李 飛，胡 松，朱夢(mèng)影，孔 冰

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司，天津 300459；3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

海上平臺(tái)放空火炬系統(tǒng)中，由于放空氣體中重組分的存在，燃燒時(shí)常會(huì)出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象，文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)燃冒黑煙平臺(tái)伴生氣組分測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)C3+含量大于5%時(shí)，黑煙現(xiàn)象比較明顯，C3+含量大于6%時(shí)，黑煙現(xiàn)象比較嚴(yán)重[1，2]。放空的烷烴燃燒完全時(shí)，在氧氣氧化作用下生成CO2和H2O，伴隨著淺藍(lán)色火焰，肉眼不易察覺(jué)；重組分含量過(guò)高或者氧氣供應(yīng)不足會(huì)造成燃燒不充分，產(chǎn)生碳顆粒，而碳顆粒不能進(jìn)一步燃燒或者處理時(shí)會(huì)形成宏觀(guān)的黑煙現(xiàn)象。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝，海上平臺(tái)放空火炬燃冒黑煙的原因可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）重組分含量高，燃燒不充分，C3+組分含量超過(guò)5%；

（2）流程分離器捕液能力差，天然氣攜帶原油和重?zé)N液滴進(jìn)入火炬放空系統(tǒng)；

（3）火炬分液罐溫度高，除液效果差也會(huì)導(dǎo)致黑煙；

（4）火炬放空管線(xiàn)或者火炬分液罐積液多也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生黑煙；

（5）放空量超過(guò)火炬放空設(shè)計(jì)能力導(dǎo)致攜液量增大。

1 放空火炬冒黑煙常用解決方法

1.1 增設(shè)液烴回收流程

從前期設(shè)計(jì)角度出發(fā)，如果油田伴生氣中重組分含量高，流程分離效果不佳，火炬放空罐中積液太多，都會(huì)造成天然氣攜帶原油和重?zé)N液滴進(jìn)入火炬放空系統(tǒng)從而造成黑煙現(xiàn)象，其本質(zhì)原因來(lái)自于液烴的累計(jì)，為此可設(shè)置液烴回收流程來(lái)將氣體中夾帶的液烴分離出來(lái)。液體回收流程主要是單獨(dú)回收液烴的壓力容器及轉(zhuǎn)液系統(tǒng)。

液烴的主要來(lái)源為天然氣低壓、中壓、高壓壓縮機(jī)、天然氣外輸洗滌器、天然氣生產(chǎn)分離器、燃料氣洗滌器、燃料氣過(guò)濾器、高壓火炬分液罐以及氣系統(tǒng)各流量計(jì)低點(diǎn)集液管。將上述容器、設(shè)備至閉排的排放點(diǎn)匯集成另一條總管線(xiàn)至液烴回收系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)輸泵轉(zhuǎn)液至海管輸進(jìn)行外輸，或者容器罐儲(chǔ)存再由船舶送至陸地[3]。

1.2 增設(shè)配套火炬輔助設(shè)備

從處理角度考慮，可以通過(guò)改進(jìn)火炬頭，提高火炬頭供氧能力，或者采取措施提高火炬頭除煙能力來(lái)解決火炬燃冒黑煙問(wèn)題[2]。實(shí)踐中可利用消煙風(fēng)機(jī)或者來(lái)文丘里引射器消煙，或設(shè)置預(yù)混火炬頭，利用火炬氣的壓力引入空氣混合后實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒，預(yù)混火炬頭需根據(jù)火炬氣的排放壓力專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。高壓火炬可以選用音速火炬頭實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒，高壓火炬無(wú)煙燃燒范圍是0～100%[2]。

