吳付洋，郭永強(qiáng)，程小路，周忠強(qiáng)，劉 彬，李 希，王 昊

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

蘇里格氣田常壓火炬與音速火炬應(yīng)用效果分析

吳付洋1，2，郭永強(qiáng)2，程小路2，周忠強(qiáng)2，劉 彬2，李 希2，王 昊2

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

為減少事故狀態(tài)下排放的天然氣對環(huán)境的污染，蘇里格氣田設(shè)計(jì)使用高低壓火炬放空系統(tǒng)用于處理廠及來氣干線緊急事故狀態(tài)天然氣的燃燒泄放。本文通過對常壓高架火炬和音速高架火炬系統(tǒng)工藝流程、設(shè)計(jì)初衷、事故狀態(tài)下天然氣燃燒泄放能力等重要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，提出了常壓火炬及音速火炬在日常生產(chǎn)出現(xiàn)的問題及對應(yīng)的解決措施，對火炬日常應(yīng)用有指導(dǎo)性意義。

處理廠；常壓火炬；音速火炬；泄放量

為保證蘇里格氣田天然氣處理廠在事故和檢修狀態(tài)下全廠設(shè)備裝置的安全，蘇里格各天然氣處理廠均設(shè)置了火炬放空系統(tǒng)（見圖1）。火炬筒上部設(shè)有分子封，密封氣為燃料氣，該燃料氣由處理廠系統(tǒng)提供，火炬筒始終保持微正壓，以防止火炬筒中形成爆炸性氣體，在放空時(shí)引起爆炸，毀壞火炬放空系統(tǒng)影響處理廠安全生產(chǎn)。設(shè)計(jì)合理的放空火炬能保證火炬燃燒效率、熱輻射、氣體擴(kuò)散和火雨等達(dá)到環(huán)境保護(hù)的有關(guān)要求，有效減輕污染，保護(hù)天然氣處理廠的安全生產(chǎn)[1，2]。

圖1 火炬放空系統(tǒng)工藝流程圖

1 常壓高架火炬與音速火炬運(yùn)行效果分析

放空火炬的類型根據(jù)泄放的流速可分為音速火炬和非音速火炬。蘇里格天然氣處理廠內(nèi)集氣、配氣、高壓燃?xì)鈪^(qū)、增壓站、脫烴脫水裝置等區(qū)域天然氣排放壓力較低壓燃?xì)鈪^(qū)、60 m3緩沖罐、閃蒸分離、凝析油穩(wěn)定等區(qū)域天然氣排放壓力高，且差別較大，為保證天然氣處理廠在檢修及緊急狀況下的安全生產(chǎn)，蘇里格天然氣處理廠均設(shè)置高、低壓兩套放空管網(wǎng)，為節(jié)約投資、控制成本，高、低壓火炬共用一個(gè)塔架，蘇里格天然氣處理廠設(shè)置火炬高為78 m～80 m。

1.1 設(shè)計(jì)初衷

依據(jù)《SH3009-2010石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《SH3009-2013石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.2節(jié)多套工藝裝置可燃性氣體排放量疊加原則，即（1）全廠最大排放量不考慮所有裝置均同時(shí)排放的最大量排放；（2）每個(gè)排放系統(tǒng)在同一事故中的最大排放量，按排放量最大裝置排放量的100%與其余裝置排放量的30%計(jì)算（體積流量），但不應(yīng)低于系統(tǒng)中兩個(gè)不同裝置最大排放單點(diǎn)的總量；（3）排放量最大的裝置排放量的100%與全廠剩余裝置排放量的30%之和作為確定火炬安全區(qū)域的設(shè)計(jì)排放量[1]，及現(xiàn)有天然氣處理廠火炬放空自控連鎖設(shè)置等級可見，設(shè)計(jì)緊急事故下天然氣泄放量偏大，增加了設(shè)備投資，浪費(fèi)了能源。

蘇里格天然氣處理廠均采用ESD緊急停車系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、裝置、全廠連鎖放空/連鎖不放空四級自動(dòng)、手動(dòng)緊急停車。因此，在滿足天然氣處理廠緊急狀況下天然氣泄放要求的同時(shí)，考慮將天然氣放空系統(tǒng)與ESD緊急停車系統(tǒng)有效結(jié)合，最大限度地減少天然氣泄放量。根據(jù)美國石油協(xié)會(huì)推薦減壓、降壓指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)APIRP521中規(guī)定：火災(zāi)泄壓放空通常根據(jù)輸送介質(zhì)是否含有輕烴來設(shè)置泄放壓力。對于輸送介質(zhì)含輕烴的裝置，應(yīng)在15min內(nèi)使其壓力降至690 kPa或壓力降至容器設(shè)計(jì)壓力的50%，并取其較低值；對于輸送介質(zhì)不含烴的裝置，考慮15min內(nèi)使其壓力降至容器設(shè)計(jì)壓力的50%。而天然氣放空為瞬態(tài)過程，因此，天然氣處理廠天然氣放空初期的氣源壓力，決定了其最大泄放量，天然氣處理廠管網(wǎng)內(nèi)天然氣儲量是天然氣泄放量的重要影響因素（見圖2、圖3）。

