（中國(guó)石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆 鄯善 838202）

油田火炬放空氣回收利用研究與實(shí)施

王銀山

（中國(guó)石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆 鄯善 838202）

通過對(duì)油田火炬放空氣現(xiàn)狀的調(diào)查和對(duì)火炬放空氣回收技術(shù)的研究，針對(duì)各聯(lián)合站天然氣處理裝置火炬的不同特點(diǎn)，對(duì)油田火炬系統(tǒng)實(shí)施改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

天然氣；放空；回收技術(shù)；節(jié)能減排

一、火炬放空氣來(lái)源與現(xiàn)狀

放空火炬系統(tǒng)是石油化工企業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的安全設(shè)施，其作用是燃燒正常生產(chǎn)時(shí)和事故狀態(tài)下排放的可燃?xì)怏w。每年在火炬中被燒掉的可燃?xì)怏w量相當(dāng)可觀，為最大限度提高能源利用率，同時(shí)減少環(huán)境污染，有必要將火炬氣回收再利用。

中國(guó)石油吐哈油田分公司所屬的溫米、鄯善、丘陵、紅連、丘東聯(lián)合站在原油和天然氣處理的同時(shí)，也產(chǎn)生了部分需排放到大氣中的天然氣，由于受建設(shè)初期技術(shù)條件的限制，各聯(lián)合站的放空火炬處于常年燃燒狀態(tài)，其系統(tǒng)現(xiàn)狀見表1。

表1 各聯(lián)合站火炬放空系統(tǒng)現(xiàn)狀表

二、火炬氣回收工藝研究

火炬放空氣成分比較復(fù)雜，主要有來(lái)自聯(lián)合站兩相、三相分離器、原穩(wěn)氣及輕烴裝置，有濕氣，也有干氣。放空量受諸多因素的影響波動(dòng)較大。

本次研究主要是正常工況下回收火炬放空天然氣、消滅火炬；事故工況下和放空量超過回收能力時(shí)候，確保自動(dòng)點(diǎn)火成功率100%，并且在當(dāng)?shù)貝毫託夂驐l件下，火炬能穩(wěn)定燃燒，保證油田生產(chǎn)安全。

1．工藝方法研究

(1)工藝流程

方案一：從火炬總管上引出放空氣到回收壓縮機(jī)入口，增壓后再進(jìn)到輕烴裝置入口分離器流程；或者直接進(jìn)到干氣外輸管線，同時(shí)用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火，達(dá)到火炬放空氣回收利用的目的（圖1）。溫米、丘東火炬回收適合該方案。

圖1 正常工況回收、事故工況放空示意圖

方案二：充分利用現(xiàn)有流程設(shè)備，對(duì)原穩(wěn)壓縮機(jī)吸氣流程做適當(dāng)調(diào)整，從火炬總管上引出火炬氣到原穩(wěn)壓縮機(jī)入口，利用原穩(wěn)壓縮機(jī)的富裕回收能力回收火炬放空氣，火炬總管線上增加氣動(dòng)蝶閥控制火炬總管壓力、并聯(lián)爆破片旁通流程及手動(dòng)閘閥回路，用阻火器防止回火。鄯善、丘陵火炬回收適合該方案。

在正常工況下，采用以上2種方案可以實(shí)現(xiàn)火炬氣回收利用，達(dá)到消滅火炬的目的。在事故放空狀態(tài)或超過壓縮機(jī)最大回收能力時(shí)，氣體突破水封或氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥打開，排放燃燒。

(2)回收壓縮機(jī)選型

壓縮機(jī)是火炬氣回收的關(guān)鍵設(shè)備，因此壓縮機(jī)的選型很重要，以下對(duì)3種壓縮機(jī)從投資、運(yùn)行費(fèi)用等方面進(jìn)行比選（表2）。

表2 壓縮機(jī)選擇對(duì)比表（以30 000m3/d回收能力為例）

根據(jù)上表的比較。選擇螺桿壓縮機(jī)，其投資適中、運(yùn)行費(fèi)用較低、適應(yīng)火炬氣氣量波動(dòng)較大的特點(diǎn)，容易使用變頻控制方式跟蹤連續(xù)調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強(qiáng)。

