杜永軍,張修申

(中原油田天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

天然氣處理廠第三氣體處理廠(以下簡稱三氣廠)有兩套油田伴生氣中壓深冷處理裝置，采用膨脹制冷與丙烷輔助制冷工藝回收天然氣中輕烴。其放空火炬系統(tǒng)是用來處理裝置無法收集的可燃?xì)怏w進(jìn)行特殊燃燒設(shè)施，正常生產(chǎn)時(shí)約有6000 Nm3/d的放空氣體排放至火炬燃燒，每年被燒掉的烴類等可燃?xì)怏w量相當(dāng)可觀。

因此，天然氣處理廠研究并應(yīng)用了火炬氣回收技術(shù)，將裝置正常生產(chǎn)時(shí)的火炬氣進(jìn)行回收利用，從根本上消除由于火炬燃燒產(chǎn)生的廢氣污染，并且提高經(jīng)濟(jì)效益，符合了國家提倡的"可持續(xù)發(fā)展"的長期能源發(fā)展戰(zhàn)略思想。

1 工藝簡介

三氣廠火炬氣回收工藝采用了氣柜儲(chǔ)存加壓回收工藝，將火炬氣送至原料氣管網(wǎng)進(jìn)行再利用(見圖1)。采用該工藝可以使火炬氣在氣柜中進(jìn)行組成混合和壓力緩沖，降低了組成波動(dòng)范圍，有利于火炬氣壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定和輸出氣壓穩(wěn)定。

三氣廠火炬氣回收工藝的主要工作流程是在火炬前增加水封設(shè)施，保證放空管網(wǎng)內(nèi)存在一定壓力，使火炬氣通過入口分離器進(jìn)行氣液分離后進(jìn)入氣柜儲(chǔ)存，氣柜內(nèi)的氣體通過壓縮機(jī)送入原料氣管網(wǎng)回收利用。當(dāng)裝置出現(xiàn)事故狀態(tài)需大量放空時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉入口分離器的緊急切斷閥并打開緊急放空設(shè)施，火炬氣排放至火炬筒，應(yīng)急點(diǎn)火設(shè)施應(yīng)能保證各種情況下火炬氣的安全點(diǎn)燃。

圖1 回收系統(tǒng)工藝原則流程圖

2 火炬氣回收系統(tǒng)控制技術(shù)

系統(tǒng)控制思想的設(shè)計(jì)是火炬氣回收系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用中的關(guān)鍵，決定著系統(tǒng)是否能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)裝置的火炬氣回收的關(guān)鍵和前提是保證安全生產(chǎn)，當(dāng)裝置出現(xiàn)緊急情況，放空火炬氣回收系統(tǒng)必須完成快速、平穩(wěn)切換至火炬系統(tǒng)，并確保裝置內(nèi)的放空火炬氣安全點(diǎn)燃排放。

2.1 正常運(yùn)行控制方案

本項(xiàng)目選用的橡膠薄膜干式氣柜為恒壓設(shè)備，決定了火炬放空氣回收系統(tǒng)的壓力也是恒定的，系統(tǒng)正常運(yùn)行需要穩(wěn)定控制的是氣柜內(nèi)活塞板的高度。氣柜的活塞板高度采用螺桿壓縮機(jī)變頻調(diào)速和調(diào)節(jié)閥回流兩種方式進(jìn)行穩(wěn)定控制。本項(xiàng)目的氣柜的活塞板高度采用分程控制方式：當(dāng)活塞板較高時(shí)，提高壓縮機(jī)電機(jī)的頻率；當(dāng)活塞板較低，壓縮機(jī)電機(jī)以最低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)開啟系統(tǒng)回流調(diào)節(jié)閥。

