油氣田地面火炬系統(tǒng)點(diǎn)火裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)

由于各種原因，油田處理裝置中的氣體排放不同程度，稱為火炬氣。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(shí)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(diǎn)火裝置失效的話,就會導(dǎo)致這些未經(jīng)燃燒的可燃?xì)饣蛴卸居泻怏w直接排向大氣,從而產(chǎn)生蒸氣云爆炸的危險(xiǎn)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(yán)重后果。因此,火炬系統(tǒng)是否能夠安全有效地運(yùn)行取決于火炬點(diǎn)火裝置能否正常運(yùn)行,而判斷點(diǎn)火裝置是否正常運(yùn)行,就必須有一套能夠快速準(zhǔn)確的點(diǎn)火裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來保證操作人員能快速地判斷點(diǎn)火裝置的運(yùn)行狀態(tài)并作出相應(yīng)操作。本文結(jié)合實(shí)際工作中火炬系統(tǒng)點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和書籍,詳細(xì)地介紹了火炬系統(tǒng)點(diǎn)火裝置的具體結(jié)構(gòu)以及點(diǎn)火方式的類型和原理、點(diǎn)火裝置運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的分類和原理。1燃料和空氣單獨(dú)計(jì)量的火炬點(diǎn)火裝置火炬點(diǎn)火裝置是用來引燃主火炬的一個(gè)燃燒裝置,分布在主火炬頂部四周。為了隨時(shí)應(yīng)對主火炬排放出的可燃?xì)怏w,點(diǎn)火裝置必須時(shí)刻處于燃燒狀態(tài),因此點(diǎn)火裝置實(shí)際上是一個(gè)燃燒器。而作為一個(gè)燃燒器,點(diǎn)火裝置必須能夠:(1)計(jì)量燃料氣和空氣耗量;(2)混合燃料氣和空氣;(3)保持火焰的穩(wěn)定。典型的火炬點(diǎn)火裝置是由燃料氣計(jì)量用節(jié)流孔、燃料氣和空氣混合器(一般采用文丘里管)、點(diǎn)火頭以及連接混合器和點(diǎn)火頭的直管段組成,如圖1所示圖1所示的點(diǎn)火裝置是靠燃料氣計(jì)量節(jié)流孔的節(jié)流產(chǎn)生的負(fù)壓作用將外部大氣中的空氣吸入并混合后點(diǎn)燃的,但有時(shí)也采用空氣與燃料氣單獨(dú)計(jì)量。采用單獨(dú)節(jié)流孔分開計(jì)量后的空氣、燃料氣再通過混合器進(jìn)行混合再點(diǎn)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(diǎn)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5.7～19(空氣體積/甲烷體積),如果實(shí)際運(yùn)行中空氣體積/甲烷體積低于5.7或大于19,點(diǎn)火裝置都是很難點(diǎn)火成功的。因此,采用單獨(dú)計(jì)量燃料氣和空氣,計(jì)量后的固定體積比混合氣更容易點(diǎn)燃。但這種設(shè)置依賴性更強(qiáng),必須保證有持續(xù)的空氣供應(yīng)和燃料氣供應(yīng),空氣供應(yīng)中斷或燃料氣供應(yīng)中斷都會導(dǎo)致火炬點(diǎn)火裝置失效。因此,目前一般采用圖1所示的靠燃料氣計(jì)量節(jié)流孔的節(jié)流產(chǎn)生的負(fù)壓作用將外部大氣中的空氣吸入并混合后點(diǎn)燃的火炬點(diǎn)火裝置較多一些1.1熱釋放量的測定為保證點(diǎn)火裝置穩(wěn)定運(yùn)行且能夠順利地將主火炬內(nèi)釋放出來的火炬氣點(diǎn)燃,點(diǎn)火裝置必須具備足夠的熱釋放量。點(diǎn)火裝置最低熱釋放量推薦值是13.2MW(45000Btu/h),這個(gè)熱釋放量值可以順利地將低熱值≥11175kJ/m當(dāng)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11175kJ/m1.2火炬點(diǎn)火裝置數(shù)量火炬點(diǎn)火裝置的數(shù)量與主火炬筒體直徑有關(guān),筒體直徑越大,所需要的點(diǎn)火裝置數(shù)量就越多,火炬所需最少點(diǎn)火裝置的數(shù)量與火炬筒體直徑的關(guān)系如表1所示盡管對于小尺寸火炬(如DN≤200)而言,推薦的點(diǎn)火裝置數(shù)量是1個(gè),但若這一個(gè)點(diǎn)火裝置失效了,則整個(gè)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2個(gè)點(diǎn)火裝置,以保證其安全穩(wěn)定的工作。1.3點(diǎn)火頭的材料由于點(diǎn)火裝置中的點(diǎn)火頭長時(shí)間與自身火焰和主火炬火焰接觸,因此點(diǎn)火頭的材質(zhì)必須選擇耐熱材質(zhì),如可選309SS、310SS、CK20或鎳基合金如800H,但如果點(diǎn)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(diǎn)火頭的材料。