由圖2、圖3可知火炬泄放量和放空壓力均隨放空時(shí)間變化而變化，即隨著放空時(shí)間的增加，火炬泄放量和放空壓力均越來越小。為避免緊急狀況下，處理廠各設(shè)備同時(shí)緊急切斷并泄壓所造成的火炬瞬時(shí)泄放量、火炬頭備壓及震動(dòng)過大，引發(fā)安全生產(chǎn)事故。蘇里格某天然氣處理廠根據(jù)現(xiàn)有ESD（Emergency Shut Down System）緊急停車系統(tǒng)固有特點(diǎn)，針對處理廠緊急狀況下各設(shè)備區(qū)域緊急切斷放空時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，將各設(shè)備區(qū)域緊急切斷并泄放時(shí)間由同時(shí)切斷泄壓改為不同區(qū)域緊急切斷并泄壓先后間隔15 s，有效降低了緊急狀況下設(shè)備泄壓放空所造成的火炬頭強(qiáng)烈震動(dòng)及次生危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

圖2 火炬放空量變化曲線圖

圖3 火炬放空壓力變化曲線圖

1.2 泄放量及安全性

火炬放空氣體的速度一般用馬赫數(shù)來計(jì)算衡量。馬赫數(shù)是表示聲速倍數(shù)的數(shù)，即一倍聲速，記為Ma，定義為流場中某點(diǎn)的速度v同該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀賑之比，即Ma=v/c。APIRP521中規(guī)定：當(dāng)場、站發(fā)生緊急事故造成停工，原料或產(chǎn)品氣體需全部排放時(shí)，可取0.6 Ma；單個(gè)裝置事故或停產(chǎn)檢修時(shí)，可取0.2 Ma[1]。

天然氣長輸管道站、場的慣用方法為以20%聲速為基礎(chǔ)作為火炬出口速度來決定火炬的尺寸。公式如下：

其中：D-火炬筒體出口直徑（m）；A-火炬筒體出口截面積，即火炬頭有效流通面積（m2）；F-放空氣體的體積流量（m3/s）；V-火炬出口氣體允許線速度（m/s）；m-馬赫數(shù)；K-放空氣體絕熱系數(shù)；P-理想氣體常數(shù)，取8.314。

1.2.1 常壓高架火炬 以蘇里格第六天然氣處理廠為例。根據(jù)《天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范》SY/T0011-2007中6.1.19的規(guī)定，進(jìn)入天然氣凈化廠的天然氣管道上的截?cái)嚅y前應(yīng)設(shè)置安全閥和泄壓放空閥，放空量均應(yīng)為原料氣全量[2]。蘇里格第六天然氣處理廠不考慮所有干線放空量疊加，選擇輸氣量最大的蘇6-4干線840×104m3/d（35×104m3/h）為干線放空量。因此，火炬及放空系統(tǒng)按35×104m3/h放空量進(jìn)行設(shè)計(jì)，即最大放空量F為840×104m3/d；高壓放空火炬管徑為DN700，低壓放空火炬管徑為DN200，取D=700mm；絕熱系數(shù)K由放空氣體組分決定，蘇里格第六天然氣處理廠放空氣體中90%以上為甲烷，而甲烷氣體的絕熱指數(shù)約為1.3，因此，近似取放空氣體絕熱系數(shù)K=1.3；氣體的摩爾質(zhì)量M由氣體組分決定，同上，甲烷的相對分子質(zhì)量為16g/mol，因此近似取M=16g/mol；將該氣體視為理想氣體，則R=8.314。在一定的溫度、壓力下，由上述公式（1）、（2）可得：

當(dāng)t取最低溫度-20℃時(shí)，m=0.610；當(dāng)t取最高溫度35℃時(shí)，m=0.553。

由此可知，蘇里格第六天然氣處理廠緊急狀態(tài)下，放空量最大時(shí)，環(huán)境溫度取值-20℃～35℃時(shí)，m＜0.6，基本符合APIRP521設(shè)計(jì)規(guī)定。因此，該處理廠設(shè)計(jì)使用常壓高架火炬即可滿足生產(chǎn)需求。

1.2.2 音速高架火炬 以蘇里格第四天然氣處理廠為例，蘇里格第四天然氣處理廠考慮所有干線放空量疊加。因此，火炬及放空系統(tǒng)按63.13×104m3/h放空量進(jìn)行設(shè)計(jì)，即最大放空量F為1515.12×104m3/d；高壓放空火炬管徑為DN700，低壓放空火炬管徑為DN200，取D=700mm；絕熱系數(shù)K由放空氣體組分決定，由蘇里格第四天然氣處理廠放空氣體的組分可知，放空氣體中90%以上為甲烷，而甲烷氣體的絕熱指數(shù)約為1.3，因此，近似取放空氣體絕熱系數(shù)K=1.3；氣體的摩爾質(zhì)量M由氣體組分決定，同上，甲烷相對分子質(zhì)量為16g/mol，因此近似取M=16g/mol；將該氣體視為理想氣體，則R=8.314。在一定的溫度、壓力下，由上述公式（1）、（2）可得：

