）、點火 頭以及連接混合器和點火頭的直管段組成，如圖 所示。 工作時，外部供應的燃料氣經(jīng)過濾器 過 濾 后，再經(jīng)節(jié)流孔進行節(jié)流；節(jié)流作用產(chǎn)生的負壓將外 部大氣中的空氣帶進混合器，燃料氣和空氣在混合 器內(nèi)進行混合；混合后的燃料氣和空氣經(jīng)過直管段 后到達點火頭，在點火頭處用一定的點火方式將混合氣點燃；此時如果主火炬內(nèi)有可燃氣體泄放出來， 火炬點火裝置介紹火炬點火裝置是用來引燃主火炬的一個燃燒裝 置，分布在主火炬頂部四周。 為了隨時應對主火炬 排放出的可燃氣體，點火裝置必須時刻處于燃燒狀油氣田火炬系統(tǒng)點火裝置安全設置點火頭處噴 出 的 火 焰 即 可 將 主火炬氣點燃進行燃 燒。圖 所示的點火裝置是靠燃料氣計量節(jié)流孔的 節(jié)流產(chǎn)生的負壓作用將外部大氣中的空氣吸入并混 合后點燃的，但有時也采用空氣與燃料氣單獨計量。 采用單獨節(jié)流孔分開計量后的空氣、燃料氣再通過 混合器進行混合再點燃，這樣做的目的是便于控制 燃料氣和空氣的混合比例，保證點火裝置的穩(wěn)定性。 例如：甲烷氣體能穩(wěn)定正常燃燒的可燃性極限是（空氣體積甲烷體積），如果實際運行中空氣體積甲烷體積低于 或 大 于 ，點火裝置都是很 難點火成功的。 因此，采用單獨計量燃料氣和空氣， 計量后的固定體積比混合氣更容易點燃。 但這種設 置依賴性更強，必須保證有持續(xù)的空氣供應和燃料 氣供應，空氣供應中斷或燃料氣供應中斷都會導致 火炬點火裝置失效。 因此，目前一般采用圖 所示 的靠燃料氣計量節(jié)流孔的節(jié)流產(chǎn)生的負壓作用將外 部大氣中的空氣吸入并混合后點燃的火炬點火裝置較多一些。筒體直徑越大，所需要的點火裝置數(shù)量就越多，火炬所需最少點火裝置的數(shù)量與火炬筒體直徑的關系如 表 所示。表推薦的最少點火裝置數(shù)量與火炬筒體直徑之間的關系點火裝置數(shù)量（至少），個火炬筒體直徑火炬筒體直徑， ：對于有毒的火炬氣，點火裝置數(shù)量應為。：買賣雙方協(xié)商確定。盡管對于小尺寸火炬（如 ）而言，推薦的點火裝置數(shù)量是 個，但若這一個點火裝置失效 了，則整個火 炬 就 失 效 了，因 此 對 這 種 小 尺 寸 的 火 炬，仍然推薦采用至少 個點火裝置，以保證其安全 穩(wěn)定的工作。 火炬點火裝置材質(zhì)選擇由于點火裝置中的點火頭長時間與自身火焰和 主火炬火焰接觸，因此點火頭的材質(zhì)必須選擇耐熱 材質(zhì)，如 可 選 、 或 鎳 基 合 金 如，但如果點火用燃料氣或主火炬氣中含有硫化 氫，就不可以采用鎳基合金材料作為點火頭的材料。連接點火頭和混合器的直管段有時會接觸到火 焰，因此這段直管段的材質(zhì)可選 或。點火裝置中的混合器、計量節(jié)流孔和過濾器一般都可以采用鑄鐵、球墨鑄鐵或碳鋼材質(zhì)，但有時混 合器的材質(zhì)會選擇不銹鋼以 防 止 混 合 器 內(nèi) 發(fā) 生 銹 蝕，混合器內(nèi)部銹蝕有可能會堵塞混合器內(nèi)部通道， 從而嚴重影響空氣與燃料氣的混合比例，造成點火裝置火焰不穩(wěn)定。 火炬點火裝置熱釋放量的要求為保證點火裝置穩(wěn)定運行且能夠順利地將主火 炬內(nèi)釋放出來的火炬氣點燃，點火裝置必須具備足 夠的熱釋 放 量。 