連接點(diǎn)火頭和混合器的直管段有時(shí)會接觸到火焰,因此這段直管段的材質(zhì)可選304SS或316SS。點(diǎn)火裝置中的混合器、計(jì)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(shí)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(yán)重影響空氣與燃料氣的混合比例,造成點(diǎn)火裝置火焰不穩(wěn)定1.4燃料氣點(diǎn)火控制除以上3點(diǎn)要求外,點(diǎn)火裝置還需注意以下3點(diǎn)(1)點(diǎn)火裝置所需燃料氣要求:火炬點(diǎn)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(yīng)該盡量避免使用氫氣、乙烯或乙炔作為燃料氣,因?yàn)檫@幾類氣體的燃燒速度太高,點(diǎn)火裝置點(diǎn)火后,火焰可能會延伸到混合器部分。(2)點(diǎn)火裝置的長度要求:點(diǎn)火裝置的長度必須足夠長以避免點(diǎn)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(diǎn)火頭之間的直管段長度至少應(yīng)滿足1.8m或125%主火炬通體直徑,取二者之間的最大值。(3)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25%節(jié)流孔直徑。2點(diǎn)火裝置均需要再次打火火炬點(diǎn)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(diǎn)火裝置熄滅了或第一次投運(yùn)點(diǎn)火裝置時(shí),就必須要給點(diǎn)火裝置再次打火,以保證點(diǎn)火裝置點(diǎn)火頭處始終有火焰。目前,打火方式主要分2種,一種是最常規(guī)的火焰鋒打火(FlameFrontGenerator,FFG),另一種是電打火(ElectronicSparkIgnition,ESI)2.1點(diǎn)火和點(diǎn)火時(shí)間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2所示火焰鋒打火方式的工作原理是:儀表風(fēng)空氣3和燃料氣4在混合腔室6內(nèi)先混合,再流經(jīng)空氣-燃料氣混合器7充分混合;充分混合后的可燃?xì)怏w在流經(jīng)打火火花塞8處時(shí)被火花塞點(diǎn)燃,點(diǎn)燃后的火焰形成一個(gè)火球10在管道內(nèi)快速運(yùn)動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)到打火管道頂部時(shí),就與火炬點(diǎn)火裝置12內(nèi)流出來的可燃?xì)饬飨嘤?從而使火炬點(diǎn)火裝置打火成功,火炬點(diǎn)火裝置12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(dǎo)致火球在運(yùn)動(dòng)過程中熄滅。為保證火焰鋒管線內(nèi)不存留積液,空氣3一般都采用站場內(nèi)經(jīng)過干燥處理后的儀表風(fēng)氣,而燃料氣4一般都采用較干燥的燃料氣或采用瓶裝液化氣來代替?；鹧驿h打火方式中用到的主要設(shè)備都放在地面上,方便安裝和檢修。2.2火炬點(diǎn)火裝置點(diǎn)火電打火方式是采用高能或高電壓火花塞將火炬點(diǎn)火裝置內(nèi)的空氣-燃料氣混合氣點(diǎn)燃的一種打火方式,其打火方式示意圖如圖3所示。電打火方式的工作原理是:燃料氣經(jīng)過火炬點(diǎn)火裝置后,負(fù)壓作用吸入空氣,然后空氣-燃料氣混合氣到達(dá)點(diǎn)火頭,此時(shí)操作人員在地面上按下“打火變壓器+手動(dòng)按鈕”上面的打火按鈕,火花塞就會產(chǎn)生大量火花,將點(diǎn)火頭處的可燃混合氣點(diǎn)燃,此時(shí)就打火成功,火炬點(diǎn)火裝置即開始持續(xù)不斷地燃燒。電打火方式的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷、打火成功時(shí)間很短、所需配備的設(shè)備少,缺點(diǎn)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。2.3打火速度長,操作簡單火焰鋒打火和電打火這兩種打火方式各有利弊,對二者的比較如表2所示?；鹧驿h打火操作都在地面上完成,便于檢查和檢修維護(hù),但火焰鋒打火所需時(shí)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(fù)雜,需要經(jīng)過專門培訓(xùn);電打火的主要特點(diǎn)就是打火方便快捷,打火成功所需時(shí)間很短,操作十分簡單,不需要很多培訓(xùn)即可完成,缺點(diǎn)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(shè)計(jì)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。3點(diǎn)火裝置判斷火炬系統(tǒng)能否正常運(yùn)行取決于點(diǎn)火裝置是否正常穩(wěn)定地運(yùn)行,而如何判斷點(diǎn)火裝置是否在正常運(yùn)行就變得很重要了。