中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司

火炬系統(tǒng)作為油氣田站場(chǎng)的重要系統(tǒng)之一，是油氣田站場(chǎng)能否安全運(yùn)行的重要保障，火炬系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)具有重要的意義。國(guó)外某油田一期地面建設(shè)工程于2012 年投產(chǎn)，建成原油處理規(guī)模為10×104bbl/d，設(shè)計(jì)來(lái)液含水率10%，伴生氣系統(tǒng)處理能力195 × 104m3/d。

站場(chǎng)后期增加了兩座3×104m3原油儲(chǔ)罐，并實(shí)施了先導(dǎo)氣舉等工程，但火炬系統(tǒng)未進(jìn)行過(guò)升級(jí)改造。站場(chǎng)內(nèi)設(shè)置高低壓火炬系統(tǒng)各1 套，采用塔架共架的方式。已建高壓火炬設(shè)計(jì)規(guī)模190 ×104m3/d，已建低壓火炬設(shè)計(jì)規(guī)模24×104m3/d，其中低壓火炬系統(tǒng)主要收集脫氣塔塔頂氣、原油儲(chǔ)罐和撇油罐等排放壓力較低的泄放物，其他壓力較高的氣體泄放至高壓火炬系統(tǒng)。

1 生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

國(guó)外某油氣集中處理站主要工藝流程如圖1 所示。已建高、低壓火炬系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

（1）火炬系統(tǒng)實(shí)際處理量超過(guò)其設(shè)計(jì)值。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，由于氣油體積比從原設(shè)計(jì)時(shí)的119 增加到實(shí)際運(yùn)行的大約200，外輸氣量較少，二級(jí)分離器生產(chǎn)伴生氣進(jìn)高壓火炬放空，一級(jí)分離器生產(chǎn)伴生氣除少部分進(jìn)高壓壓縮機(jī)外輸外，大部分經(jīng)高壓火炬放空，經(jīng)核算目前高壓火炬系統(tǒng)可能達(dá)到的最大泄放量約為310× 104m3/d，遠(yuǎn)超過(guò)其火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。低壓火炬系統(tǒng)收集泄放氣體多來(lái)自于略高于常壓的泄放源，所以設(shè)計(jì)背壓較低，僅為2 kPa，但在實(shí)際運(yùn)行中由于氣油比增高，低壓火炬系統(tǒng)實(shí)際背壓升高，超過(guò)其設(shè)計(jì)最大背壓2 kPa，導(dǎo)致后來(lái)擴(kuò)建的兩個(gè)3×104m3大罐密封氣的呼氣無(wú)法正常全部排進(jìn)低壓火炬系統(tǒng)，經(jīng)常引起大罐罐頂真空呼吸閥對(duì)空呼氣，對(duì)罐區(qū)的環(huán)境造成了一定的影響。

（2）站場(chǎng)輻射熱偏高?；鹁嬖O(shè)計(jì)時(shí)考慮站場(chǎng)內(nèi)各處理區(qū)的輻射熱均小于1.58 kW/m2，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于實(shí)際泄放氣量遠(yuǎn)大于火炬設(shè)計(jì)能力，站場(chǎng)輻射熱偏高，尤其是與火炬系統(tǒng)距離較近的導(dǎo)熱油區(qū)溫度較高。由于當(dāng)?shù)叵募練鉁睾芨撸O端溫度達(dá)到55 ℃），導(dǎo)熱油區(qū)夏季的溫度最高時(shí)接近70 ℃，已影響到正常的巡檢和維護(hù)。

圖1 油氣集中處理站主要工藝流程Fig.1 Main process flow of oil and gas central process facilities

圖2 已建火炬系統(tǒng)流程Fig.2 Flow diagram of existing flare system

（3）火炬冒黑煙。由于火炬泄放氣體為油田伴生氣，加之站場(chǎng)原油系統(tǒng)在處理量高限運(yùn)行，排放氣體組分較正常設(shè)計(jì)工況更重，火炬分液罐實(shí)際處理氣量超過(guò)其最大設(shè)計(jì)能力，使得火炬分液罐除液效果變差，火炬經(jīng)常冒黑煙。