(3)高空火炬點(diǎn)火方式

目前，各聯(lián)合站火炬均采用人工手動(dòng)點(diǎn)火，難度較大，且不安全，現(xiàn)有技術(shù)成熟的高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置，可保證點(diǎn)火成功率達(dá)100%。

高空點(diǎn)火裝置由自動(dòng)點(diǎn)火控制PLC柜、火焰探測(cè)、火炬流量檢測(cè)、火炬壓力檢測(cè)、高能點(diǎn)火發(fā)生器、高壓電纜、抗蝕電極發(fā)弧裝置、電磁閥組以及高空點(diǎn)火槍組成。

PLC接收火炬總管壓力、火焰探測(cè)等信號(hào)，接收壓縮機(jī)組PLC控制信號(hào)，并根據(jù)火炬總管壓力設(shè)定值，結(jié)合火焰探測(cè)等信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火算法，觸發(fā)高空點(diǎn)火裝置，用高空點(diǎn)火槍引燃火炬。

(4)防回火措施

火炬發(fā)生回火是嚴(yán)重的事故危害，必須嚴(yán)加防范。火炬系統(tǒng)可設(shè)置分子密封器、水封罐、阻火器3種防止回火措施。

分子密封器是保證火炬筒體發(fā)生回火普遍采用的設(shè)備，向分子密封器內(nèi)通入惰性氣體氮?dú)?。由于目前各個(gè)聯(lián)合站沒有制氮裝置，現(xiàn)場(chǎng)沒有氮?dú)饪捎?，因此，分子密封器不適合做為防回火措施。

水封罐能夠可靠的保護(hù)火炬排放系統(tǒng)，即使發(fā)生了回火事故，火焰?zhèn)鞑ブ了饷婕幢蛔柚?。水封罐要有自?dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，但是由于冬季氣溫低，易發(fā)生凍堵，要做好防凍措施。

在進(jìn)火炬筒體前的火炬總管上安裝阻火器，能有效阻止火焰向工藝系統(tǒng)傳播。

2．研究結(jié)論

五座聯(lián)合站的火炬現(xiàn)狀是均采用人工手動(dòng)點(diǎn)火，放空燃燒處理，總的放空量約30 000～70 000m3/d，無(wú)火焰監(jiān)測(cè)熄火報(bào)警裝置和自動(dòng)點(diǎn)火裝置，一旦熄滅，點(diǎn)火難度較大。

回收工藝流程，主要是選擇螺桿壓縮機(jī)或?qū)υ€(wěn)壓縮機(jī)吸氣流程做適當(dāng)調(diào)整，回收火炬放空氣，技術(shù)是可行的；設(shè)置火焰監(jiān)測(cè)和高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置，保證點(diǎn)火成功率；設(shè)置水封罐或阻火器，防止發(fā)生回火事故。

三、項(xiàng)目實(shí)施

吐哈油田火炬放空氣回收工程被列為2006年股份公司的重點(diǎn)環(huán)保節(jié)能項(xiàng)目，同年3月開始設(shè)計(jì)，9月開工建設(shè)，12月正式投運(yùn)。

1．實(shí)施的主要內(nèi)容

(1)溫米油田：選用22 000m3/d的螺桿壓縮機(jī)，額定排氣壓力0．35MPa，壓縮機(jī)采用空冷方式。用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火。設(shè)高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置和配套FCS控制系統(tǒng)，設(shè)水封罐及自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、并聯(lián)爆破片旁通回路。

(2)丘陵油田：對(duì)原穩(wěn)壓縮機(jī)吸氣流程進(jìn)行調(diào)整，從火炬總管上引出放空氣到原穩(wěn)壓縮機(jī)入口，利用原穩(wěn)壓縮機(jī)的富裕回收能力，增壓后再進(jìn)到輕烴裝置入口，回收火炬放空氣?；鹁婵偣芫€上設(shè)置氣動(dòng)蝶閥控制總管壓力，設(shè)高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置和配套的FCS控制系統(tǒng)。