當(dāng)氣柜活塞板高度達(dá)到低限聯(lián)鎖值，壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)。為防止原料氣管網(wǎng)的原料氣倒回至壓縮機(jī)或氣柜系統(tǒng)，壓縮機(jī)出口氣動(dòng)切斷閥關(guān)閉。再次啟動(dòng)壓縮機(jī)時(shí)，必須由操作人員對(duì)出口氣動(dòng)切斷閥進(jìn)行復(fù)位打開。聯(lián)鎖邏輯圖見圖2。

圖2 氣柜與壓縮機(jī)的聯(lián)鎖邏輯圖

水封設(shè)施采用液位檢測自動(dòng)補(bǔ)水控制，防止水封壓力過低造成放空火炬氣的泄漏；采用溫度檢測自動(dòng)控制電伴熱帶的通斷，防止溫度過低造成水的結(jié)冰。

2.2 緊急放空聯(lián)鎖控制方案

本項(xiàng)目的控制關(guān)鍵在于判斷裝置的正?；蚓o急狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖切換。通過對(duì)天然氣處理廠的兩套深冷裝置和放空火炬氣回收工藝的研究，系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)檢測點(diǎn)和控制點(diǎn)有：

(1)一、二期裝置的放空總管均應(yīng)有溫度檢測點(diǎn)，防止低溫放空火炬氣對(duì)氣柜等設(shè)備造成損壞；

(2)一、二期裝置的放空總管均應(yīng)有壓力檢測點(diǎn)，防止高壓放空火炬氣沖擊對(duì)氣柜等設(shè)備造成損壞；

(3)應(yīng)設(shè)置三個(gè)雷達(dá)物位計(jì)檢測氣柜活塞板高度，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，防止出現(xiàn)活塞板卡盤現(xiàn)象；

(4)應(yīng)在重要區(qū)域或崗位設(shè)置手動(dòng)急停開關(guān)；

(5)水封設(shè)施的下游管線上設(shè)置放空火炬氣流量檢測開關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，放空火炬氣的溫度和壓力、氣柜活塞板的高度和上升速度、流量開關(guān)的動(dòng)作的任何一項(xiàng)值出現(xiàn)超常，或者現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏或其他險(xiǎn)情，操作人員手動(dòng)啟動(dòng)緊急放空聯(lián)鎖程序，均自動(dòng)啟動(dòng)緊急放空聯(lián)鎖程序。聯(lián)鎖邏輯圖見圖3。

圖3 緊急放空聯(lián)鎖邏輯圖

2.3 應(yīng)急點(diǎn)火控制方案

該項(xiàng)目的應(yīng)急點(diǎn)火設(shè)施由火炬長明燈、高空高壓點(diǎn)火裝置、地面爆燃系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

為了確?；鹁骖^兩支長明燈保持點(diǎn)燃狀態(tài)，每支長明燈火焰溫度均用熱電偶進(jìn)行檢測，以判斷長明燈是否熄滅。如果在緊急放空時(shí)出現(xiàn)長明燈熄滅或氣體不能有效點(diǎn)燃放空氣等情況，自動(dòng)開啟自動(dòng)點(diǎn)火模式(即控制系統(tǒng)啟動(dòng)高空高壓點(diǎn)火裝置，控制流程見圖4)，確保緊急情況下火炬及時(shí)點(diǎn)燃。

地面設(shè)置紫外火焰監(jiān)測器監(jiān)測火炬頭火焰，自動(dòng)點(diǎn)火模式以火焰監(jiān)測器的信號(hào)為判斷依據(jù)，直至火炬頭點(diǎn)火成功。點(diǎn)火成功后，高空高壓點(diǎn)火裝置的所有部件等均處于復(fù)位狀態(tài)，能有效延長裝置的使用年限。聯(lián)鎖邏輯圖見圖5。

圖4 應(yīng)急點(diǎn)火控制流程圖

圖5 應(yīng)急點(diǎn)火聯(lián)鎖邏輯圖

另外，地面爆燃裝置與高壓高空點(diǎn)火裝置構(gòu)成雙重安全點(diǎn)火配置，大大提高了應(yīng)急點(diǎn)火系統(tǒng)的安全性和可用性。

