天然气站场地面火炬点火系统可靠性分析--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

天然气站场地面火炬点火系统可靠性分析

发表时间：2020/8/7 来源：《基层建设》2020年第10期作者：庞金华

[导读] 摘要：分析天然气站场地面火炬点火系统的工作原理，缺陷发生的主要原因，提出了解决方案。

        浙江浙能天然气运行有限公司浙江省杭州市 310052
        摘要：分析天然气站场地面火炬点火系统的工作原理，缺陷发生的主要原因，提出了解决方案。
        关键词：地面火炬；点火嘴；陶瓷；高温；合金
        1、概述
        地面火炬可及时、安全、可靠地处理（燃烧）站场正常（事故）放空排放的天然气，满足国家现行标准和环保要求，具有安全间距小，占用土地面积小，对周围建构筑无影响小，低噪音，无光污染等环保特性。
        地面火炬系统由隔热炉体、管路系统、分级燃烧、点火控制、氮气吹扫、长明灯引燃系统（部分）组成。
        隔热炉体内设有一定数量的、结构特殊的地面燃烧器。地面燃烧器采用梅花形多孔结构，可将大股火炬气分成许多小股，使其与空气充分混合，增加与空气的接触面积，达到无烟燃烧。空气与火炬气的混合主要是依靠火炬气自身的压力和特殊设计的燃烧器来完成。
        每个地面火炬系统设置3套节能长明灯，采用镍基耐高温合金制成，并作高温陶瓷处理。每套长明灯配备1套防爆高能点火器。防爆高能点火装置工作原理：交流工频220V电压通过升压整流变换成直流脉冲电压，对储能电容器充电。当电容器上电压升至放电管击穿电压时，放电电流经放电管、扼流圈、屏蔽电缆直至在半导体电嘴间隙形成高能电弧火花。当点火器停止工作时，电容器上的剩余电荷通过泄放电阻接地。
        2、公司站场地面火炬运行情况简介
        浙江浙能天然气运行公司所属镇海站、三门站、临海站、台州站、温岭站、乐清站、北白象站、永嘉站、温州站、下沙站安装有分级控制自引风扩散式地面火炬系统。自2017年以来，地面火炬相关设备的缺陷清单如下：

        3、地面火炬缺陷分析
        从缺陷发生的原因角度分析：15条缺陷中，设计1条，进水（外力）7条，可靠性降低5条，安装问题2条。可以看出，地面火炬相关设备进水（外力）引起的缺陷占50%。
        从缺陷发生的设备对象分析：15条缺陷中，涉及高能点火系统（高能点火器4条、点火枪头4条，电缆1条）共9条，爆破片2条，执行机构1条，测温装置1条，控制系统2条。高能点火系统设备的缺陷占60%。
        从缺陷发生的站场分析：15条缺陷中，台州中心站8条，乐清站4条，温州中心站2条，永嘉1条。
        从单个设备（系统）缺陷发生原因分析：高能点火器、点火枪头8条缺陷中由于进水（外力）导致的有5条。
        对上述分析列表如下：

        通过上述分析得出如下结论：
        1）地面火炬系统缺陷中，由于进水（外力）导致的缺陷占总缺陷的47%，是缺陷的主要外因。
        2）高能点火系统设备缺陷占比最大，为60%。高能点火器、点火枪头是高能点火系统故障高发设备，两者故障率相当，且高能点火器的故障都是由进水（外力）导致。
        3）点火枪头缺陷占地面火炬系统总缺陷的26%，其中进水（外力）占6.5%，可靠性降低占13%，安装问题占6.5%。
        4、提高地面火炬系统可靠性措施
        1、降低高能点火器故障率
        所以提高高能点火器箱体防护性能，提高挠性电缆与高压电缆（高能点火器箱引出电缆）的航空插头、挠性电缆与点火枪头（或加长杆）螺纹接头的密封性，防止水汽的入侵，是降低地面火炬系统缺陷率最有效的措施。
        通过总结以往的消缺处理方法和地面火炬系统现场设备的排查，可以采取以下措施来降低高能点火系统的故障概率。
        1）、提高高能点火器箱盖与箱体的密封性，防止雨水、汽入侵。如图1所示