目前,主要有4種點(diǎn)火裝置監(jiān)視系統(tǒng)可以幫助操作人員準(zhǔn)確地判斷點(diǎn)火裝置是否在正常運(yùn)行,分別是熱電偶溫度監(jiān)測法、光學(xué)監(jiān)測法、聲學(xué)監(jiān)測法和火焰離子化監(jiān)測法3.1高溫火焰檢測熱電偶溫度監(jiān)測法的基本原理就是測量點(diǎn)火頭的溫度,在點(diǎn)火頭上安裝一個(gè)熱電偶,該熱電偶會感受點(diǎn)火頭處的溫度,當(dāng)火炬點(diǎn)火裝置正常運(yùn)行時(shí),在點(diǎn)火頭處有高溫火焰,此時(shí)熱電偶就會感受到這個(gè)溫度,且當(dāng)熱電偶測出來的溫度高于某個(gè)設(shè)定值時(shí),就表明火炬點(diǎn)火裝置正常運(yùn)行,否則就表明火炬點(diǎn)火裝置失效。如圖4所示,TE是熱電偶,它采集到的溫度信號傳到中控室,L報(bào)警就表明點(diǎn)火裝置工作不正常,H報(bào)警就表明點(diǎn)火裝置運(yùn)行正常。工業(yè)上廣泛應(yīng)用的熱電偶是K型熱電偶,該熱電偶外面有保護(hù)層,保護(hù)層的材質(zhì)可采用310SS或鉻鎳鐵合金。3.2火炬點(diǎn)火裝置監(jiān)測系統(tǒng)光學(xué)監(jiān)測法是靠點(diǎn)火裝置發(fā)出的火焰亮光來監(jiān)測其是否正常工作。光學(xué)檢測法與攝像頭工作原理很相似,是利用一套光學(xué)鏡片對準(zhǔn)點(diǎn)火頭,光學(xué)鏡片內(nèi)置的感應(yīng)元件會接收點(diǎn)火頭火焰發(fā)出來的紅外線或紫外線,就說明點(diǎn)火裝置工作正常;若感應(yīng)元件感受不到光線,則該系統(tǒng)會發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號到中控室,提醒操作人員火炬點(diǎn)火裝置火焰熄滅。采用光學(xué)監(jiān)測法的優(yōu)點(diǎn)是它可以放置在地面上,便于維修和保養(yǎng),同時(shí)監(jiān)測反應(yīng)時(shí)間很快。但光學(xué)監(jiān)測法也有很多缺點(diǎn),主要體現(xiàn)在雨雪大霧天氣對測量結(jié)果影響很大。3.3火炬點(diǎn)火裝置的噪聲監(jiān)測聲學(xué)監(jiān)測法是檢測點(diǎn)火頭火焰燃燒時(shí)發(fā)出的噪音來確定火炬點(diǎn)火系統(tǒng)是否運(yùn)行正常的,如圖5所示。圖5中的黑色箭頭就表示點(diǎn)火頭燃燒時(shí)發(fā)出的噪音向下傳向噪音檢測元件。當(dāng)火炬點(diǎn)火裝置正常運(yùn)行時(shí),點(diǎn)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(diǎn)火裝置是穩(wěn)定運(yùn)行的,控制面板上“ON”燈會亮;沒有噪音,則表明火炬點(diǎn)火裝置失效,控制面板上的“OFF”燈就會亮。聲學(xué)監(jiān)測法的主要優(yōu)點(diǎn)就是每個(gè)火炬點(diǎn)火裝置都配備單獨(dú)的聲學(xué)檢測元件,因此反應(yīng)更快、更準(zhǔn)確,且聲學(xué)監(jiān)測法維護(hù)量小;它的缺點(diǎn)主要是檢測距離不能超過107m,因此不適應(yīng)于那些高度很高的火炬。3.4火焰離子化監(jiān)測法火焰離子化監(jiān)測法是采用一種獨(dú)特的火焰燃燒離子化的現(xiàn)象來檢測火炬點(diǎn)火裝置運(yùn)行狀態(tài)的。當(dāng)火炬點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火頭有火焰在燃燒時(shí),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(dǎo)電的,且?guī)в幸欢康碾娏?此時(shí)就可以在點(diǎn)火頭附近安裝一個(gè)帶導(dǎo)電芯的磁棒,如圖6所示火焰離子化監(jiān)測法的主要優(yōu)點(diǎn)是檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠,且基本不需要任何維護(hù)操作,缺點(diǎn)是造價(jià)較高。3.5監(jiān)控系統(tǒng)的比較與大火點(diǎn)的火災(zāi)配置熱電偶溫度監(jiān)測法、光學(xué)監(jiān)測法、聲學(xué)監(jiān)測法和火焰離子化監(jiān)測法這四種火炬點(diǎn)火裝置監(jiān)測方法的比較,如表3所示。4火炬筒體及點(diǎn)火裝置監(jiān)測系統(tǒng)的確定某天然氣壓氣站火炬系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)放空量是214300kg/h,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(diǎn)火裝置。按照火炬放空量并結(jié)合其他熱輻射等要求計(jì)算得出該火炬筒體直徑是DN450,火炬筒體總高是41m,按照表1推薦,該火炬系統(tǒng)可選擇2套點(diǎn)火系統(tǒng),且這兩套點(diǎn)火系統(tǒng)在火炬筒體頂部對稱布置,如圖7所示。按照表2的比較,可以看出電打火的點(diǎn)火方式