1. 中国石油工程建设公司设计技术部;
2. 中国石油西南油气田公司川西北气矿
收稿日期：2010-11-11；修回日期：2010-12-08
作者简介：
孙海:工程师，1980年生，2006年7月毕业于石油大学(华东)，获得油气储运专业硕士学位，现在中国石油工程建设公司(CPECC)巴基斯坦分公司设计部工作，目前主要从事压气站项目的工艺设计工作。邮箱：
sunhai80@gmail.com.
摘要：火炬系统是保障油气田处理设施安全的最后一道屏障，而在全场停车且泄放时火炬点火装置是保证火炬系统能否正常点火成功运行的关键，本文详细介绍了油气田地面火炬系统点火装置的类型和原理以及点火装置运行状态监视系统的组成和原理。
关键词：火炬系统 停车泄放 火炬点火装置 打火方式 监视系统
1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation, Engineering Department, 28# Gulouwai Street, Dongcheng District 100011, Beijing;
2. Nothwestern Sichuan Gas District of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company
Abstract: The flare system is the last barrier to ensure the safety of the oil and gas treatment facilities, ignition facilities is the key factor to make sure that the flare system is ignited successfully during the shutdown and venting of whole plant. The type and principle of the oil and gas field surface flare ignition system and the composition and principle of monitoring system are introduced in detail in this paper.
Key words:
flare system shutdown and venting flare ignition system ignition methods flare ignition monitoring system
油气田处理装置由于各种原因均存在不同程度的气体排放，称之为火炬气。通常，火炬气的主要来源是系统压力调整中由压力控制阀排放的工艺气体；装置系统泄漏，如与火炬系统相连的阀门和安全阀的泄漏等；生产过程中必须排放的易燃、易爆物料；塔、球罐、容器等释放的气体以及站场停车泄放时释放出来的大量气体。这些火炬气往往都是通过火炬系统燃烧后排向大气的，如果火炬点火装置失效的话，就会导致这些未经燃烧的可燃气或有毒有害气体直接排向大气，从而产生蒸气云爆炸的危险以及威胁员工身体健康或生命安全和造成处理装置的损坏等一系列严重后果。因此，火炬系统是否能够安全有效地运行取决于火炬点火装置能否正常运行，而判断点火装置是否正常运行，就必须有一套能够快速准确的点火装置运行状态监测系统来保证操作人员能快速地判断点火装置的运行状态并作出相应操作。
本文结合实际工作中火炬系统点火装置的设计以及其他相关标准规范和书籍，详细地介绍了火炬系统点火装置的具体结构以及点火方式的类型和原理、点火装置运行状态监测系统的分类和原理。
1 火炬点火装置介绍
火炬点火装置是用来引燃主火炬的一个燃烧装置，分布在主火炬顶部四周。为了随时应对主火炬排放出的可燃气体，点火装置必须时刻处于燃烧状态，因此点火装置实际上是一个燃烧器。而作为一个燃烧器，点火装置必须能够：(1)计量燃料气和空气耗量；(2)混合燃料气和空气；(3)保持火焰的稳定。
典型的火炬点火装置是由燃料气计量用节流孔、燃料气和空气混合器(一般采用文丘里管)、点火头以及连接混合器和点火头的直管段组成，如图 1所示[1]。工作时，外部供应的燃料气经过滤器过滤后，再经节流孔进行节流；节流作用产生的负压将外部大气中的空气带进混合器，燃料气和空气在混合器内进行混合；混合后的燃料气和空气经过直管段后到达点火头，在点火头处用一定的点火方式将混合气点燃；此时如果主火炬内有可燃气体泄放出来，点火头处喷出的火焰即可将主火炬气点燃进行燃烧。
