Константинов В.А. "Обеспечение промышленной безопасности, а также правила устройства и эксплуатации факельных систем"

Константинов Вячеслав Алексеевич, начальник отдела АНО «СОЮЗЭКСПЕРТИЗА» ТПП РФ

Обеспечение промышленной безопасности, а также правила устройства и эксплуатации факельных систем

Факельные системы, широко используемые на объектах химического и нефтехимического производства, представляют собой комплекс оборудования, предназначением которого является сброс и последующее сжигание горючих газов в процессе переработки сырья. Данная необходимость возникает в следующих ситуациях:

• аварийные срабатывания предохранительных клапанов, гидрозатворов, других предохранительных устройств, а также аварийное высвобождение газообразных составов из технологических блоков промышленного комплекса завода в различных аварийных ситуациях;
• постоянные сдувы вещества, предусмотренные технологическим процессом;
• периодические сдувы газов при пуске, наладке, остановке технологических процессов комбината, др. [1]

Таким образом, факельные системы предназначаются для периодического, постоянного или аварийного спуска газовой среды из оборудования комбината с последующим ее сжиганием.

Разновидности факельных систем, применяемых в химическом и нефтехимическом производстве

В зависимости от назначения, факельные системы можно разделить на следующие три типа:

1. Общие.
2. Отдельные.
3. Специальные. [1]

Общая факельная установка представляет собой централизованный комплекс, к которому подключена вся газовая составляющая сбрасывающей системы работающих независимо друг от друга отдельных цехов, комбинатов, др.

В том случае, когда общая система не обеспечивает должной производительности и безопасности для подавления и переработки отходов всего производства, зачастую некоторые объекты производства ориентируют на отдельную независимую факельную установку.

В том случае, когда цеха производства в качестве выброса генерируют не совместимые для общего сгорания газы, используют специальные факельные системы, которые включают в себя следующие особенности работы и конструкции:

• смолистые и полимизирующиеся продукты, уменьшающие пропускные способности трубопроводов;
• вещества, способствующие разложению веществ в сочетании с выделением тепла;
• вещества-катализаторы, способствующие вступать в химическую реакцию с газами, направленными в систему;
• механические, агрессивные и высокотоксичные примеси, др.

Кроме того, в зависимости от давления газо-воздушной смеси, которая подается в факельную систему, оборудование можно разделить на следующие категории:

• системы низкого давления – прием выбросов происходит под низким давлением (до 0,3 МПа или 3,0 кгс/см²);
• установки высокого давления – принимают выбросы аппаратов с давлением более 0,3 МПа или 3,0 кгс/см².

Конструктивно факельные установки могут сооружаться следующих типов:

• высотные (вертикальные);
• горизонтальные;
• наземные (закрытые);
• упрощенные.

Анализ аварийных ситуаций на факельных установках и основные причины их возникновения

Как уже становится понятно, работа факельной системы связана с применением легко воспламеняемых и легко детанируемых веществ, которые, кроме всего прочего, находятся под высоким давлением. Все это в сочетании с высокими температурами при некоторых нарушениях работы системы может привести к серьезной аварийной ситуации. Как итог, – масштабные разрушения, остановка производства и финансовые потери.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что факельная система – сложный комплекс оборудования, параметры работы которого рассчитываются самым тщательным образом еще на этапе проектирования производства. Проектирование, строительство, переоснащение и эксплуатация систем сжигания газов осуществляется в соответствии с требованиями действующего законодательства, а тип оборудования выбирается компетентной специализированной проектной организацией.

Допущенные неточности и нарушения при расчетах и монтаже конструкции нередко приводят к аварийным ситуациям, основными причинами возникновения которых являются:

• проникновение воздуха в газовый коллектор факельной системы в следствие нарушения целостности трубопроводов. Чаще всего воздух к отводимому газу попадает через верхний срез коллектора при снижении рабочего давления системы;
• совмещение в факельной системе несовместимых для обработки газов или достаточно высокое содержание кислорода в среде, что крайне нежелательно с точки зрения пожароопасности;
• отсутствие или некорректная работа системы контроля рабочих параметров газовой среды;
• нарушения в конструкции и обустройстве трубопроводов (параметры залегания, наличие дренажей, т.д.);
• нарушения регламента очистки конструкции, несвоевременное удаление конденсата, т.д. [3]

Обеспечение безопасной эксплуатации факельной системы

Довольно распространенным случаем возникновения аварийной ситуации является снижение скорости движения воздушной среды и плотности газовой составляющей. Для недопущения подобной ситуации и для предотвращения попадания в контур кислорода, необходимо соблюдать следующие рабочие скоростные режимы пролета газовой среды по факельной системе:

• при наличии газового затвора – не менее 0,05 м/с;
• при отсутствии газового затвора и плотности смеси не менее 0,7 кг/м³ – 0,9 м/с;
• при отсутствии газового затвора и с использованием в качестве продувочного газа инертного азота – 0,7 м/с.

В качестве продувочного газа не рекомендуют применять топливные компоненты с плотностью менее 0,7 кг/м³.

Обеспечение правильной работы факельной системы характеризуется некоторыми расчетными параметрами. Расчеты приводятся для наименее благоприятных условий естественной тяги посредством метеоусловий: штиль с приземной концентрацией газа не более 50% от нижнего предела воспламенения. С целью снижения опасной концентрации газовой среды специалисты рекомендуют располагать сбросной патрубок в вертикальном положении. При этом, величина концентрации смеси на различном удалении от предохранительного клапана будет рассчитываться согласно одному из двух ниже приведенных выражение:

где М — количество сбрасываемого из системы газа, г/с;

d — диаметр сбросного патрубка системы, м;

V — секундный объем сбрасываемого газа при нормальном давлении, м3/с;

X —расстояние по горизонтали от сбросного патрубка до места расчета концентрация, м;

ρ_о, ρ_ов — плотность сбрасываемого газа и окружающего воздуха, кг/м3;

h — высота сбросного патрубка, м.