1.3 蒸汽消煙

蒸汽消煙的主要原理是利用蒸汽與游離碳發(fā)生水煤反應(yīng)：

蒸汽消煙火炬頭主要由穩(wěn)焰器、火炬中心蒸汽噴嘴以及頂部環(huán)形消煙噴嘴三部分構(gòu)成。火炬中心蒸汽噴嘴將蒸汽噴射至火焰中部，在表面附著力的作用下將自身10～30倍的空氣引入放空氣體中使之充分混合。中心蒸汽噴嘴的具體作用主要有兩點(diǎn)，一是通過(guò)噴射作用增大了易產(chǎn)生黑煙的重組分氣體的擾動(dòng)，使可燃?xì)夂涂諝獬浞纸佑|，促進(jìn)燃燒充分；二是蒸汽可以使火焰的燃燒溫度維持在一個(gè)較低的溫度，不僅可以降低火炬頭溫度，提高其使用壽命，同時(shí)也降低了重組分氣體裂解成碳的可能性。頂部環(huán)形消煙噴嘴噴射蒸汽的主要作用是卷吸周?chē)目諝猓瑥亩岣叻趴諝怏w的燃燼率，與此同時(shí)，環(huán)形噴射的蒸汽可以攪拌并提高火焰高度、降低火炬頭溫度，延長(zhǎng)火炬頭使用壽命[4]。

1.4 補(bǔ)充燃料提高反應(yīng)熱值

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)在放空量低的情況下也會(huì)發(fā)生燃冒黑煙現(xiàn)象。對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，一種解釋是因?yàn)榉趴諝饬啃?、流速慢，?dǎo)致放空氣與空氣混合不充分，導(dǎo)致不充分燃燒；文獻(xiàn)[5]提到的充分燃燒所需“熱值”問(wèn)題也是一個(gè)重要理由。對(duì)于熱值不夠的問(wèn)題，通?？梢栽O(shè)置長(zhǎng)明燈等手段提高燃燒充分性。

2 案例分析

2.1 研究背景

渤海某油田的天然氣處理系統(tǒng)主要分為伴生氣處理和天然氣處理兩部分。該油田在燃料氣系統(tǒng)和天然氣壓縮機(jī)系統(tǒng)相繼啟動(dòng)后，有大量的液烴從天然氣系統(tǒng)中析出。該油田液烴回收系統(tǒng)未投用之前，大量液烴產(chǎn)出后，全部排放至閉排，同流程其他排放液體混合，通過(guò)離心泵轉(zhuǎn)運(yùn)至原油處理流程。由于液烴易揮發(fā)，閉排泵轉(zhuǎn)液過(guò)程中不能建立壓力，氣蝕嚴(yán)重，影響了液烴收集和轉(zhuǎn)液；其中一部分揮發(fā)至火炬系統(tǒng)燃燒，產(chǎn)生黑煙，造成環(huán)境污染；另一部分進(jìn)入原油處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)至終端，給下游終端處理廠(chǎng)的生產(chǎn)增加了安全隱患，同時(shí)無(wú)法對(duì)其合理利用也勢(shì)必造成液烴的浪費(fèi)。

2.2 設(shè)計(jì)思路與方案

針對(duì)伴生氣中壓壓縮機(jī)兩級(jí)壓力體系，制作兩組由兩條豎直管段組成的油水兩相分離裝置。增加單獨(dú)回收液烴的壓力容器及轉(zhuǎn)液系統(tǒng)。液體主要來(lái)源于天然氣低壓、中壓、高壓壓縮機(jī)、天然氣外輸洗滌器、天然氣生產(chǎn)分離器、燃料氣洗滌器、燃料氣過(guò)濾器、高壓火炬分液罐以及氣系統(tǒng)各流量計(jì)低點(diǎn)集液管。將上述容器、設(shè)備至閉排的排放點(diǎn)匯集成另一條總管線(xiàn)至液烴回收系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)輸泵轉(zhuǎn)液至輸氣海管，輸送至陸地天然氣處理終端。

其設(shè)計(jì)原則：

（1）為防止因不同的壓力體系造成液烴的相態(tài)變化，產(chǎn)生氣液相態(tài)轉(zhuǎn)換的死循環(huán)，將中壓壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口洗滌器和中壓壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口洗滌器設(shè)計(jì)為兩套回收體系[6]。