(3)丘東氣田：選用回收能力28 000m3/d的螺桿壓縮機(jī)，額定排氣壓力0．9 MPa，采用水冷方式。用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火。設(shè)高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置和配套的FCS控制系統(tǒng)，設(shè)水封罐及自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)、并聯(lián)爆破片旁通回路，更新火炬頭。螺桿壓縮機(jī)回收簡(jiǎn)易工藝流程自控圖見圖2。

圖2 火炬氣回收簡(jiǎn)易工藝流程圖

2．主要應(yīng)用設(shè)備

(1)螺桿壓縮機(jī)參數(shù)

機(jī)組型式：噴液內(nèi)冷變頻調(diào)節(jié)雙螺桿壓縮機(jī)；機(jī)組功率：185kW（丘東）、90kW（溫米）；吸入壓力/溫度：0～50 kPa/-5～50℃；排氣量：15m3/min（溫米），20m3/min（丘東）；排氣壓力/溫度：0．35MPa/75℃（溫米）、0．9MPa/75℃（丘東）。

高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置

自動(dòng)點(diǎn)火裝置重點(diǎn)參數(shù)表如表3所示。

表3 自動(dòng)點(diǎn)火裝置重點(diǎn)參數(shù)表

(3)水封罐及自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)

溫米聯(lián)合站新建水封罐采用雙層孔板結(jié)構(gòu)，有利于氣液分離，減少放空氣的霧沫夾帶。

水封側(cè)設(shè)有液位計(jì)和液位變送器，液位變送器設(shè)高、低液位報(bào)警。水封罐采用高液位溢流控制水封高度。其具體參數(shù)見表4。

表4 水封罐參數(shù)表

為了提高回收系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，同時(shí)也為了減少操作強(qiáng)度，新建水封罐設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)水電磁閥。自動(dòng)補(bǔ)水設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)2種操作模式。

(4)氣動(dòng)蝶閥

丘陵聯(lián)合站初始建設(shè)沒有設(shè)置傳統(tǒng)的水封罐，本次改造考慮冬季防凍措施難度大，不考慮增設(shè)水封罐，設(shè)計(jì)采用火炬總管蝶閥，國(guó)內(nèi)首次使用。氣動(dòng)蝶閥DN500，氣關(guān)型，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，帶防爆閥位反饋。由于近年蝶閥技術(shù)發(fā)展迅速，大口徑蝶閥的密封等級(jí)能夠達(dá)到5級(jí)密封，滿足火炬氣封的要求，技術(shù)上是可行的。

氣動(dòng)蝶閥的控制引入到FCS控制系統(tǒng)中，并將閥位狀態(tài)傳到中控室顯示。

(5)爆破片

溫米和丘東聯(lián)合站水封罐各設(shè)置并聯(lián)爆破片旁通回路1套，丘陵聯(lián)合站在火炬總管氣動(dòng)蝶閥上并聯(lián)爆破片旁通回路1套，以防止水封凍堵或氣動(dòng)蝶閥故障時(shí)火炬總管的通暢，從而達(dá)到保護(hù)站內(nèi)裝置和火炬系統(tǒng)的目的。

(6)火炬頭

火炬頭采用分散火炬氣、小孔對(duì)撞的燃燒方式以達(dá)到良好的燃燒效果?；鹁骖^上設(shè)有聚火塊穩(wěn)焰器，用以保證放空氣火焰穩(wěn)定，防止火炬頭出現(xiàn)脫火現(xiàn)象?；鹁骖^參數(shù)風(fēng)表5。

表5 火炬頭參數(shù)表

(7)火炬阻火器

各聯(lián)合站設(shè)置波紋板式火炬阻火器1套。材質(zhì)304SS。

阻火器可有效防止火炬回火，產(chǎn)生的壓力降滿足火炬回收和正常排放的需要。

(8)控制系統(tǒng)

丘陵、溫米、丘東聯(lián)合站各設(shè)置SIEMENS分布式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）1套。

丘東、溫米聯(lián)合站FCS控制系統(tǒng)分別由2套 PLC控制柜、1套變頻控制柜和1套馬達(dá)配電控制中心組成。四者通過高速高可靠的Profibus總線相聯(lián)結(jié)，整合成一套既相對(duì)獨(dú)立又完整無(wú)縫的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同調(diào)度控制。