图 1所示的点火装置是靠燃料气计量节流孔的节流产生的负压作用将外部大气中的空气吸入并混合后点燃的，但有时也采用空气与燃料气单独计量。采用单独节流孔分开计量后的空气、燃料气再通过混合器进行混合再点燃，这样做的目的是便于控制燃料气和空气的混合比例，保证点火装置的稳定性。例如：甲烷气体能稳定正常燃烧的可燃性极限是5.7~19(空气体积/甲烷体积)，如果实际运行中空气体积/甲烷体积低于5.7或大于19，点火装置都是很难点火成功的。因此，采用单独计量燃料气和空气，计量后的固定体积比混合气更容易点燃。但这种设置依赖性更强，必须保证有持续的空气供应和燃料气供应，空气供应中断或燃料气供应中断都会导致火炬点火装置失效。因此，目前一般采用图 1所示的靠燃料气计量节流孔的节流产生的负压作用将外部大气中的空气吸入并混合后点燃的火炬点火装置较多一些[2]。
1.1 火炬点火装置热释放量的要求
为保证点火装置稳定运行且能够顺利地将主火炬内释放出来的火炬气点燃，点火装置必须具备足够的热释放量。点火装置最低热释放量推荐值是13.2 MW(45 000 Btu/h)，这个热释放量值可以顺利地将低热值≥11 175 kJ/m3的烃类火炬气点燃，一般点火装置的热释放量值范围是13.2 MW(45 000 Btu/h)~102.5 MW(350 000 Btu/h)。同时，在天气干燥且风力达到160 km/h的情况下，点火装置释放出来的热量能够持续点燃火炬气；而在降雨量达到50 mm/h的雨天环境且风力达到140 km/h的情况下，点火装置释放出来的热量也必须能够持续点燃火炬气。
当主火炬内释放出来的介质不是烃类火炬气或火炬气是烃类和惰性气体的混合气的情况下，这类火炬气的热值往往低于11 175 kJ/m3，此时可能需要增加点火装置的数量以加大点火装置热释放量或采用热释放量更大的点火装置[3]。
1.2 火炬点火装置数量
火炬点火装置的数量与主火炬筒体直径有关，筒体直径越大，所需要的点火装置数量就越多，火炬所需最少点火装置的数量与火炬筒体直径的关系如表 1所示[3]。
表 1
表 1 推荐的最少点火装置数量与火炬筒体直径之间的关系
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表 1 推荐的最少点火装置数量与火炬筒体直径之间的关系
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尽管对于小尺寸火炬(如DN≤200)而言，推荐的点火装置数量是1个，但若这一个点火装置失效了，则整个火炬就失效了，因此对这种小尺寸的火炬，仍然推荐采用至少2个点火装置，以保证其安全稳定的工作。
1.3 火炬点火装置材质选择
由于点火装置中的点火头长时间与自身火焰和主火炬火焰接触，因此点火头的材质必须选择耐热材质，如可选309SS、310SS、CK20或镍基合金如800H，但如果点火用燃料气或主火炬气中含有硫化氢，就不可以采用镍基合金材料作为点火头的材料。
连接点火头和混合器的直管段有时会接触到火焰，因此这段直管段的材质可选304SS或316SS。
点火装置中的混合器、计量节流孔和过滤器一般都可以采用铸铁、球墨铸铁或碳钢材质，但有时混合器的材质会选择不锈钢以防止混合器内发生锈蚀，混合器内部锈蚀有可能会堵塞混合器内部通道，从而严重影响空气与燃料气的混合比例，造成点火装置火焰不稳定[3]。
1.4 火炬点火装置其他要求
除以上3点要求外，点火装置还需注意以下3点[3]：
(1) 点火装置所需燃料气要求：火炬点火装置必须能适用于多种燃料气，如可以采用天然气、甲烷、乙烷、丙烷以及场站内的燃料气，但应该尽量避免使用氢气、乙烯或乙炔作为燃料气，因为这几类气体的燃烧速度太高，点火装置点火后，火焰可能会延伸到混合器部分。
(2) 点火装置的长度要求：点火装置的长度必须足够长以避免点火头处的火焰反窜到混合器部分去。因此，规定从混合器到点火头之间的直管段长度至少应满足1.8 m或125%主火炬通体直径，取二者之间的最大值。
(3) 燃料气过滤器的要求：为避免燃料气节流孔堵塞，在节流孔前推荐安装过滤器以除去燃料气内的杂质，且规定过滤器滤网孔径不大于25%节流孔直径。
2 火炬点火装置的打火方式选择