（2）為液烴的油水沉降分離提供足夠時(shí)間，防止轉(zhuǎn)液時(shí)將水轉(zhuǎn)入氣海管。

（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選擇合理空間進(jìn)行改造。

2.3 設(shè)計(jì)方案

液烴回收系統(tǒng)由操作壓力分別為450 kPaG（低壓系統(tǒng)）和1 200 kPaG（高壓系統(tǒng)）兩組集液管組成，每組集液管分別由混合室與油室組成。液烴從集液管混合室中部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)油水分離，凝析油從頂部連通管線(xiàn)溢流至油室，沉降水手動(dòng)排液至閉排。油室收集到的凝析油通過(guò)高壓隔膜泵增壓至6 100 kPaG后輸送至天然氣外輸海管，隨外輸天然氣外輸至陸地處理廠(chǎng)處理。

450 kPaG集液管收集中壓機(jī)入口滌氣器液烴和原油一級(jí)分離器流量計(jì)低點(diǎn)排液，油室頂部與中壓壓縮機(jī)入口洗滌器相連；1 200 kPaG集液管收集高壓機(jī)入口滌氣器液烴，油室頂部與中壓壓縮機(jī)二級(jí)洗滌器頂部相連，確保液烴收集過(guò)程中壓力保持一致，避免液烴因壓力變化造成氣液相態(tài)轉(zhuǎn)換。對(duì)伴生氣外輸流量計(jì)、天然氣生產(chǎn)分離器、天然氣外輸洗滌器排液管線(xiàn)排液連接管線(xiàn)至1 200 kPaG集液管。方案流程簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖 1）。

通過(guò)液烴回收系統(tǒng)改造，已經(jīng)成功完成了對(duì)中壓壓縮機(jī)機(jī)組及入口流量計(jì)低點(diǎn)排放處液烴回收處理，每天液烴產(chǎn)量約3 m3，有效解決了中壓壓縮機(jī)液烴回收利用問(wèn)題，消除了流程生產(chǎn)安全隱患。

2.4 應(yīng)用效果

系統(tǒng)投用后，壓縮機(jī)排放由閉排轉(zhuǎn)至集液系統(tǒng)，而集液系統(tǒng)氣相與分離器進(jìn)行連通，能夠?qū)⒛鲇驮俅位厥眨苊饬藫]發(fā)性重組分揮發(fā)至火炬造成火炬黑煙問(wèn)題；同時(shí)凝析油進(jìn)入集液系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)輸泵輸送至氣海管，避免了閉排泵轉(zhuǎn)液困難及對(duì)流程和下游的影響。

該油田液烴回收裝置年回收液烴1 044 m3，按照能耗折算標(biāo)準(zhǔn)，1 t原油=1.428 6 t標(biāo)準(zhǔn)煤，液烴回收量相當(dāng)于 1 044 m3×0.7 t/m3×1.714 3 t標(biāo)準(zhǔn)煤×800 元人民幣=100.2萬(wàn)元人民幣，實(shí)現(xiàn)可觀(guān)經(jīng)濟(jì)效益。液烴回收系統(tǒng)投用以來(lái)，年轉(zhuǎn)液烴量達(dá)1 044 m3，轉(zhuǎn)液前經(jīng)化驗(yàn)含水為0%，氣海管上下游壓差未見(jiàn)異常，為陸地終端銷(xiāo)售帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 油田液烴回收改造流程示意圖

3 小結(jié)

黑煙問(wèn)題是天然氣放空火炬面臨的一個(gè)普遍現(xiàn)象，通過(guò)理論以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐綜合收集出可能造成黑煙的可能，根據(jù)原因提出合理治理措施，并且通過(guò)海上平臺(tái)實(shí)際案例分析，有效解決前期液烴未能合理處理帶來(lái)的隱患與問(wèn)題，為油田現(xiàn)場(chǎng)治理黑煙現(xiàn)象提供了有用的參考，對(duì)于其他同類(lèi)油氣田引入液烴回收技術(shù)具有一定的參考意義。