氨火炬点火系统故障分析及技术改造

陈凤壮，吴桂波，梁其奋

(海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600)

海洋石油富岛有限公司(简称富岛公司)化肥一部拥有1套以天然气为原料的年产30万t合成氨装置，采用ICI-AMV工艺。装置设有氨罐区，在尿素装置停车或当氨产量超过尿素装置的需要时贮存成品液氨。氨罐区包括2个3 667 m3氨罐、小冰机、氨泵、氨加热器、氨火炬、呼吸槽等主要设备。

氨火炬通过天然气进行引燃，用于处理正常操作时常压氨罐区连续、间歇,以及事故或非正常工况下排放气氨，共有3个长明灯等角度分布在火炬排放口周围，火炬高28 m，筒体从下往上分为3段，由粗到细分布，直径分别为1 524.0 mm、914.4 mm、558.8 mm。进入氨火炬的介质共有3路，分别是氨罐气氨放空管、罐区气氨放空总管和罐区液氨排放总管。氨火炬燃烧器引燃天然气也分3路，分别为氨火炬顶部长明灯燃气管、进入气氨放空管的掺烧管线和氨火炬点火系统燃料管线。氨火炬点火系统采用地面爆燃点火方式，由天然气和压缩空气按一定的配比混合形成爆燃性气体，通过电弧打火爆燃后再通过3根传焰管引燃氨火炬顶部长明灯。

1 存在的问题

(1) 点火成功率低，火焰不稳定。

近几年，氨火炬点火系统点火成功率极低，甚至无法正常使用。由于氨火炬主火炬仅在有气氨放空时点燃，而进入氨火炬中的气氨并不连续，因此不能保证主火炬长期燃烧，大多时候仅有长明灯在燃烧。实际使用过程中长明灯存在火焰不稳定，易熄灭的问题。由于点火系统点火成功率低，导致长时间无法点燃长明灯，无法实现应急点火，进入氨火炬的气氨无法燃烧，而是直接排放至大气，对环境造成影响。为了加快点火速度，操作人员不得不爬上火炬顶部用火把点火，既增加了工人的劳动强度，又存在较大的高空作业安全风险。

(2) 氨火炬堵塞。

由于点火成功率低，操作人员有时会在气氨放空管线内加入天然气进行掺烧，一方面可以保证火焰的连续稳定性，另外一方面可以通过主火炬燃烧反向点燃熄灭的长明灯。但由于天然气燃烧产生的CO2和放空气中的NH3容易发生反应，产生氨基甲酸铵白色固体结晶使得氨火炬发生多次堵塞，影响氨罐区系统的正常排放。

2 原因分析

分析氨火炬点火成功率不高的主要原因有传焰管堵塞、传焰距离较长、点火技术落后。

(1) 传焰管堵塞。

原有地面爆燃点火装置及传焰管均使用碳钢材质，且传焰管连接弯头较多，容易造成杂质累积。现场割开一段传焰管进行检查，发现管内腐蚀情况严重，存在大量铁屑杂质，特别是在弯头处堵塞情况严重。检查点火系统前空气和燃气管线过滤器，同样发现大量杂质(见图1)。

图1 氨火炬点火系统传焰管堵塞

(2) 传焰距离较长。

点火系统的燃气和空气管线,以及3根传焰管的直径均为25.4 mm，点火压力为0.1 MPa，每根传焰管长度约81 m，由16个直角弯头连接。氨火炬点火系统安装之初虽然可以实现点火，但是该设计存在传焰动力不足的潜在隐患。由于传焰阻力增加，传焰动力不足的问题日益显现，检查显示实际传焰距离为35～40 m，火焰无法顺利传至长明灯，从而造成点火失败。

(3) 点火技术落后。

地面爆燃点火技术中空气和燃气的配比十分关键，实际使用中大多存在点火成功率不足的问题[1-2]，而原有的点火系统中空气和燃气均为压力控制，没有安装流量指示计，无法有效控制空气和燃气的流量配比，导致操作人员点火成功率不高。此外,富岛公司一期氨火炬已投用23 a且一直没有进行改造，仅有1套地面爆燃传焰式点火装置，没有备用点火装置，不符合相关规范要求。地面爆燃点火技术已经明显落后，点火成功率明显低于高能点火器。

