1.焚烧炉运行情况
地面焚烧炉是天然气处理装置事故情况下天然气放空燃烧的安全保障设施。天然气放空燃烧流程如图1,天然气处理装置泄放的天然气经厂区放空管网进入分液罐进行气液分离,经分离的天然气经焚烧炉水封罐进入焚烧炉一、二、三、四级放空管道,最终至燃烧塔内的燃烧器进行燃烧。
自焚烧炉投用以来,出现几项重大问题:(1)焚烧炉二、三、四级放空管多次回火,回火位置在爆破片后至燃烧塔前,如图2,放空管表面油漆被烧焦;(2)焚烧炉二、三、四级爆破片多次爆破,如图3;(3)焚烧炉放空燃烧形成爆燃及火球;(4)焚烧炉区域形成共振。
如图4所示,焚烧炉防回火的重要措施为设立水封罐和氮气吹扫。如果四级爆破片爆破,四级放空管的氮气经放空汇管与一级放空管互通,四级放空管氮气向燃烧器方向所形成的正压环境被破坏,为四级放空管回火创造条件。因此,焚烧炉爆破片爆破是造成回火的原因之一,研究回火问题首先需要解决爆破片爆破问题。
2.爆破片频繁爆破问题的研究与改造
(1)爆破片爆破造成的影响
①放空管道回火。
②天然气爆燃及火球。大量放空时,放空管网的天然气经过爆破片快速泄漏进入焚烧炉,放空管网上压力检测失真且偏小,自动程序不执行3、4、5号点火器点火指令,大量天燃气经爆破片进入燃烧塔没有及时被点燃,与空气大量混合后被1号长明灯点燃导致爆燃及火球。
③共振问题。大量天然气经爆破片泄漏至燃烧塔及爆燃导致共振。
(2)爆破片爆破的原因分析及解决方案
经过对三台自动放空蝶阀的开关动作测试,自动放空阀开关速度符合设计要求,无明显卡滞问题。爆破片频繁爆破主要原因是自动放空压力设定值设置偏高,导致自动放空阀开启滞后,放空管网超压至爆破片爆破整定值,导致爆破。
同步降低自动放空程序压力设定值,当生产出现放空时,焚烧炉更快地启动自动放空程序,确保安全放空。但考虑到自动放空阀动作后,放空管内压力可能很快降低,又达到自动关闭放空阀,从而导致自动放空阀频繁动作,不利于焚烧炉的安全可靠运行,因此压力设定值的降低应小幅骤步下降并长期测试验证。测试标准为解决天然气压缩机紧急停机导致焚烧炉爆破片爆破问题。自动放空程序最终优化见表1。
经过自动放空程序优化,后期运行中未再发生爆破片异常爆破(ESD一级放空仍会导致爆破片爆破,但此情况是极难发生的,不在自动放空程序优化考虑范围内)。但后期运行中仍有放空管回火问题存在,回火未再呈现管道表面油漆烧黑的现象,回火的表现仅为放空管局部温度高,管道表面温度约70℃。
3.放空管道回火问题的原因分析与改造措施
(1)回火原因分析
①爆破片爆破,导致氮封防回火功能失效。
已排除。
②自动放空阀密封性能差,导致氮封防回火功能失效。
如图5所示,定点巡检发现三级放空管局部温度异常高,可判断管道内存在回火,经过关闭三级放空管手阀VFK02后,三级放空管温度骤步降低,回火消失。如图6所示,对三级自动放空阀PV-10602进行泄漏测试,可判断PV10602存在泄漏,自动放空蝶阀泄漏导致氮封防回火功能失效。
③原设计的吹扫氮气流量不够,导致氮封防回火功能失效。
防止回火的关键在于阻止空气进入燃烧器和放空管,小流量氮气经燃烧器排出存在不均匀问题,无法形成有效的正压防火环境。因此最为基本且有效的防回火措施就是增大吹扫氮气流量,使得每个燃烧器内部相对外部形成正压保护,阻止空气进入燃烧器内部。
④放空管内部积液为管道内部燃烧的燃料源之一。
管道内部燃烧的燃料可能来自放空阀内漏的天然气,也可能来自放空管管道内的积液。在拆除爆破片作业中,从放空管排出约一升积液,积液主要为水封罐的乙二醇与水混合物,乙二醇经放空天然气夹带至放空管,部分积存于放空管底部。另一方面,爆破的爆破片下游侧和自动放空阀阀体下游侧均有大量黑色粘稠物,可证实为管内积液燃烧的残留。
(2)防回火改造措施
①更换爆破的爆破片,优化自动放空程序,防止爆破片轻易爆破。
②更换二、三、四级自动放空阀阀座密封件,提高自动放空阀的密封性能。
③更换氮气限流孔板,增大吹扫氮气流量。
氮气经减压阀后通过限流孔板进行吹扫,提高吹扫氮气系统压力至0.2MPa,回火问题仍然存在,因此,必须更换限流孔板提高氮气流量。考虑到第一级放空管口径小,且仅对应一台燃烧器,投产以来未出现过回火问题,可维持其现有状态,只需扩大二、三、四级放空管氮封限流孔板的孔径。
经初步计算,当前和建议更换的各级吹扫氮气限流孔板的限流参数与孔板前氮气压力的对应关系如下表所示。
更换后孔板前氮气压力0.1MPaG时吹扫氮气流量是按照每台燃烧器入口下方0.8m处氧气含量不大于5%所需有的氮气平均流量计算结果的3倍。二、三、四级放空管氮封限流孔板的孔径前后对比见图7。
④定期对一、二、三、四级放空管进行排液,防止放空管内积液。
⑤增加回火在线检测,精准消除回火。
根据二、三、四级放空管道的长度,设计两处温度检测可以实时监控是管道内否存在回火,把信号传递中控的同时,联锁打开氮气快速吹扫电磁阀旁路,电磁阀旁路打开后,大量的氮气不经限流孔板,以最大的流量进行管道吹扫,可快速有效消除管道回火,待管道温度降低后自动关闭氮气吹扫电磁阀旁路。另外,在焚烧炉自动放空控制中,天然气放空压力减小使得自动放空阀关闭时,形成阀后负压,燃烧器的天然气排放速度小于火焰传播速度,火焰逆向进入燃烧器造成管道内回火燃烧,所以,应在自动放空阀关闭后打开相应的氮气快速吹扫旁路,吹1-2分钟后自动关闭,有效消除自动放空阀关闭时的回火隐患。
防回火第5项措施涉及工程量大,费用高,暂时未实施。但通过前四项措施的有效落实,经过两年的运行检查,焚烧炉二、三、四级放空管道未再发生回火问题。
4.结论
(1)焚烧炉放空管道回火的根本原因是密封氮气正压保护防回火功能失效,所以解决回火问题主要从两个方面入手:一是消除破坏氮封正压环境的因素;二是增大氮气吹扫流量。
(2)增加放空管道温度在线检测是否存在回火及自动控制氮气快速吹扫旁路的措施,可以精准检测并消除管道回火问题,在地面焚烧炉和火炬设计中应考虑此项措施。
摘要：地面焚烧炉是天然气处理装置事故情况下天然气放空燃烧的安全保障设施。自焚烧炉投用以来,发生多次放空管道回火、多次爆破片爆破问题,对天然气处理装置的安全运行带来安全隐患。分析造成的回火原因,提出并落实自动放空程序优化、增大密封氮气吹扫流量、回火在线检测及精准消除回火等措施,成功消除了放空管道回火、爆破片爆破问题。
关键词：焚烧炉,回火,爆破片,密封氮气,天然气
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