點火 裝置 最 低熱釋放量推薦值是 （），這個熱釋放量值 可 以 順 利地將低熱值 的烴類火炬氣點燃， 一般點火裝 置 的 熱 釋 放 量 值 范 圍 是 （） （）。 同 時， 在天氣干燥且 風 力 達 到 的 情 況 下，點 火 裝置釋放出來的熱量能夠持續(xù)點燃火炬氣；而在降 雨量 達 到 的 雨 天 環(huán) 境 且 風 力 達 到 的情況下，點 火 裝 置釋放 出來的熱量也必須 能夠持續(xù)點燃火炬氣。當主火炬內(nèi)釋放出來的介質(zhì)不是烴類火炬氣或 火炬氣是烴類和惰性氣體的混合氣的情況下，這類 火炬氣的熱值往往低于 ，此時可能需 要增加點火裝置的數(shù)量以加大點火裝置熱釋放量或采用熱釋放量更大的點火裝置。 火炬點火裝置其他要求除以上 點 要 求 外，點 火裝置還需注意以下 點：（ ）點火裝 置 所 需 燃 料 氣 要 求：火 炬 點 火 裝 置必須能適用 于 多 種 燃 料 氣，如 可 以 采 用 天 然 氣、甲烷、乙烷、丙烷以及場站內(nèi)的燃料氣，但應該盡量避免使用氫氣、乙烯或乙炔作為燃料氣，因為這幾類氣體的燃燒速度太高，點火裝置點火后，火焰可能會延 火炬點火裝置數(shù)量火炬點火裝置的數(shù)量與主火炬筒體直徑有關，石 油 與 天 然 氣 化 工 第 卷 第 期伸到混合器部分。（）點火裝 置 的 長 度 要 求：點 火 裝 置 的 長 度 必 須足夠長以避免點火頭處的火焰反竄到混合器部分 去。 因此，規(guī)定從混合器到點火頭之間的直管段長 度至少應滿足 或 主 火 炬 通 體 直 徑，取 二者之間的最大值。（）燃料氣 過 濾 器 的 要 求：為 避 免 燃 料 氣 節(jié) 流 孔堵塞，在節(jié)流孔前推薦安裝過濾器以除去燃料氣 內(nèi)的雜質(zhì)，且規(guī)定過濾器濾網(wǎng)孔徑不大于 節(jié)流 孔直徑。打火管道頂部時，就與火炬點火裝置 內(nèi)流出來的可燃氣流相遇，從而使火炬點火裝置打火成功，火炬 點火裝置 就開始持續(xù)不斷地燃燒?；鹧驿h打火方式在打火之前必須保證其管道內(nèi)充滿可燃的空氣和燃料氣混合物，否則如果火焰鋒 管道內(nèi)可燃混合氣充滿的不夠充分的話，可能會導 致火球在運動過程中熄滅。 為保證火焰鋒管線內(nèi)不 存留積液，空氣 一般都采用站場內(nèi)經(jīng)過干燥處理 后的儀表風氣，而燃料氣 一般都采用較干燥的燃 料氣或采用瓶裝液化氣來代替。 火焰鋒打火方式中用到的主要設備都放在地面上，方便安裝和檢修。 火炬點火裝置的打火方式選擇火炬點火裝置正常工作情況下是連續(xù)燃燒的， 不需要專門打火，但如果火炬點火裝置熄滅了或第 一次投運點火裝置時，就必須要給點火裝置再次打 火，以保證點火裝置點火頭處始終有火焰。 目前，打 火方式主 要 分 種，一 種 是 最 常 規(guī) 的 火 焰 鋒 打 火（，），另 一 種 是 電 打 火（，）。 火焰鋒打火方式火焰鋒打火方式是最常規(guī)、最普遍使用的打火 方式，其打火方式示意圖如圖 所示。 電打火方式電打火方式是采用高能或高電壓火花塞將火炬 點火裝置內(nèi)的空氣 燃料氣混合氣點燃的一種打火 方式，其打火方式示意圖如圖 所示。