周自武　劉幫文（中國(guó)石油吐哈油田分公司鄯善采油廠）

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油田火炬放空天然氣回收利用實(shí)施

周自武劉幫文（中國(guó)石油吐哈油田分公司鄯善采油廠）

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，其作用在正常生產(chǎn)時(shí)和事故狀態(tài)下排放可燃?xì)怏w。通過對(duì)溫米、丘陵、丘東等油田的火炬放空氣體進(jìn)行回收，回收天然氣每標(biāo)準(zhǔn)約52 000 m3/d，回收混輕約11 t/d，年產(chǎn)值2 445.96萬(wàn)元，年純利潤(rùn)1 567.92萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比1∶2.53。實(shí)現(xiàn)天然氣節(jié)能環(huán)保的目的，為其它油田推廣應(yīng)用火炬放空氣回收利用提供了借鑒的依據(jù)。

天然氣放空回收技術(shù)壓縮機(jī)

溫米、鄯善、丘陵、紅連、丘東油田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)。放空燃燒天然氣約每標(biāo)準(zhǔn)3×104～7×104m3/d。

1　火炬天然氣回收工藝

火炬放空天然氣來源比較復(fù)雜，主要有來自聯(lián)合站兩相、三相分離器以及原穩(wěn)氣。放空量受諸多因素的影響，研究主要是正常工況下回收火炬放空天然氣，事故工況下火炬能安全燃燒，保證油田生產(chǎn)安全。

1.1工藝技術(shù)

1）工藝流程。從火炬總管上引出天然氣到回收壓縮機(jī)入口，增壓后再進(jìn)到輕烴裝置回收處理，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，達(dá)到安全回收利用的目的。

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，見表1。

根據(jù)表1（以30 000 m3/d回收能力例）可知。選擇螺桿壓縮機(jī)，其投資適中，運(yùn)行費(fèi)用較低，對(duì)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，不安全，該項(xiàng)目使用現(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控制系統(tǒng)接收火炬總管壓力、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?；鹁姘l(fā)生回火是會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的事故，應(yīng)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，分子密封器不適合作為防回火措施。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　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，2006年3月開始設(shè)計(jì)，9月開工建設(shè)，12月正式投運(yùn)。

2.1主要內(nèi)容

1）溫米油田，選用22 000 m3/d（標(biāo)況）的螺桿壓縮機(jī)，額定排氣壓力0.35 MPa，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?；厥漳芰?，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28 000 m3/d（標(biāo)況）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1。

表1　壓縮機(jī)選擇對(duì)比

圖1　火炬氣回收簡(jiǎn)易工藝流程圖

2.2主要應(yīng)用設(shè)備

2.2.1螺桿壓縮機(jī)

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：185 kW（丘東）90 kW（溫米）。吸入壓力/溫度：0～50 kPa（G）/-5～50℃。

排氣量：15m3/min（溫米），20m3/min（丘東）。

排氣壓力/溫度：0.35 MPa（G）/75℃（溫米），0.9 MPa（G）/75℃（丘東）。

2.2.2高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置

高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置克服了高空點(diǎn)火電纜易燒毀破壞絕緣以及點(diǎn)火失效的技術(shù)難題。實(shí)現(xiàn)了安全自動(dòng)點(diǎn)火的功能，并且終身免維護(hù)。高空自動(dòng)點(diǎn)火裝置參數(shù)見表2。

表2　自動(dòng)點(diǎn)火裝置重點(diǎn)參數(shù)

2.2.3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。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。

2.2.4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，改造時(shí)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，技術(shù)上是達(dá)到火炬氣封的要求，并在中控室中能顯示閥位狀態(tài)。

2.2.5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。

2.2.6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。

2.2.7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。

2.2.8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1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。

2.3主要控制策略

2.3.1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1～8 kPa時(shí)，放空氣回收；當(dāng)總管壓力大于8 kPa時(shí)，回收部分放空氣并啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火程序；當(dāng)總管壓力大于12 kPa時(shí)，水封罐自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)停止；當(dāng)總管壓力下降到8 kPa以內(nèi)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30 m3/h（標(biāo)況），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。

2.3.2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5～35 kPa時(shí)，原穩(wěn)壓縮機(jī)入口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)開啟，正?；厥?；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10 kPa以下時(shí)，火炬調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

3　效益分析

油田火炬放空氣回收項(xiàng)目實(shí)施后，回收火炬放空氣約每標(biāo)準(zhǔn)52 000 m3/d（其中溫米聯(lián)合站每標(biāo)準(zhǔn)20 000 m3/d，丘東聯(lián)合站每標(biāo)準(zhǔn)25 000 m3/d，丘陵聯(lián)合站每標(biāo)準(zhǔn)7000 m3/d），每年回收天然氣0.156× 108m3，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11 t/d，運(yùn)行時(shí)間按300天/a計(jì)算，天然氣價(jià)格按吐哈每標(biāo)準(zhǔn)0.616元/m3，混輕產(chǎn)值按4500元/d計(jì)算，每年天然氣的產(chǎn)值960.96萬(wàn)元，每年混輕的產(chǎn)值是1485萬(wàn)元，年總產(chǎn)值為2 445.96萬(wàn)元。

按運(yùn)行成本來計(jì)算依托各采油廠現(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 kWh/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462.23萬(wàn)元，增利稅415.81萬(wàn)元，年純利潤(rùn)1 567.92萬(wàn)元。該項(xiàng)目投資967.22萬(wàn)元，投入產(chǎn)出比為1∶2.53，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4　結(jié)論

研究成果適用于聯(lián)合站或天然氣處理裝置火炬放空天然氣的回收應(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。

通過對(duì)油田火炬放空氣現(xiàn)狀的調(diào)查，進(jìn)行火炬放空氣回收技術(shù)分析研究，針對(duì)各聯(lián)合站火炬的不同特點(diǎn)，采用相應(yīng)工藝成熟、安全可靠，一次性投資相對(duì)較低的回收利用新方法，成果目前2006年已在溫米、丘東、丘陵聯(lián)合站的火炬中進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)國(guó)內(nèi)其它油田的火炬氣的回收具有借鑒意義。

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.11.009

2015-05-20）

周自武，高級(jí)工程師，1992年8月畢業(yè)于西南石油學(xué)院，從事油田開發(fā)生產(chǎn)管理工作，E-mail：tiouliu@126.com，地址：新疆鄯善火車站鎮(zhèn)，838202。