兰州LNG调峰储气供气站项目地面火炬系统高压排放总管起始端吹扫气调整优化

兰州LNG调峰储气供气站项目地面火炬系统高压排放总管起始端吹扫气调整优化

姓名：王明卿

单位：甘肃陇投燃气有限责任公司；甘肃省兰州市安宁区；邮编730070

一、项目背景

兰州市天然气输配工程（调峰储气供气站）项目设置地面环保低噪音无烟废气燃烧火炬一座，高压火炬和低压火炬共用一个火炬炉膛。地面火炬系统可将排放废气燃烧火焰完全控制在炉膛内，外界看不到火光，能最大限度的减少热辐射、噪音对工作人员和周围设备的影响。

地面火炬系统装置区高压排放总管起始端设置有天然气和氮气（备用）持续吹扫，维持高压泄放总管微正压，防止回火发生。高压排放的尾气通过DN500管道进入分液罐（V-501）分离出排放气的凝液后，进入火炬界区内集气包。在集气包内的平衡下，分级为五路支管进入燃烧塔内部燃烧器进行燃烧。

五路排放管线进入燃烧塔分别称为一、二、三、四、五级，第一级排放管线DN150为常开，经过阻火器进入燃烧塔通过2只燃烧器燃烧；第二级排放管线DN200进入燃烧塔后通过6只燃烧器燃烧；第三级排放管线DN250进入燃烧塔后通过14只燃烧器燃烧；第四级排放管线DN250进入燃烧塔后通过22个燃烧器燃烧；第五级排放管线DN300进入燃烧塔后通过32个燃烧器燃烧；第二、三、四、五级管线上分别设置气动碟阀，并在气动碟阀处均设旁路，旁路上设置爆破片安全泄压装置确保装置区能正常安全排放尾气。

二、技术原理

火炬正常燃烧状态下（有排放气存在）时，须通入氮气方可保证燃烧器出口微正压力,不回火，才能保障火炬正常安全燃烧。

一级排放管线的氮气吹扫管线设手阀加孔板，使用火炬时先打开手阀使氮气顺利有效的进入燃烧器吹扫。

高压二、三、四、五级排放气管线的氮气吹扫管线都设有气动直动阀(XV-52002C、03C、04C、05C)，操作界面分别设二、三、四、五级“吹扫开关”，开关处于“手动开”位置时，相应级的吹扫直动阀被打开。开关处于“自动”位置时，当相应级的切断阀打开时、阀位故障时、爆破片爆破时及点火期间，都会自动联锁相应级的直动阀打开，使氮气顺利进入燃烧器吹扫。

三、应用情况

地面火炬系统装置区高压排放总管起始端设置有天然气和氮气（备用）持续吹扫，维持高压泄放总管微正压。吹扫管线上设有转子流量计FI-32009，通过调节流量计后端的针形阀可调节流量，正常运行过程中应维持吹扫流量为21.5 Nm3/h，当流量低于17.2 Nm3/h时DCS会有流量低报警。

四、存在问题

地面火炬系统装置区高压排放总管起始端设置的吹扫气以天然气为主吹扫气，氮气为备用吹扫气。天然气以21.5 Nm3/h的流量作为吹扫气被燃烧，即造成了能源的浪费，也增加了厂站的总体能耗。不符合“十四五”绿色发展战略。

五、调整优化

兰州市天然气输配工程（调峰储气供气站）项目公用工程系统设置有PSA制氮系统。当氮气纯度≥99.9%时，PSA制氮系统的产气量为90Nm3/h；当氮气纯度≥99.99%时，PSA制氮系统的产气量为60 Nm3/h。以氮气作为地面火炬系统装置区高压排放总管起始端的吹扫气，公用工程系统完全满足工艺需求，故将地面火炬系统装置区高压排放总管起始端的吹扫气改用氮气，可节约能源，减低厂站能耗。

废气在火炬筒内燃烧时，如在低流量排放工况下，筒内火炬气体动量不足，外界空气容易侵入火炬头内，此时，如果没有足够速度的吹扫气体补充，空气与可燃废气将在火炬头部发生混合，极易引起回火、闷烧甚至爆炸，会极大地威胁火炬的运行、损害装备寿命。

为进一步对吹扫气选用天然气和氮气的安全性进行比较，采用数值模拟的方法对用天然气和氮气作为吹扫气分别进行了数值计算。数值计算所建立的火炬筒体模型与项目火炬筒体尺寸一致，火炬筒体高为36m，内径为11m，燃烧器在火炬筒体的底部。火炬内燃烧气体量与实际工况一致，吹扫气体流量设为21.5 Nm3/h，火炬筒体外环境风速设为5m/s。

图1展示了从火炬点燃后第1、10、30、60s时刻时火炬筒体内氧含量分布情况。由图1 可以看出，随着燃烧时间的推移，氧气逐渐侵入到火炬筒体内部，距火炬筒体底部越来越近。

图1 空气侵入火炬筒体内的过程

图2为筒体外界风速为5m/s，吹扫气体流量同为21.5 Nm3/h时，分别选用天然气和氮气作为吹扫气时，火炬筒体内距火炬筒口不同深度处的氧含量(设侵入筒内的空气中氧气比例为20.9%)百分比值分布图，比如距火炬筒口处9m处的含氧量百分比值为从火炬筒口到距火炬筒口9m处筒内含氧量占该段筒体体积的百分比。可以看出，在火炬筒口附近，使用氮气和天然气作为吹扫气时，筒内氧含量相差不大，随着深度增大，越靠近筒底，使用氮气作为吹扫气时氧含量的浓度逐渐低于使用天然气作为吹扫气的氧含量浓度，且差距越来越大。这是由于天然气的相对分子质量小(天然气相对分子质量约为17，氮气相对分子质量为28)，所以当选用相对分子质量小的天然气作为吹扫气时，浮力作用更明显，在同样的吹扫气体流量下，其动量比氮气要小很多，也更难以将空气推出火炬筒体外。因此，相较于使用天然气作为吹扫气体，在同样的吹扫量下，使用氮气时氧气侵入火炬筒体的量更少，能更好的防止回火的发生，这说明要达到同样的安全要求标准时，氮气所需的吹扫量比天然气更小，从而使用氮气作为吹扫气比使用天然气作为吹扫气具有更好的安全性。

图2 火炬筒体内不同深度氧含量百分比值分布

六、效益分析

地面火炬系统装置区高压排放总管起始端的吹扫气流量为21.5 Nm3/h，经优化调整后，每年（按365天/年计算）可节约天然气：

21.5×365×24=188340（Nm3），按目前场站BOG外输气量均价1.93元/Nm3计算，每年可节约成本约36.35万元。综上所述，利用氮气作为地面火炬系统装置区高压排放总管吹扫用气大大降低了生产成本，也符合“十四五”绿色发展战略要求。

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