3．主要控制策略

(1)溫米、丘東聯(lián)合站

用水封高度控制火炬總管壓力。

當(dāng)總管壓力控制在1～8kPa時(shí)，放空氣回收。

當(dāng)總管壓力〉8kPa時(shí)，回收部分放空氣并啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火程序。

當(dāng)總管壓力〉12kPa時(shí)，水封罐自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)停止。

當(dāng)總管壓力＜8kPa后，恢復(fù)補(bǔ)水到自動(dòng)模式。

當(dāng)水封罐后氣體流量大于30m3/h，且火焰探測(cè)顯示火炬熄滅時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)點(diǎn)火發(fā)生器，直到點(diǎn)火成功。

(2)丘陵聯(lián)合站

用氣動(dòng)蝶閥自動(dòng)控制火炬總管壓力。

當(dāng)火炬總管壓力在5 kPa ～35 kPa時(shí)，原穩(wěn)壓縮機(jī)入口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)開啟，正?；厥铡?/p>

當(dāng)總管壓力超過50 kPa時(shí)氣動(dòng)蝶閥開啟，啟動(dòng)點(diǎn)火程序，當(dāng)總管壓力超過100 kPa時(shí)爆破片破裂。

當(dāng)總管壓力逐漸減小到10kPa以下時(shí)，火炬調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

四、火炬放空氣回收效果評(píng)價(jià)

油田火炬放空氣回收項(xiàng)目實(shí)施后，回收火炬放空氣約52 000m3/d（其中溫米聯(lián)合站20 000m3/d，丘東聯(lián)合站25 000m3/d，丘陵聯(lián)合站7 000m3/d），每年回收天然氣0．156億m3，回收的天然氣進(jìn)入輕烴裝置再處理加工，經(jīng)計(jì)算折合生產(chǎn)混輕約11t/d，運(yùn)行時(shí)效按300d/a計(jì)算，天然氣價(jià)格按吐哈0．616元/m3，混輕價(jià)格按4 500元/d計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出：每年天然氣的產(chǎn)值960．96萬(wàn)元；每年混輕的產(chǎn)值1 485萬(wàn)元；年總產(chǎn)值2 445．96萬(wàn)元。

依托各采油廠現(xiàn)有人員統(tǒng)一管理，不需要增加定員，成本主要是壓縮機(jī)的耗電和維護(hù)費(fèi)用，溫米、丘東2臺(tái)耗電198萬(wàn)kW·h/a，年電費(fèi)162．23萬(wàn)元。溫米、丘東、丘陵各聯(lián)合站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用估算為300萬(wàn)元。年運(yùn)行成本=電費(fèi)+運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用=462．23萬(wàn)元。

新增利稅=年產(chǎn)值×17%=415．81萬(wàn)元。年純利潤(rùn)=年產(chǎn)值-年運(yùn)行成本-新增利稅=1 567．92萬(wàn)元。該項(xiàng)目投資967．22萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為967．22: 2 445．96=1:2．53。

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果來(lái)看，工藝流程簡(jiǎn)化，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，項(xiàng)目具有良好贏利能力。

五、推廣應(yīng)用前景

研究成果適用于聯(lián)合站或天然氣處理裝置火炬氣的回收應(yīng)用，既可利用已建設(shè)施，減少占地面積、降低運(yùn)行成本、減少投資，也可進(jìn)行局部改造提高處理能力。也適用于邊遠(yuǎn)單井天然氣的回收利用。本成果目前已在溫米、丘東、丘陵聯(lián)合站的火炬中進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)國(guó)內(nèi)其他油田的火炬氣的回收具有借鑒意義。

[1] 陳永江．火炬氣回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．石油化工設(shè)計(jì)，2002(3)：25-30．

[2] 李國(guó)誠(chéng)，何祥初等．吐哈油田自動(dòng)化系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]．吐哈油田科技論文．哈密：中石油吐哈油田公司，1997．

[3] 天然氣礦場(chǎng)集輸與處理[M]．石油工業(yè)出版設(shè)，2004．

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