2 油氣集中處理站改造

基于原油含水率提高及相關(guān)配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模的不足，另外由于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中氣油比增高，伴生氣氣量增加，已超過(guò)伴生氣系統(tǒng)原有設(shè)計(jì)處理規(guī)模，決定對(duì)集中處理站進(jìn)行升級(jí)改造。改造基于來(lái)液含水率提高至50%，保證原油處理規(guī)模10×104bbl/d 不變。原油系統(tǒng)需要將二級(jí)分離器替換為三相分離器，增加導(dǎo)熱油換熱器，增加污水處理系統(tǒng)設(shè)施以滿足含水率上升的要求。

本次升級(jí)改造工程考慮將站內(nèi)所有來(lái)氣增壓外輸至天然氣處理廠，需要新增加高、低壓壓縮機(jī)各2 套（包含備機(jī)），分別增壓一級(jí)分離器和二級(jí)分離器分出的伴生氣；增加穩(wěn)定氣壓縮機(jī)2 套（包含備機(jī)），回收脫氣塔塔頂氣。同時(shí)根據(jù)集中處理站現(xiàn)有運(yùn)行情況對(duì)已建各系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，包含火炬系統(tǒng)等其他公用系統(tǒng)。

3 火炬系統(tǒng)改造

3.1 改造原則

對(duì)已建火炬系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析表明，急需對(duì)油氣集中處理站已建火炬進(jìn)行升級(jí)改造，新增高低壓火炬系統(tǒng)各1 套?；鹁嫦到y(tǒng)的升級(jí)改造遵循以下原則：①新增的火炬系統(tǒng)既要考慮減輕已建火炬系統(tǒng)負(fù)荷，同時(shí)還要考慮站場(chǎng)后期改擴(kuò)建其他泄放源的接入；②火炬系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)已建系統(tǒng)的改動(dòng)，減少油氣集中處理站的停產(chǎn)時(shí)間；③盡可能遵循已建系統(tǒng)進(jìn)老火炬，新建系統(tǒng)進(jìn)新火炬的原則。

3.2 改造方案

新建火炬系統(tǒng)與已建火炬系統(tǒng)相互之間的運(yùn)行方式是火炬系統(tǒng)升級(jí)改造方案的焦點(diǎn)，綜合改造原則和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出了以下兩種方案。

圖3 方案一：新建火炬與已建火炬并聯(lián)運(yùn)行Fig.3 Scheme 1：parallel operation of new flare and existing flare

方案一：新建火炬與已建火炬并聯(lián)運(yùn)行，共用1 套火炬泄放管網(wǎng)（新建和已建火炬管網(wǎng)設(shè)置連通線），已建火炬系統(tǒng)和新建火炬系統(tǒng)分別配置獨(dú)立的火炬分液罐和火炬，在系統(tǒng)泄放時(shí)，通過(guò)火炬管網(wǎng)背壓來(lái)均衡進(jìn)入已建和新建火炬的泄放量。方案一流程簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

方案二：新建火炬與已建火炬各自獨(dú)立運(yùn)行，分別設(shè)置2 套火炬管網(wǎng)，已建火炬系統(tǒng)和新建火炬系統(tǒng)分別配置獨(dú)立的火炬分液罐和火炬塔架，新建火炬系統(tǒng)和已建火炬系統(tǒng)之間不設(shè)連通管線。方案二流程簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

圖4 方案二：新建火炬與已建火炬各自獨(dú)立運(yùn)行Fig.4 Scheme 2：independent operation of new flare and existing flare

3.3 火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

通過(guò)對(duì)高、低壓火炬各個(gè)工況進(jìn)行分析，站場(chǎng)內(nèi)高壓、低壓火炬系統(tǒng)最大泄放量工況（表1、表2）為堵塞工況（一級(jí)分離器泄放考慮了未來(lái)的氣舉氣量）。

表1 高壓火炬最大泄放量工況Tab.1 Maximum discharge volume for HP flare

表2 低壓火炬最大泄放量工況Tab.2 Maximum discharge volume for LP flare

若采用方案一（已建火炬系統(tǒng)與新建火炬系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行），通過(guò)使用ASPEN Flare Analyzer（Flarenet）軟件進(jìn)行模擬分析。Flarenet 軟件是火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)校核常用的計(jì)算軟件，其計(jì)算出的火炬管線尺寸能夠符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)于系統(tǒng)的綜合分析可以提出安全可靠的技術(shù)方案[1]。模擬中需要通過(guò)調(diào)整新建管網(wǎng)控制進(jìn)已建火炬的泄放量在其設(shè)計(jì)處理量以下，同時(shí)滿足背壓的要求，計(jì)算得到新建火炬的實(shí)際泄放量。

