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(1.蘭州石化公司 石油化工廠， 甘肅 蘭州 730060；2.蘭州石化公司 榆林化工有限公司， 陜西 榆林 719000)

某石化公司石油化工廠24×104t/a乙烯裝置火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為585 t/h。2015年以來(lái)觀察到小排量下火焰剛度不足，大排量下火焰抬升高度不夠，并伴有嚴(yán)重的冒黑煙現(xiàn)象。 對(duì)火炬系統(tǒng)的大檢修發(fā)現(xiàn)，火炬燃燒器火炬頭、筒體頂部、中心引射蒸汽管上部損壞嚴(yán)重。文中對(duì)此進(jìn)行了原因分析，并介紹了采取的改進(jìn)措施及其效果。

1 火炬燃燒器超溫受損情況

檢修現(xiàn)場(chǎng)損壞的火炬燃燒器形貌見圖1。圖1中火炬燃燒器為梅花噴嘴式結(jié)構(gòu)，其高溫段采用06Cr25Ni20不銹鋼板卷焊制造。06Cr25Ni20鋼材具有良好的耐熱性能，在1 150 ℃高溫下能夠長(zhǎng)期使用[1]。

圖1 檢修現(xiàn)場(chǎng)損壞的火炬燃燒器

現(xiàn)場(chǎng)損壞的火炬燃燒器可以成片撕下，據(jù)此判斷其材質(zhì)塑性已完全喪失。進(jìn)一步的材質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果表明，火炬燃燒器高溫段不存在材質(zhì)不合格問(wèn)題。綜合分析認(rèn)為，火炬燃燒器使用過(guò)程中發(fā)生了超溫故障，超溫使得06Cr25Ni20鋼在高溫作用下產(chǎn)生蠕變[2]，同時(shí)在火炬氣及蒸汽的沖擊下，燃燒器頂部發(fā)生嚴(yán)重變形[3]。

2 火炬燃燒器火炬頭結(jié)構(gòu)

火炬系統(tǒng)火炬燃燒器為梅花噴嘴式[4]，其結(jié)構(gòu)見圖2。燃燒器工作時(shí)，需要從外部引入3路消煙蒸汽，第1路為從火炬頭下部梅花噴嘴引入的中心引射蒸汽，第2路為通過(guò)中心管引入火炬燃燒器中心的中心蒸汽，第3路為通過(guò)火炬燃燒器上部環(huán)管噴嘴引入的上部環(huán)管蒸汽。

圖2 梅花噴嘴式火炬頭結(jié)構(gòu)示圖

這3路消煙蒸汽具有不同的功能和作用。其中，梅花噴嘴與引射管下部喇叭口配合形成噴射泵效應(yīng)，蒸汽高速噴射將其周圍大量空氣通過(guò)引射管引射到火炬頭的高溫燃燒區(qū)域，有效縮短了火焰長(zhǎng)度并可將火焰托高并降低火炬燃燒器頂部的溫度。中心蒸汽通過(guò)中心管將蒸汽引入火炬燃燒器中心，與排放氣均勻混合，降低排放氣內(nèi)的碳?xì)浠衔餄舛?，可避免排放氣分解析碳形成黑煙，并?duì)火炬燃燒器頂部起到冷卻保護(hù)作用。上部環(huán)管蒸汽通過(guò)火炬燃燒器上部蒸汽噴嘴引入火炬, 蒸汽噴嘴射流與火炬頭中心線形成一定螺旋夾角,蒸汽卷吸周圍空氣與排放氣充分混合并參與燃燒,可達(dá)到無(wú)煙燃燒的目的[5]。

3 火炬燃燒器超溫原因分析

3.1 消煙蒸汽壓力偏低

按照火炬最大排放量的12%計(jì)算消煙蒸汽需求，大約需要壓力0.8～1.0 MPa、溫度大于200 ℃、質(zhì)量流量約20 t/h的消煙蒸汽供給[6]。改造前火炬燃燒器消煙蒸汽采用低壓蒸汽，其壓力指標(biāo)0.3～0.6 MPa。由于火炬裝置處于蒸汽用戶末端，當(dāng)冬季蒸汽消耗量大時(shí)，至火炬系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力還會(huì)更低，有時(shí)低至僅0.2 MPa。消煙蒸汽供應(yīng)長(zhǎng)期不能滿足正常的消煙及冷卻需求，導(dǎo)致火炬在放散量大的情況下冒黑煙，加之中心引射蒸汽對(duì)火焰的托舉高度不夠，造成火炬燃燒器超溫。