當(dāng)t取最低溫度-20℃時(shí)，m=1.10；當(dāng)t取最高溫度35℃時(shí)，m=0.998。

由此可知，蘇里格第四天然氣處理廠緊急狀態(tài)下，放空量最大時(shí)，環(huán)境溫度取值-20℃～35℃時(shí)，m＞0.6，不符合APIRP521設(shè)計(jì)規(guī)定。按APIRP521要求可知，放空天然氣速度最大馬赫數(shù)不能超過0.7，否則容易發(fā)生溢流，造成放空管線及火炬抖動(dòng)，引發(fā)安全事故。因此，蘇里格第四天然氣處理廠設(shè)計(jì)選用音速火炬，將其火炬頭設(shè)計(jì)成了7個(gè)φ270的小火炬頭，增加了火炬釋放面積，增大了空氣通入量，滿足了生產(chǎn)需求。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.3.1 常壓高架火炬

優(yōu)點(diǎn)：常壓火炬主要用于燃燒效率高、低輻射、無煙燃燒、燃?xì)鈮毫Φ?、帶液量少的放空場所。常壓火炬放空口無背壓，放空沖擊力小，不易發(fā)生火炬“脫火”現(xiàn)象，火炬使用壽命較長，該火炬運(yùn)行維護(hù)簡單，操作費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：火炬燃燒有效面積小，天然氣泄放燃燒速率較慢，單位時(shí)間內(nèi)泄放量少。

1.3.2 音速高架火炬

優(yōu)點(diǎn)：音速火炬主要用于燃燒效率高、低輻射、無煙要求高、燃?xì)鈮毫^高帶液量較少的放空場所。

缺點(diǎn)：音速火炬獨(dú)特的噴嘴設(shè)計(jì)使得一定壓力的氣體通過文丘里噴嘴使氣流速度達(dá)到或者接近當(dāng)?shù)匾羲伲浠鹁骖^背壓可達(dá)0.6MPa，高壓差、高流速是其核心技術(shù)，因此，高流速的放空氣對音速火炬頭沖擊力偏大，火炬頭震動(dòng)大，造成火炬頭易破損，放空泄壓時(shí)，易造成火炬“脫火”且其運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、操作費(fèi)用高，約為常壓火炬的3倍。

2 音速火炬存在的問題及解決措施

2.1 存在問題

2013年蘇里格天然氣處理廠（2011年投產(chǎn)）在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)高壓火炬頭放空主火筒與分火筒的焊接部位出現(xiàn)多處裂縫，2014年發(fā)現(xiàn)火炬焊縫開裂，瀕臨脫落，十分危險(xiǎn)，因此，蘇里格天然氣處理廠于2014年8月1日-2014年8月7日，對焊縫進(jìn)行了補(bǔ)焊維修，維修后正常運(yùn)行。同年12月，高壓火炬焊縫再次開裂，并再次對裂縫處進(jìn)行補(bǔ)焊，以保證處理廠安全生產(chǎn)。

2.2 解決措施

（1）蘇里格各天然氣處理廠均采用ESD四級緊急停車系統(tǒng)，且其與處理廠放空系統(tǒng)有效連鎖，建議優(yōu)化處理廠ESD緊急停車系統(tǒng)，采用各設(shè)備區(qū)域延時(shí)放空，降低單位時(shí)間內(nèi)天然氣泄放量，減小火炬放空壓力。

（2）常壓火炬震動(dòng)小、破損率低、維修簡單，壽命長，而蘇里格各天然氣處理廠來氣壓力均為2.0MPa～2.4MPa，增壓后壓力均為 4.4MPa～4.8MPa，鑒于蘇里格天然氣處理廠（設(shè)計(jì)年集輸處理能力為50×108m3）投產(chǎn)至今火炬放空系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，建議將音速火炬更換為常壓火炬。

（3）建議每年至少組織兩次火炬定檢，尤其對火炬頭焊縫處進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

（4）日常生產(chǎn)中密切關(guān)注火炬頭燃燒變化，發(fā)現(xiàn)異常情況，如火炬分火筒燒裂等，及時(shí)處理，保證處理廠安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本文從天然氣處理廠火炬選型設(shè)計(jì)初衷、火炬泄放量、安全性能、優(yōu)缺點(diǎn)及生產(chǎn)中存在的問題等方面對蘇里格氣田所采用的音速高架火炬和常壓高架火炬進(jìn)行了淺要的分析、討論。由上述可知，常壓高架火炬完全可以滿足當(dāng)前處理廠事故狀態(tài)下的天然氣泄放工作，且其設(shè)計(jì)優(yōu)良、投資小、泄放量少、故障率低、維修便捷、使用壽命長，因此建議，蘇里格各天然氣處理廠更換音速火炬為常壓火炬。

［1]SH3009-2013.石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2013.

［2]SY/T0011-2007.天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2007.

TE966

A

1673-5285（2017）09-0051-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.013

2017－08-28