電打火方式的工作原理是：燃料氣經(jīng)過火炬點火裝置后，負壓作用吸入空氣，然后空氣 燃料氣混 合氣到達點火頭，此時操作人員在地面上按下“打火 變壓器 手動按鈕”上面的打火按鈕，火花塞就會產(chǎn) 生大量火花，將點火頭處的可燃混合氣點燃，此時就打火成功，火炬點火裝置即開始持續(xù)不斷地燃燒。電打火方式的優(yōu)點是方便快捷、打火成功時間 很短、所需配備的設備少，缺點是一旦打火火花塞壞 了，需要爬上火炬頭檢查并維修，檢修難度大?；鹧驿h打火 方 式 的 工 作 原 理 是：儀 表 風 空 氣 和燃料氣 在混合腔室 內(nèi)先混合，再流經(jīng)空氣 燃料氣混合器 充分混合；充分混合后的可燃氣體 在流經(jīng)打火火花塞 處時被火花塞點燃，點燃后的 火焰形成一個火球 在管道內(nèi)快速運動，當運動到 打火方式比較火焰鋒打火和電 打火這兩種打火方式各有利 油氣田火炬系統(tǒng)點火裝置安全設置弊，對二者的比較如表 所示。表火焰鋒打火和電打火方式的比較打火方式火焰鋒打火電打火壓縮空氣打火管線 最遠距離地面上附屬設施 控制反應時間需要管線基本都在地面上 自動或手動 不需要不需要 （打火電纜長度） 只有打火變壓器在地面上 自動或手動火焰鋒打火操作都在地面上完成，便于檢查和檢修維護，但火焰鋒打火所需時間較長，一旦火炬需 要緊急打火的情況，火焰鋒打火可能來不及，而且火 焰鋒打火操作相對比較復雜，需要經(jīng)過專門培訓；電 打火的主要特點就是打火方便快捷，打火成功所需 時間很短，操 作 十 分 簡 單，不 需 要 很 多 培 訓 即 可 完 成，缺點就是打火火花塞在火炬頭附近，一旦火花塞 出現(xiàn)故障，那么檢修起來很困難。 所以很多火炬系 統(tǒng)的設計都是采用火焰鋒打火和電打火兩套系統(tǒng)， 火焰鋒打火作為備用打火方式。 光學監(jiān)測法光學監(jiān)測法是靠點火裝置發(fā)出的火焰亮光來監(jiān) 測其是否正常工作。 光學檢測法與攝像頭工作原理 很相似，是利用一套光學鏡片對準點火頭，光學鏡片 內(nèi)置的感應元件會接收點火頭火焰發(fā)出來的紅外線 或紫外線，就說明點火裝置工作正常；若感應元件感 受不到光線，則該系統(tǒng)會發(fā)出一個報警信號到中控 室，提醒操作人員火炬點火裝置火焰熄滅。 采用光 學監(jiān)測法的優(yōu)點是它可以放置在地面上，便于維修 和保養(yǎng)，同時監(jiān)測反應時間很快。 但光學監(jiān)測法也 有很多缺點，主要體現(xiàn)在雨雪大霧天氣對測量結果 影響很大。 火炬點火裝置監(jiān)測系統(tǒng)火炬系統(tǒng)能否正常運行取決于點火裝置是否正 常穩(wěn)定地運行，而如何判斷點火裝置是否在正常運 行就變得很重要了。 目前，主要有 種點火裝置監(jiān) 視系統(tǒng)可以幫助操作人員準確地判斷點火裝置是否 在正常運行，分 別 是 熱 電 偶 溫 度 監(jiān) 測 法、光 學 監(jiān) 測法、聲學監(jiān)測法和火焰離子化監(jiān)測法。 聲學監(jiān)測法聲學監(jiān)測法是檢測點火頭火焰燃燒時發(fā)出的噪音來確定火炬點火系統(tǒng)是否運行正常的，如圖所示。 圖 中的黑色箭頭就表示點火頭燃燒時發(fā)出的噪音向下傳向噪音檢測元件。 當火炬點火裝置正常 運行時，點火頭有火焰燃燒，燃燒著的火焰會發(fā)出一 定噪音。 