若采用方案二（已建火炬系統(tǒng)與新建火炬系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行），從火炬系統(tǒng)的主要泄放工況來(lái)看，氣油比升高主要影響的是一級(jí)分離器的氣量，因此將一級(jí)分離器的泄放源集中改造，接入新建高壓火炬管網(wǎng)，其他已建系統(tǒng)保持不變。后期新建設(shè)施除新增的低壓壓縮機(jī)系統(tǒng)泄放接入已建高壓火炬系統(tǒng)外，新建高壓壓縮機(jī)、氣舉壓縮機(jī)系統(tǒng)均接入新建高壓火炬管網(wǎng)。在最大泄放量工況下，已建和新建火炬系統(tǒng)的泄放量見(jiàn)表3。

表3 不同方案火炬系統(tǒng)最大泄放量Tab.3 Maximum discharge volume of flare system for different schemes

在方案一中，通過(guò)Flaresim 軟件模擬計(jì)算新建火炬高度為100 m，而已建火炬高度為60 m，新建火炬系統(tǒng)和已建火炬系統(tǒng)共用1 套火炬管網(wǎng)，兩個(gè)火炬設(shè)計(jì)規(guī)模不同，高度差明顯，可能存在流量分配不均衡的問(wèn)題，尤其是泄放氣體相對(duì)分子質(zhì)量小，小氣量工況或者是緊急泄放后期，偏流將會(huì)更嚴(yán)重[2-3]。

3.4 規(guī)范要求

國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目也有由于已建火炬系統(tǒng)運(yùn)行存在問(wèn)題，新建1 套完全相同的火炬系統(tǒng)與已建火炬系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，或者建設(shè)初期就采用“一用一備”的火炬系統(tǒng)[4]，或者采用完全相同的火炬系統(tǒng)并聯(lián)，但是對(duì)于不同規(guī)?；鹁娴牟⒙?lián)運(yùn)行可參考的項(xiàng)目很少。

ADNOC 公司兩套相同規(guī)模并聯(lián)運(yùn)行的火炬共用火炬管網(wǎng)，實(shí)際運(yùn)行中，其中一套火炬出現(xiàn)回火悶燒的現(xiàn)象。初步分析可能的原因是氣量小，氣體相對(duì)分子質(zhì)量小，只在火炬總匯管上設(shè)置了吹掃氣，吹掃氣存在偏流，且火炬筒底部也未設(shè)置水封罐。

TOTAL 企業(yè)規(guī)格書(shū)中《Pressure protection relief and hydrocarbon disposal systems》 第5.4.7 對(duì)火炬系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行了明確的規(guī)定：為了避免由于流量分配不均導(dǎo)致的其中一個(gè)火炬頭過(guò)載，而使另一個(gè)火炬筒出現(xiàn)部分真空的情況，不允許并聯(lián)運(yùn)行的火炬系統(tǒng)共用火炬管網(wǎng)[5]。

國(guó)內(nèi)石化標(biāo)準(zhǔn)SH 3009《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范8.2.2 中有如下的要求：對(duì)于同一個(gè)排放系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上火炬同時(shí)操作時(shí)，每個(gè)火炬均應(yīng)設(shè)置水封罐，不同火炬水封罐的水封高度宜分層設(shè)置。主要是考慮同一個(gè)放空系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上火炬同時(shí)操作時(shí)，不同火炬之間會(huì)存在壓力差，當(dāng)火炬氣排放量較小時(shí)可能發(fā)生火炬之間的互吸現(xiàn)象而導(dǎo)致空氣進(jìn)入火炬筒內(nèi)發(fā)生爆炸事故（含氫量較高時(shí)極易發(fā)生），因此火炬之間必須采用水封罐以阻斷氣體在火炬筒內(nèi)的倒流，分層設(shè)置水封高度有利于減少小氣量工況時(shí)火炬頭的悶燒問(wèn)題[6]。

SHELL 企業(yè)規(guī)范《Design of Pressure Relief，flare and vent systems》第5.7.8.10.1 節(jié)中也認(rèn)為水封罐是防止空氣倒流進(jìn)火炬筒最好的密封措施，可替代水封罐的其他密封方式還有增加吹掃氣量[7]。