2. Величина необходимой максимальной приземной концентрации рабочей газовой среды определяется по формуле

3. Расстояние, где приземная концентрация будет максимальной, составляет: Хм = 10h, м.

4. Минимальную высоту выброса можно определить по формуле:

где С_н.п.в — концентрация нижнего предела распространения пламени, г/м³.

При проведении расчетов следует принимать величину скорости выхода газовой составляющей из сбросного патрубка, равной 80 м/с, а величину опасной зоны радиусом, равным Х_м. [2]

Общие рекомендации обустройства факельных систем различного типа

При работе факельной установки должны выполняться следующие условия их надежной и экологически безопасной эксплуатации:

• обеспечение стабильного горения газовой среды в различном интервале ее расходов;
• полное, бездымное сжигание компонентов как при постоянной переработке, так и в периодических и аварийных режимах работы системы;
• безопасная плотность теплового потока, исключение попадания кислородной составляющей через верхний срез коллектора, ствола, др.

Конструкция факельной системы включает в себя трубопроводы, стволы, оголовки, горелочные устройства, газозатворы, средства автоматизации работы и контроля состояния производственного процесса, подводящие трубопроводы, дистанционный устройства распала и другие устройства для безопасного сжигания газа.

Обустройство вертикальных факельных установок

Вертикальные факельные системы – один из наиболее распространенных вариантов для сброса и сжигания газовой составляющей в химической и нефтехимической промышленности, от правильной и корректной работы которой зависит как производительность предприятия в целом, так и отдельного его звена – отведение и утилизация вредных остаточных компонентов. Правильная работа факельной системы вертикального типа должна обеспечивать:

• стабильное (без срыва пламени) горение факела, что достигается использованием оборудования (стволы, оголовки, трубопроводы, др.) с размерами и параметрами, в соответствии с техническими параметрами, обсчитанными под конкретные условия;
• применение взрывозащитных устройств, действие которых также направлено на сохранение стабильного горения пламени и бесперебойной утилизации газа в частности;
• при необходимости использование устройств, действие которых направлено на предотвращение повреждений оголовков при контакте с пламенем в следствии снижения концентрации смеси;
• оснащение системы устройствами для отвода и ликвидации конденсата, а также насосами, гидрозатворами, сепараторами и другим оборудованием, способствующим более производительной и безаварийной работе горелки;
• при необходимости использование огнепреградителей;
• увеличенная полнота сжигания для предотвращения задымленности, что может достигаться следующими методами: подача к процессу горения воды или водяного пара; использование оголовков кинетического сжигания с функцией забора воздуха; регулирование соотношения скорости распространения звуковой волны со скоростью сгорания (смещение амплитудных соотношений более, чем на 0,2), др.;
• размещение расчетного количества дежурных горелок. Расчет можно выполнять в соответствии с ниже приведенной таблицей:

Факельные трубопроводы рекомендуется оборудовать подводными патрубками для дежурных горелок, а устройства поджига – устройствами подвода топливного газа. Поджиг должен осуществляться дистанционно, что дает возможность мгновенно возобновить процесс горения в нестандартных и нештатных ситуациях. Высота факельного ствола определяется в соответствии с рекомендациями [2].

Предупреждение подсосов воздуха к процессу горения должно достигаться использованием гидрозатворов с непрерывным протоком затворной жидкости. В зимний период система должна подогреваться при помощи калориферных установок. Факельная система может работать без гидрозатворов при выполнении следующих условий:

• температура пара и сбросных газов близка к температуре замерзания или кипения жидкости затвора;
• расчетное разрежение у основания ствола факела не более 500 Па.

Материал ствола, оголовков, горелок, трубопроводов должен выбираться, учитывая температуру горения и возможность прогрева конструкций. [2]

Рекомендации по обустройству горизонтальных факельных установок

Областью применения горизонтальных факельных установок является продувка скважин, шлейфов, технологических линий, другие узлы. Рекомендации по обустройству подобного рода систем сводятся к следующим требованиям:

• конструкция должна обеспечивать бездымное сжигание газовой среды;
• конструкция горелок должна обеспечивать тонкое распыление продуктов для более тщательного перемешивания с воздухом и горючими газами;
• устройства для сжигания должно размещаться на безопасном расстоянии от производственных узлов;
• применение защитных предохранительных экранов для обеспечения безопасности нахождения вблизи устройств обслуживающего персонала (плотность теплового потока не должна превышать 1,4 кВт/м²);
• прокладка трубопроводов с уклоном не менее 0,003 в сторону обвалования;
• предупреждение свободного доступа к местам обвалования и шкафам управления системой обслуживающего персонала. [2]

Закрытые факельные установки

Обустройство закрытых факельных систем должно отвечать следующим требованиям:

• использование системы с полным бездымным сжиганием газовой смеси;
• применение ограждений в камерах сжигания для предотвращения свободного доступа кислорода;
• конструкция системы должна предусматривать равномерное распределение компонентов по системе горелок;
• оснащение аппаратурой автоматического контроля за состоянием напора газовой смеси и процессом сжигания газов, др. [2]

Использованная литература:

1. Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем.

2. Руководство по безопасности факельных систем.