通過安裝在火炬底部特定的噪音檢測元件 監(jiān)測這部分噪音。 如果有噪音，則表明火炬點火裝 置是穩(wěn)定運行的，控制面板上“”燈會亮；沒有噪 音，則表明火炬點火裝置失效，控制面板上的“” 燈就會亮。聲學監(jiān)測法的主要優(yōu)點就是每個火炬點火裝置 都配備單獨 的 聲 學 檢 測 元 件，因 此 反 應 更 快、更 準 確，且聲學監(jiān)測法維護量?。凰娜秉c主要是檢測距 離不能超過 ，因此不適應于那 些 高 度 很 高 的火炬。 熱電偶溫度監(jiān)測法熱電偶溫度監(jiān)測法的基本原理就是測量點火頭 的溫度，在點火頭上安裝一個熱電偶，該熱電偶會感 受點火頭處的溫度，當火炬點火裝置正常運行時，在 點火頭處有高溫火焰，此時熱電偶就會感受到這個 溫度，且當熱電偶測出來的溫度高于某個設定值時， 就表明火炬點火裝置正常運行，否則就表明火炬點 火裝置失效。如圖 所示， 是熱電偶，它采集到的溫度信 號傳到中控室， 報警就表明點火裝置工作不正常， 報警就 表 明 點 火 裝 置 運 行 正 常。 工 業(yè) 上 廣 泛 應 用的 熱 電 偶 是 型 熱 電 偶，該 熱 電 偶 外 面 有 保 護 層，保護層的材質(zhì)可采用 或鉻鎳鐵合金。石 油 與 天 然 氣 化 工 第 卷 第 期表四種火炬點火裝置監(jiān)測方法比較熱電偶溫度監(jiān)測法火焰離子化監(jiān)測法光學 聲學監(jiān)測法 監(jiān)測法監(jiān)測方法檢測對象是否可以區(qū)分各個點火裝置 狀態(tài)？溫度熱量電流信號光聲音可以可以不可以可以是否可以區(qū)分點火裝置火焰和主火炬火焰？平均反應時間，測量元件安裝位置是否可以在火炬正在運行的 情況下安裝？是否可以在火炬正在運行的 情況下檢修？抗雨干擾 抗霧干擾 抗雪干擾抗蒸汽干擾 抗陽光干擾一般可以可以不可以可以點火頭上點火頭和地面地面地面不可以不可以可以可以 火焰離子化監(jiān)測法火焰離子化監(jiān)測法是采用一種獨特的火焰燃燒 離子化的現(xiàn)象來檢測火炬點火裝置運行狀態(tài)的。 當 火炬點火裝置的點火頭有火焰在燃燒時，就會在燃 燒火焰底部區(qū)域產(chǎn)生一塊離子化氣體，這塊離子化 的氣體是導電的，且?guī)в幸欢康碾娏鳎藭r就可以 在點火頭附近安裝一個帶導電芯的磁棒，如圖 所 示。 如果火炬點火裝置正常運行的話，就會 有 連 續(xù)電流流經(jīng)磁棒并最終流進接地點，該監(jiān)測系統(tǒng)只 要檢測磁棒和接地點之間是否有電流通過就可以判 斷火炬點火裝置是否運行正常。 如圖（）所示，如 果沒有檢測到電流，則表明火炬點火裝置失效；如果 檢測到電流通過，如 圖 （）所 示，就 表 明 該 火 炬 點火裝置是出于燃燒狀態(tài)。不可以部分可以可以可以不可以可以 可以不可以 可以可以可以 可以 可以 可以不可以不可以 不可以 可以不可以可以可以 可以 可以 可以 工程實例某天然氣壓氣站 火炬系統(tǒng)最大設計放空量是 ，站場 內(nèi) 能 夠 提 供 的 燃 料 氣 是 經(jīng) 脫 水 裝置處理后的干燥天然氣，試選擇火炬系統(tǒng)點火裝 置。按照火炬放空量并結合其他熱輻射等要求計算 得出該火炬筒體直徑是 ，火炬筒體總高是 ，按照表 推 薦，該火炬系統(tǒng)可選擇 套 點 火 系 統(tǒng)，且這兩套點火系統(tǒng)在火炬筒體頂部對稱布置，如 圖 所示。 