4 方案優(yōu)選

結(jié)合以上分析，方案一采用不同火炬并聯(lián)的方式，因兩個(gè)火炬之間存在壓力差，可能會(huì)發(fā)生火炬之間互吸現(xiàn)象而引起火炬筒悶燒。為了防止這種事故的發(fā)生，需要采取一定的措施，例如在已建和新建火炬筒底部加水封罐，或者在各自火炬筒底部加大吹掃氣的氣量等。方案一需要對(duì)已建系統(tǒng)改造點(diǎn)頗多，且對(duì)已建火炬系統(tǒng)增加水封罐較為困難，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，綜合以上考慮，不推薦采用方案一。

方案二采用已建火炬與新建火炬各自獨(dú)立運(yùn)行的方案，新增高壓火炬采用音速火炬，不需要鼓風(fēng)機(jī)助燃，也可以滿足無(wú)煙燃燒的要求，且其輻射熱低。音速火炬應(yīng)用較為廣泛，火炬無(wú)煙燃燒效果很好。音速火炬頭通過(guò)增加氣體出口流速達(dá)到1 馬赫（300 m/s），火炬頭在燃燒區(qū)域可以吸收大量空氣，從而使燃燒更充分，輻射熱更低，火焰燃燒動(dòng)量較高，火焰形狀筆直向上[8]。咨詢相關(guān)音速火炬廠家，其背壓可以低至70 kPa。由于采用音速火炬背壓提高，大大降低了新建火炬匯管尺寸；另外音速火炬不需要風(fēng)機(jī)助燃，輔助設(shè)施少，降低了設(shè)備檢修量；對(duì)于同等規(guī)模的火炬采用不加風(fēng)機(jī)助燃的音速火炬比采用加風(fēng)機(jī)助燃的普通火炬經(jīng)濟(jì)成本要低。該方案高壓火炬系統(tǒng)主要改造工作量是將一級(jí)分離器連接的火炬匯管與已建匯管分開(kāi)后整體連入新建火炬，同時(shí)由于提高了系統(tǒng)背壓，一級(jí)分離器安全閥需要由普通彈簧式安全閥替換成平衡波紋管式安全閥。將一級(jí)分離器泄放匯管引入新建高壓火炬系統(tǒng)后，由于主要泄放量集中在新建高壓音速火炬上，通過(guò)Flaresim 軟件計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可極大地降低站場(chǎng)導(dǎo)熱油區(qū)域的輻射熱和輻射溫度（極端溫度情況下低于65 ℃）。

新建低壓火炬系統(tǒng)允許背壓較低，通過(guò)采用風(fēng)機(jī)助燃的方式滿足無(wú)煙燃燒的要求。方案二需要對(duì)已建低壓火炬管網(wǎng)進(jìn)行改動(dòng)，主要是將已建油罐（3×104m3）進(jìn)火炬匯管整體接入新建低壓火炬匯管，降低已建低壓火炬系統(tǒng)背壓及泄放量。這樣新建低壓火炬系統(tǒng)接入的除了大罐呼氣系統(tǒng)外，其他均是新建和將要建的設(shè)施。油罐接入新建低壓火炬系統(tǒng)后，經(jīng)Flarenet 軟件核算，進(jìn)火炬系統(tǒng)調(diào)壓閥背壓降低至1.4 kPa，可以正常排入新建低壓火炬系統(tǒng)，不會(huì)出現(xiàn)油罐真空呼吸閥打開(kāi)的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）油氣站場(chǎng)1 套泄放管網(wǎng)需要采用2 套火炬并聯(lián)進(jìn)行放空時(shí)，盡量采用相同規(guī)模尺寸的放空火炬，并盡量保證對(duì)稱(chēng)安裝，以便減小偏流及火炬負(fù)壓現(xiàn)象。

（2）2 套并聯(lián)運(yùn)行的火炬系統(tǒng)共用1 套泄放管網(wǎng)時(shí)，需考慮設(shè)置水封罐，或者在火炬筒底部設(shè)置吹掃氣，并加大吹掃氣量，防止因偏流引起火炬互吸、悶燒現(xiàn)象。

（3）如必須采用2 套不同規(guī)格的火炬時(shí)，建議設(shè)置相互獨(dú)立的泄放管網(wǎng)和放空分液設(shè)施，分別與相應(yīng)的火炬系統(tǒng)配套。

（4）對(duì)于高壓火炬，特別是對(duì)于放空量大的火炬系統(tǒng)，在背壓條件允許的前提下建議采用音速火炬，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒，并大大降低火炬輻射熱，同時(shí)減小火炬匯管尺寸。