        图1：高能点火器箱
        高能点火系统的升压、整流、逆变电子元器件都集成在图1箱体内的高能点火器板上，是整套系统的核心设备，水、汽将导致高能点火器板上元器件绝缘击穿，因此确保箱体密封良好，防止雨水、汽进入，能有效降低高能点火器故障率。可以采取的措施有：在高能点火器控制箱上装雨棚，定期更换控制箱盖与箱体间的密封胶条，在控制箱盖与箱体密封面上打密封胶等。

        2）、提高挠性电缆与高压电缆（高能点火器箱引出电缆）的航空插头、挠性电缆与点火枪头（或加长杆）螺纹接头的密封性，防止雨水、汽入侵。如图2、3所示
        航空插头、螺纹接头均采用金属螺纹对接，无密封圈。长期暴露在空气中日晒雨淋，又无外部防护措施，雨水、汽入侵在所难免。一旦电缆芯与金属外壳间绝缘击穿，高电压将瞬间击穿高能点火器板。确保航空插头、螺纹接头密封良好，防止雨水、汽进入，能有效降低高能点火器故障率。可以采取的措施有：在接头密封面打密封胶，接头外部安装防护罩（缠绕防水胶带）等。
        2、降低点火枪头故障率
        长明灯结构如图4所示：

        图4：长明灯结构图
        图4中长明灯燃烧嘴下方右侧为引火管，左侧为进气管。天然气进入进气管，通过横向引气管进入引火管下方点火枪头管内。点火枪头工作点燃天然气并逐级向上传火，直到长明灯燃烧嘴点燃。点火枪头外形如图5、6所示：

        图5为故障的点火枪头照片，图6为半导体点火嘴。由前述得知，点火枪头因设备可靠性差导致的故障缺陷在地面火炬缺陷总数中占比只有13%，虽不是主流缺陷，但在点火枪头缺陷总数中占了50%，可见可靠性差占了主导因素。
        通过对故障点火枪头的检查，结合厂家给的指导建议，我们认为点火枪头的关键部位是点火嘴，故障的主要原因是高温。按厂家设计原理，点火枪头在引燃长明灯后枪头周围是没有天然气的，自然也不会燃烧产生高温。那么我们推断点火枪头的高温应该来自引火管的金属传热。测量点火枪头外罩温度有311℃，该温度符合厂家设计的运行温度（＜1000℃可以长期运行）。
        再仔细分析高温为什么影响点火嘴的点火效果。
        首先是点火嘴的不锈钢芯和外圆长期在高温下运行，表面缓慢氧化腐蚀，产生的锈蚀物质（如氧化铁等，如图6所示）附着在表面，改变了点火嘴的起弧特性，导致点火能量不足。
        其次是点火嘴不锈钢芯和外圆之间的材料为碳化硅，碳化硅是半导体材料，决定起弧电压、弧光均匀度等特性，是点火嘴的关键材料。碳化硅长期运行后开始龟裂老化脱落，导致点火嘴起弧特性变差，点火嘴无法点火。
        针对点火嘴金属表面氧化物，可以采用打磨方法去除氧化物，点火嘴的功能是可以恢复的。针对碳化硅材料龟裂老化脱落，一是可以从材质上改进，提供半导体材料的可靠性。二是改变运行方式，采用伸缩式点火枪头，点火时推进，备用时退回，此种方法咨询过设计厂家，考虑放空点火的紧急性和伸缩装置的可靠性，不建议采用此种方法。
        参考文献
        [1]张敏丹，胡中杰.地面火炬的设计选型[J].化工时刊，2015,5（29）
        [2]杨娜.封闭式地面火炬在天然气长输管道站场中的安全设计 [J].石化技术，2015,23（6）