3.2 消煙蒸汽供給滯后

2004年火炬系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)火。自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)由1套獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)和操作盤組成，在正常運(yùn)行過(guò)程中處于自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)火炬管網(wǎng)壓力不低于8 kPa或排放氣體積流量不小于1 000 m3/h時(shí)，控制系統(tǒng)指令點(diǎn)火系統(tǒng)開始工作，流程畫面顯示點(diǎn)火報(bào)警并有鈴聲，同時(shí)打開天然氣管線上的2個(gè)電磁閥，點(diǎn)火器點(diǎn)燃并引燃主火炬。

在緊急放空時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)可以在10 s內(nèi)引燃主火炬。然而備用蒸汽系統(tǒng)的投用往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，甚至在緊急投用過(guò)程中還發(fā)生過(guò)水錘現(xiàn)象，這種消煙蒸汽供應(yīng)的滯后導(dǎo)致火炬管網(wǎng)排放的氣體干燒火炬頭，引起火炬頭超溫[7]。

3.3 蒸汽系統(tǒng)維護(hù)管理不當(dāng)

追溯消煙蒸汽的非正常供給原因，發(fā)現(xiàn)在蒸汽系統(tǒng)備用過(guò)程中存在保溫效果差和閥門調(diào)控不當(dāng)問(wèn)題。針對(duì)蒸汽管網(wǎng)保溫效果差的問(wèn)題，選取低壓蒸汽管網(wǎng)4個(gè)截面分析熱損，結(jié)果見表1。

表1 低壓蒸汽管網(wǎng)保溫測(cè)試及保溫效果分析

表1中表面溫度測(cè)試值為4次測(cè)量的平均值，數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度分別為150 ℃ 和25.2 ℃。

從表1可以看出，所選管網(wǎng)4個(gè)截面的熱流密度均遠(yuǎn)高于《設(shè)備及管道絕熱效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》[8]中規(guī)定的允許最大熱流密度104 W/m2，因此均判定為保溫不合格。保溫不合格會(huì)造成蒸汽供應(yīng)的壓力和溫度不達(dá)標(biāo)，而且還會(huì)在管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生大量凝液。當(dāng)滯留的冷凝液量超過(guò)蒸汽管網(wǎng)疏水設(shè)施的排放能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生緊急投用過(guò)程中的水錘現(xiàn)象[9]。另外，蒸汽系統(tǒng)遠(yuǎn)程蒸汽調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏，調(diào)節(jié)閥后管道內(nèi)積存凝液，為避免內(nèi)漏關(guān)閉了調(diào)節(jié)閥的上、下游手動(dòng)閥，也是造成在緊急排放過(guò)程中蒸汽投用不及時(shí)的原因。

3.4 中心引射蒸汽噴嘴堵塞

火炬燃燒器設(shè)計(jì)梅花噴嘴共9只，其中3只發(fā)生了不同程度的堵塞。圖3為從現(xiàn)場(chǎng)拆檢下來(lái)的1只梅花噴嘴，其近半流道空間已為焊渣、焊條等雜物封堵。蒸汽通過(guò)堵塞的梅花噴嘴時(shí)，會(huì)因?yàn)榱鞯雷枞l(fā)出間斷性的低吼聲而使火炬產(chǎn)生的噪聲加大。同時(shí)流道堵塞會(huì)導(dǎo)致引射蒸汽的供給量不足，通過(guò)引射管被送到火炬燃燒器頂部高溫區(qū)的空氣量亦會(huì)嚴(yán)重不足，不僅不能有效縮短火焰和有效抬升火焰高度，而且還容易造成氣體在燃燒過(guò)程中冒黑煙及火炬燃燒器超溫。