火炬点火装置正常工作情况下是连续燃烧的，不需要专门打火，但如果火炬点火装置熄灭了或第一次投运点火装置时，就必须要给点火装置再次打火，以保证点火装置点火头处始终有火焰。目前，打火方式主要分2种，一种是最常规的火焰锋打火(Flame Front Generator，FFG)，另一种是电打火(Electronic Spark Ignition，ESI)[1-3]。
2.1 火焰锋打火方式
火焰锋打火方式是最常规、最普遍使用的打火方式，其打火方式示意图如图 2所示[4]。
火焰锋打火方式的工作原理是：仪表风空气3和燃料气4在混合腔室6内先混合，再流经空气-燃料气混合器7充分混合；充分混合后的可燃气体在流经打火火花塞8处时被火花塞点燃，点燃后的火焰形成一个火球10在管道内快速运动，当运动到打火管道顶部时，就与火炬点火装置12内流出来的可燃气流相遇，从而使火炬点火装置打火成功，火炬点火装置12就开始持续不断地燃烧。
火焰锋打火方式在打火之前必须保证其管道内充满可燃的空气和燃料气混合物，否则如果火焰锋管道内可燃混合气充满的不够充分的话，可能会导致火球在运动过程中熄灭。为保证火焰锋管线内不存留积液，空气3一般都采用站场内经过干燥处理后的仪表风气，而燃料气4一般都采用较干燥的燃料气或采用瓶装液化气来代替。火焰锋打火方式中用到的主要设备都放在地面上，方便安装和检修。
2.2 电打火方式
电打火方式是采用高能或高电压火花塞将火炬点火装置内的空气-燃料气混合气点燃的一种打火方式，其打火方式示意图如图 3所示。
电打火方式的工作原理是：燃料气经过火炬点火装置后，负压作用吸入空气，然后空气-燃料气混合气到达点火头，此时操作人员在地面上按下“打火变压器+手动按钮”上面的打火按钮，火花塞就会产生大量火花，将点火头处的可燃混合气点燃，此时就打火成功，火炬点火装置即开始持续不断地燃烧。
电打火方式的优点是方便快捷、打火成功时间很短、所需配备的设备少，缺点是一旦打火火花塞坏了，需要爬上火炬头检查并维修，检修难度大。
2.3 打火方式比较
火焰锋打火和电打火这两种打火方式各有利弊，对二者的比较如表 2所示。
表 2
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表 2 火焰锋打火和电打火方式的比较
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火焰锋打火操作都在地面上完成，便于检查和检修维护，但火焰锋打火所需时间较长，一旦火炬需要紧急打火的情况，火焰锋打火可能来不及，而且火焰锋打火操作相对比较复杂，需要经过专门培训；电打火的主要特点就是打火方便快捷，打火成功所需时间很短，操作十分简单，不需要很多培训即可完成，缺点就是打火火花塞在火炬头附近，一旦火花塞出现故障，那么检修起来很困难。所以很多火炬系统的设计都是采用火焰锋打火和电打火两套系统，火焰锋打火作为备用打火方式。
3 火炬点火装置监测系统
火炬系统能否正常运行取决于点火装置是否正常稳定地运行，而如何判断点火装置是否在正常运行就变得很重要了。目前，主要有4种点火装置监视系统可以帮助操作人员准确地判断点火装置是否在正常运行，分别是热电偶温度监测法、光学监测法、声学监测法和火焰离子化监测法[1-3]。
3.1 热电偶温度监测法
热电偶温度监测法的基本原理就是测量点火头的温度，在点火头上安装一个热电偶，该热电偶会感受点火头处的温度，当火炬点火装置正常运行时，在点火头处有高温火焰，此时热电偶就会感受到这个温度，且当热电偶测出来的温度高于某个设定值时，就表明火炬点火装置正常运行，否则就表明火炬点火装置失效。
如图 4所示，TE是热电偶，它采集到的温度信号传到中控室，L报警就表明点火装置工作不正常，H报警就表明点火装置运行正常。工业上广泛应用的热电偶是K型热电偶，该热电偶外面有保护层，保护层的材质可采用310SS或铬镍铁合金。
3.2 光学监测法
光学监测法是靠点火装置发出的火焰亮光来监测其是否正常工作。光学检测法与摄像头工作原理很相似，是利用一套光学镜片对准点火头，光学镜片内置的感应元件会接收点火头火焰发出来的红外线或紫外线，就说明点火装置工作正常；若感应元件感受不到光线，则该系统会发出一个报警信号到中控室，提醒操作人员火炬点火装置火焰熄灭。采用光学监测法的优点是它可以放置在地面上，便于维修和保养，同时监测反应时间很快。但光学监测法也有很多缺点，主要体现在雨雪大雾天气对测量结果影响很大。
3.3 声学监测法