按照表 的比較，可以看出電打火的點 火方式最快速，且該火炬高度不是很高易于檢修，因 此打火方式選擇電打火方式。 由于火炬高度不高， 因 此火炬點火裝置監(jiān)測系統(tǒng)選熱電偶溫度監(jiān)測法 ，火焰離子化監(jiān)測法的主要優(yōu)點是檢測結果穩(wěn)定可靠，且基本 不 需 要 任 何 維 護 操 作，缺 點 是 造 價 較 高。 火炬點火裝置監(jiān)測系統(tǒng)比較熱電偶溫度監(jiān)測法、光學監(jiān)測法、聲學監(jiān)測法和 火焰離子化監(jiān)測法這四種火炬點火裝置監(jiān)測方法的比較，如表 所示。油氣田火炬系統(tǒng)點火裝置安全設置每個點火裝置上都安裝有一個熱電偶來監(jiān)測點火頭的溫度。 點火裝置材質(zhì)選 不銹鋼。 結 語在油氣處理站場保證火炬系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行 是至關重要的，而為保證火炬系統(tǒng)的穩(wěn)定運行必須 保證火炬點火系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運行。 本文總結了火 炬點火系統(tǒng)的構成以及火炬點火系統(tǒng)的打火方式與 火炬點火系統(tǒng)的監(jiān)測方法和原理，對于火炬系統(tǒng)的 操作和設計都具有一定的指導意義。，：， ，（）： ， 火炬系統(tǒng)設置：楊振武，趙偉，趙崇鎮(zhèn)輕烴站放空火炬自動點 火 裝 置石 油機械，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶作 者 簡 介孫海：工 程 師， 年 生， 年 月畢業(yè)于石油大學 （華東），獲得油氣儲運專業(yè)碩士學位，現(xiàn)在中國石油工程 建 設 公 司（）巴基斯坦分公司設計部工作，目前主要從事壓氣站項目 的 工藝設計工作。 郵箱：。 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 收稿日期：；收修改稿：；編輯：鐘國利參 考 文 獻， ， ，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶（上接第 頁）的選購應對機組的氣流脈動與振動提出控制要求，以降低大型多臺機組的管系振動。（）壓縮機 管 道 安 裝 設 計 應 符 合 下 列 要 求：壓 縮機進口應設壓力高、低限報警及低壓越限停機裝 置；壓縮機各級出口管道應安裝全啟封閉式安全閥； 壓縮機進出口之間應設循環(huán)回路；應采取防振、防脈 動及溫差補償措施。（）壓 縮 機 出 入口設置 緩 沖罐以降低氣體脈 動、平緩氣流、降低設備振動、分離油水。 機組入口 氣體設壓力控制系統(tǒng)，最大限度地減輕入口氣體壓 力大幅變化對運轉中機組平穩(wěn)操作的影響；壓縮機 緊急放空閥處設多級節(jié)流孔板，減輕管線的振動，提 高系統(tǒng)的安全性。（）壓縮機 間 的 氣 管 線 應 地 上 鋪 設，并 設 有 進 行定期檢測厚度的檢測點，吸入管道應有防止產(chǎn)生 負壓的措施。 多級壓縮的可燃氣體壓縮機各段間， 應設冷卻和汽液分離設備，防止