圖3 嚴(yán)重堵塞的梅花噴嘴

當(dāng)梅花噴嘴堵塞嚴(yán)重時(shí)，各中心引射蒸汽管內(nèi)的壓力會(huì)失去平衡，同時(shí)會(huì)引發(fā)被堵塞的蒸汽引射管內(nèi)壓力低、流度低等異常情況，甚至火炬燃燒器局部回火(圖4)[10]?；鼗鹬率拐麄€(gè)火炬燃燒器陷入一片火海，嚴(yán)重影響火炬的安全運(yùn)行。

火炬系統(tǒng)回火通常是由于排放可燃?xì)怏w中氧含量超標(biāo)，同時(shí)排放氣體的流動(dòng)速度低于火焰的燃燒速度，火焰沿著氣體排放的反方向傳播，致使排放氣在火炬筒體或火炬系統(tǒng)主干線內(nèi)燃燒，造成火炬或系統(tǒng)主管發(fā)生爆炸[11]。分析認(rèn)為，由于引射管內(nèi)蒸汽和空氣混合后的流動(dòng)速度低于火焰燃燒速度，燃燒的火焰發(fā)生倒竄[12]，火焰自火炬燃燒器頂沿著蒸汽引射管倒竄至下部盆式消音器處，并在消音器處燃燒，形成一個(gè)小范圍的回火。

圖4 火炬燃燒器回火現(xiàn)場(chǎng)

4 火炬燃燒器超溫改進(jìn)措施

(1)重新配置1條中壓蒸汽管線，提高消煙蒸汽壓力。經(jīng)核算，在不影響火炬塔架安全、穩(wěn)定的前提下，配置1條管徑?219 mm、壓力等級(jí)2.0 MPa的蒸汽管線，以提高消煙蒸汽壓力及供給量，使蒸汽品質(zhì)滿足火炬燃燒器消煙和冷卻需求。

(2)做好蒸汽系統(tǒng)備用時(shí)的冷凝液排放。根據(jù)蒸汽管網(wǎng)熱損失檢測(cè)結(jié)果，更換、修復(fù)熱損失超標(biāo)嚴(yán)重的保溫結(jié)構(gòu)[13]。定期檢測(cè)蒸汽管網(wǎng)熱損失，及時(shí)更換、修復(fù)不合格保溫結(jié)構(gòu)，減少備用蒸汽系統(tǒng)的凝液量。沿途增加疏水器數(shù)量，保障凝液能夠順利排出[14]。修理蒸汽調(diào)節(jié)閥，消除閥門內(nèi)漏，保證備用狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥上、下游閥門處于全開狀態(tài)。通過(guò)DCS遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥，保證蒸汽的及時(shí)供給。在調(diào)節(jié)閥后管線上增加排凝閥，崗位職責(zé)增加冷凝液定期排放要求，每班檢查管線內(nèi)積液狀況，排出凝液并做好記錄。

(3)定期檢查梅花噴嘴堵塞情況。將中心引射蒸汽梅花噴嘴的清理和檢查列入火炬系統(tǒng)大檢修必檢項(xiàng)目，將逐個(gè)清理引射蒸汽梅花噴嘴作為每次大檢修重點(diǎn)檢查內(nèi)容，堵塞嚴(yán)重?zé)o法清理的噴嘴予以更換。當(dāng)針對(duì)蒸汽管網(wǎng)的焊接施工修理作業(yè)完成后，要在管網(wǎng)投用前進(jìn)行吹掃，將進(jìn)入主蒸汽管網(wǎng)的雜質(zhì)吹掃干凈，避免投用后堵塞梅花噴嘴。

5 結(jié)語(yǔ)

大檢修期間利用400 t吊車，對(duì)125 m高、損壞嚴(yán)重的火炬燃燒器進(jìn)行了更換[15]，采用文中措施消除了燃燒器在運(yùn)行過(guò)程中的超溫故障。為準(zhǔn)確掌握火炬在燃燒過(guò)程中的溫度變化，后期準(zhǔn)備在火炬燃燒器上增設(shè)熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)控火炬燃燒器溫度，及時(shí)調(diào)整蒸汽量，避免火炬燃燒器超溫。