3 技术改造

针对以上问题，富岛公司一期先后对氨火炬进行点火室移位改造和点火系统更新改造。

3.1 点火室移位

将地面爆燃点火系统，包括相关管线的阀组整体向火炬方向迁移，具体迁移位置见图2。同时,将点火室后的传焰管全部更换直径为25.4 mm的不锈钢管。技术改造后的点火室与氨火炬的实际距离为2.5 m，点火室至氨火炬顶部的传焰管实际长度为31 m左右，相比改造前的传焰管长度减少了近50 m，其中每根传焰管的直角连接弯头减少了8个。

图2 氨火炬点火室移位改造图

3.2 点火系统改造

(1) 新增3个高空高能点火器。

针对现有地面爆燃点火系统点火成功率不高，且没有第二种点火方式的情况，在每个长明灯配套新增1个S31008材质的高能点火器，通过点燃高能点火器后引燃长明灯，进而点燃主火炬(见图3)。高能点火系统主要包含高空高能点火器、高压发生器组、高压抗腐蚀电极、金属裸线、高压石英连接装置、高压电缆等部件(见图4)。高能点火器采用内传递、负压式结构设计，具有定向导火、点火可靠、自然配风等特点。高能点火器的工作原理是利用防风传焰筒内的少量燃气将火源装置中的电弧火花上传，点燃出口处火焰喷嘴的燃气，形成二次火源。该设计使得火源装置远离火焰区，可有效提高火源装置的使用寿命，同时也加大了点燃火炬的二次火源能量，提高点火可靠性。高压发生器采用内封闭式双极点火设计，能够同时输出±7.5 kV 电压经两电极放电，当装置内部某部分绕组出现故障时，高空点火器两电极中的某一电极仍能对地放电实现正常点火，能在大风、大雨、大雾潮湿、高温等恶劣环境下使用。高压辅助系统采用裸导线配合石英设计，具有抗高温、抗腐蚀、抗氧化、使用寿命长等优点[3-4]。

图3 氨火炬点火系统改造流程图

(a) 改造前的地面爆燃点火系统

高空高能点火器操作简单，现场实际点火成功率超过95%，点火步骤为：①确认燃料气正常；②把点火切换开关切换到手动，确认高压发生器工作正常；③把点火切换开关切换到一键点火；④按下一键点火开关，同时打开点火器与长明灯手阀，点燃长明灯；⑤若长明灯没有被点燃，应关闭点火器与长明灯手阀，等待3～5 s后，再次重复第④步操作，重复次数不得大于3次。

(2) 更换1套地面爆燃点火器。

新地面爆燃点火器采用S30408材质，主要包含切断阀、减压阀、压力表、调节阀、流量计、爆燃室、传焰管等部件。新装置在空气管线和燃气管线上均设置有流量计，运用调压稳流技术保证混合气体的配比浓度，可根据现场流量计的指示准确调节阀门的开度，确定燃气和空气配比后保持不变，确保点火成功率。

(3) 更换3套节能型长明灯。

原长明灯火焰管线存在管线堵塞、燃烧头损坏、易熄灭问题，对3套长明灯全部进行更换。长明灯通过调节合适的燃气空气混合比例并保持一定的出口速度提升抗风能力，同时通过减小燃气喷孔尺寸实现节约燃气的目的。

4 改造效果

改造完成后，点火成功率大大提高，改造数据对比见表1。

表1 改造前后主要参数对比

5 结语

富岛公司化肥一部氨火炬点火系统单一且技术落后，点火成功率较低，操作人员不得不通过点燃火把引燃长明灯的方式点燃火炬，不但无法及时点燃火炬且大大增加操作风险。为解决此问题，从燃料气热值、爆燃气压力、传焰管堵塞、传焰管长度及点火技术方面进行研究，经过2次改造，成功地解决了氨火炬点火系统的故障问题，提高了氨罐区氨火炬运行的安全和稳定性。