声学监测法是检测点火头火焰燃烧时发出的噪音来确定火炬点火系统是否运行正常的，如图 5所示。图 5中的黑色箭头就表示点火头燃烧时发出的噪音向下传向噪音检测元件。当火炬点火装置正常运行时，点火头有火焰燃烧，燃烧着的火焰会发出一定噪音。通过安装在火炬底部特定的噪音检测元件监测这部分噪音。如果有噪音，则表明火炬点火装置是稳定运行的，控制面板上“ON”灯会亮；没有噪音，则表明火炬点火装置失效，控制面板上的“OFF”灯就会亮。
声学监测法的主要优点就是每个火炬点火装置都配备单独的声学检测元件，因此反应更快、更准确，且声学监测法维护量小；它的缺点主要是检测距离不能超过107 m，因此不适应于那些高度很高的火炬。
3.4 火焰离子化监测法
火焰离子化监测法是采用一种独特的火焰燃烧离子化的现象来检测火炬点火装置运行状态的。当火炬点火装置的点火头有火焰在燃烧时，就会在燃烧火焰底部区域产生一块离子化气体，这块离子化的气体是导电的，且带有一定量的电流，此时就可以在点火头附近安装一个带导电芯的磁棒，如图 6所示[5]。如果火炬点火装置正常运行的话，就会有连续电流流经磁棒并最终流进接地点，该监测系统只要检测磁棒和接地点之间是否有电流通过就可以判断火炬点火装置是否运行正常。如图 6(a)所示，如果没有检测到电流，则表明火炬点火装置失效；如果检测到电流通过，如图 6(b)所示，就表明该火炬点火装置是出于燃烧状态。
火焰离子化监测法的主要优点是检测结果稳定可靠，且基本不需要任何维护操作，缺点是造价较高。
3.5 火炬点火装置监测系统比较
热电偶温度监测法、光学监测法、声学监测法和火焰离子化监测法这四种火炬点火装置监测方法的比较，如表 3所示。
表 3
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表 3 四种火炬点火装置监测方法比较
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4 工程实例
某天然气压气站火炬系统最大设计放空量是214 300 kg/h，站场内能够提供的燃料气是经脱水装置处理后的干燥天然气，试选择火炬系统点火装置。
按照火炬放空量并结合其他热辐射等要求计算得出该火炬筒体直径是DN450，火炬筒体总高是41 m，按照表 1推荐，该火炬系统可选择2套点火系统，且这两套点火系统在火炬筒体顶部对称布置，如图 7所示。按照表 2的比较，可以看出电打火的点火方式最快速，且该火炬高度不是很高易于检修，因此打火方式选择电打火方式。由于火炬高度不高，因此火炬点火装置监测系统选热电偶温度监测法，每个点火装置上都安装有一个热电偶来监测点火头的温度。点火装置材质选316不锈钢。
5 结语
在油气处理站场保证火炬系统的安全稳定运行是至关重要的，而为保证火炬系统的稳定运行必须保证火炬点火系统正常稳定地运行。本文总结了火炬点火系统的构成以及火炬点火系统的打火方式与火炬点火系统的监测方法和原理，对于火炬系统的操作和设计都具有一定的指导意义。
| [1] |
Robert Schwartz, Jeff White, Wes Bussman. The John Zink Combustion Handbook, Chapter 20, Flares[M]. Oklahoma, USA: Tulsa, 2007: 1-46.
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| [2] |
John Bellovich, Jim Franklin, Bob Schwartz. Flare Pilot System Safety[C] //ICHE, Process Safety Progress. March 2007, 26(1): 1~5.
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| [3] |
Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service, ANSI/API Standard 537[S], Second Edition, December 2008.
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| [4] |
HGT 20570.12-1995火炬系统设置[S]: 1996-05-02.
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| [5] |
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2011, Vol. 40