2.4 緊急放空設(shè)施

裝置需要緊急放空時(shí)，回收系統(tǒng)的入口緊急切斷閥快速關(guān)閉以保證氣柜及壓縮機(jī)的安全，而緊急放空設(shè)施就成為保障放空系統(tǒng)和生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行的最重要環(huán)節(jié)。因此，本項(xiàng)目將緊急放空設(shè)施設(shè)計(jì)為緊急放空閥、水封設(shè)施、管道爆破片三個(gè)壓力依次提高的冗余設(shè)置(見圖6)，確保了系統(tǒng)安全性和可用性。

緊急放空閥優(yōu)選為氣動(dòng)快速球閥，具有結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)靈敏，動(dòng)作可靠等特點(diǎn)，滿足快速切換的要求。氣動(dòng)快速球閥采用雙冗余安全設(shè)置(兩個(gè)快速球閥并聯(lián))，該球閥的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)在5s以內(nèi)，確保放空系統(tǒng)安全。

圖6 緊急放空設(shè)施

2.5 輔助控制措施

氣柜頂部安裝有三只雷達(dá)探測器，檢測活塞板的高度后將數(shù)據(jù)送入中控室的DCS操作界面，氣柜外壁的三只平衡配重塊也起到了現(xiàn)場檢查活塞板高度的作用。當(dāng)氣柜持續(xù)上升到高高位報(bào)警時(shí)，氣柜入口閥門聯(lián)鎖啟動(dòng)，氣柜入口氣動(dòng)閥門自動(dòng)關(guān)閉。一旦出現(xiàn)氣柜聯(lián)鎖失效或進(jìn)口氣動(dòng)閥門故障，導(dǎo)致活塞板繼續(xù)上升，活塞護(hù)欄上平臺(tái)頂?shù)焦耥敳康捻敆U，頂部放散閥自動(dòng)打開，將放空火炬氣對(duì)空泄放，避免了因此造成的橡膠密封皮膜或氣柜本體的損壞，杜絕事故發(fā)生。

2.6 操作系統(tǒng)組成

本項(xiàng)目的DCS控制系統(tǒng)采用了CENTUM VP系統(tǒng)，該系統(tǒng)有著架構(gòu)簡單通用、通訊安全可靠、硬件故障率低、系統(tǒng)兼容性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了安全最優(yōu)化、資產(chǎn)最優(yōu)化和生產(chǎn)最優(yōu)化的整合。

根據(jù)現(xiàn)場情況，該DCS系統(tǒng)分為氣柜區(qū)和火炬區(qū)兩個(gè)控制站。兩者之間通過雙冗余光纖技術(shù)通訊，確保系統(tǒng)信號(hào)采集、傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定、快速和準(zhǔn)確。

3 應(yīng)用效果

通過火炬氣回收技術(shù)在伴生氣中壓深冷處理裝置中控制技術(shù)應(yīng)用，確保了三氣廠火炬氣放空氣回收系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了三氣廠裝置正常生產(chǎn)和手動(dòng)排放的火炬氣全部回收，每年可回收氣量約為230萬Nm3，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

另外，通過多次對(duì)控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖測試，結(jié)果表明當(dāng)裝置出現(xiàn)緊急情況，放空火炬氣回收系能夠快速、平穩(wěn)完成至火炬系統(tǒng)的切換，并確保裝置內(nèi)的放空火炬氣安全點(diǎn)燃排放。

4 結(jié)論

通過對(duì)三氣廠火炬氣放空系統(tǒng)中正常運(yùn)行、緊急放空聯(lián)鎖、應(yīng)急點(diǎn)火等控制技術(shù)方案的研究，形成了一套火炬氣回收系統(tǒng)控制技術(shù)，為三氣廠生產(chǎn)裝置和放空氣回收系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，最終達(dá)到了裝置熄滅火炬的目的，提高了企業(yè)的資源利用率，減少溫室氣體及廢氣排放。