王振伍，陳 賓，付子文，胡 蓉，陳文峰

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

在海上油氣田開發(fā)過程中，通常伴隨有大量的伴生氣產(chǎn)生，火炬系統(tǒng)就是將油氣田生產(chǎn)出來的多余伴生氣或者生產(chǎn)設(shè)施中泄放出來的氣體在一個(gè)安全的位置上燒掉，以確保海上設(shè)施的安全?；鹁嫦到y(tǒng)主要包括火炬泄放管網(wǎng)、火炬分液罐、火炬臂、火炬頭、火炬點(diǎn)火盤、丙烷瓶。流體從相關(guān)設(shè)施在正常生產(chǎn)或事故泄放過程中排放出來，這些流體先經(jīng)由各自尾管，流入火炬管匯，匯合后的流體再進(jìn)入火炬分液罐進(jìn)一步分液后進(jìn)入火炬頭燃燒。

對(duì)于一般海上油氣田，火炬泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常應(yīng)用API 521進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮熱輻射對(duì)設(shè)施的影響；但是該海上油氣田高含硫化氫，天然氣中硫化氫含量為19 000 mg/L，根據(jù)計(jì)算分析，由于該項(xiàng)目的天然氣量較少，熱輻射對(duì)設(shè)施的影響不是火炬泄放系統(tǒng)的控制工況，硫化氫的擴(kuò)散以及硫化氫在火炬燃燒后的二氧化硫擴(kuò)散，會(huì)對(duì)操作人員的正常生產(chǎn)和生活造成影響，為該項(xiàng)目的火炬臂長度的控制工況，也是文章的研究分析重點(diǎn)。

2 硫化氫、二氧化硫氣體排放法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究

經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究，對(duì)于二氧化硫的排放濃度要求主要分兩類要求，第一類要求二氧化硫8 h加權(quán)平均容許排放濃度，標(biāo)準(zhǔn)GBZ 2.1和API RP55中均推薦為2 mg/L；第二類要求是二氧化硫15 min內(nèi)容許排放濃度；GBZ 2.1工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限制中要求為4 mg/L，而API RP55中要求5 mg/L，相比GBZ 2.1要求更為嚴(yán)格；SYT 6277的要求和API RP55要求是一致的。

絕大部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于硫化氫的排放最高容許濃度要求是10 mg/L，只有GBZ 2.1中要求在工作場(chǎng)所中硫化氫的排放限值為7 mg/L，相比于其他標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

綜上，根據(jù)該項(xiàng)目特點(diǎn)，高含硫化氫，海上操作空間有限，不利于逃生救生等特點(diǎn)，選擇了較為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，以確保海上操作人員的安全，硫化氫在火炬未點(diǎn)燃的情況，泄放氣體擴(kuò)散到平臺(tái)的限制為7 mg/L；在火炬燃燒的情況下泄放氣體中的硫化氫會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化硫，連續(xù)排放的工況下二氧化硫的排放限制為2 mg/L，緊急泄放條件下二氧化硫的排放限制為4 mg/L，以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行火炬泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)。各個(gè)法規(guī)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范關(guān)于含硫化氫及二氧化硫氣體排放的要求見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)含硫油氣田火炬泄放系統(tǒng)的要求Tab.1 Requirements for flare discharge system of sour oil and gas field in standard specification

3 研究工具

PHAST廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)，氣體生產(chǎn)車間、煉廠以及化學(xué)品車間的火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該軟件可以估算泄放氣體擴(kuò)散等信息。文章應(yīng)用PHAST 7.11版開展了火炬泄放系統(tǒng)的研究。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇及準(zhǔn)則

根據(jù)泄放工況計(jì)算，該項(xiàng)目連續(xù)泄放量為2 685 kg/h，該泄放條件下硫化氫的含量為16 179 mg/L；管線堵塞工況下泄放量為2 543 kg/h，該泄放條件下硫化氫的含量為17 706 mg/kg；以上兩個(gè)工況為該項(xiàng)目火炬泄放系統(tǒng)的控制工況，以此作為分析基礎(chǔ)。風(fēng)速選擇主要考慮25 m/s風(fēng)速以上將嚴(yán)禁海上作業(yè)，所以選擇1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s四種風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算校核。

根據(jù)對(duì)上部處理設(shè)施人員操作分析，存在人員暴露的地點(diǎn)為直升機(jī)甲板以上區(qū)域，直升機(jī)飛行高度9 m，直升機(jī)高度5 m，因此考慮直升機(jī)甲板以上14 m作為生活樓區(qū)域的最高參考點(diǎn)。

5 火炬不同角度對(duì)參考點(diǎn)擴(kuò)散的影響

二氧化硫分子量相比硫化氫大，不易擴(kuò)散，但對(duì)最高參考點(diǎn)的影響更為嚴(yán)重，因此以二氧化硫?yàn)槔?，進(jìn)行不同風(fēng)速下模擬計(jì)算，從圖1可以看出，擴(kuò)散云團(tuán)位于平臺(tái)上部，隨著風(fēng)速增大，云圖擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，同時(shí)云圖越扁平，因此只要保證火炬臂垂直高度超過平臺(tái)最高參考點(diǎn)就可以保證生產(chǎn)安全。不同火炬臂角度對(duì)應(yīng)的火炬臂長度對(duì)比如表2。

圖1 不同風(fēng)速下，二氧化硫的擴(kuò)散圖Fig.1 Diffusion of SO2 under different wind speed

此外計(jì)算了不同角度下，保證最高參考點(diǎn)安全的火炬臂長度，如表2。

表2 不同角度下，火炬臂長度Tab.2 Flare arm length at different angles

隨著角度越大，火炬臂長度越短，說明火炬臂垂直高度是確保參考點(diǎn)安全主要因素；當(dāng)火炬臂角度為45°時(shí)，在保證參考點(diǎn)安全的情況下，火炬臂長度為61.2 m，該方案火炬臂偏長，不利于結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)也導(dǎo)致平臺(tái)重量增加；當(dāng)火炬臂角度為90°時(shí)，在保證參考點(diǎn)安全的情況下，火炬臂長度為43.3 m，該方案火炬臂長度可行，但和平臺(tái)的吊機(jī)操作有干涉，不利于平臺(tái)正常吊裝作業(yè)。因此，初步認(rèn)為火炬臂角度為60°時(shí)，火炬臂長度為50 m比較合適。

6 火炬泄放系統(tǒng)研究

6.1 不同工況下，二氧化硫擴(kuò)散研究

在連續(xù)工況下，風(fēng)速為1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的條件下，火炬臂長度為50 m，角度為60 °，排放限制在2 mg/L時(shí)，二氧化硫擴(kuò)散云圖，見圖2。從圖2可以看出，風(fēng)速在25 m/s時(shí)，二氧化硫的擴(kuò)散更接近于上部模塊。在堵塞工況下，風(fēng)速為1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的條件下，火炬臂長度為50 m，角度為60 °，排放限制在4 mg/L時(shí)，二氧化硫的擴(kuò)散云圖，見圖3。從圖3可以看出，風(fēng)速在25 m/s時(shí)，二氧化硫的擴(kuò)散相比于連續(xù)工況更接近與上部模塊。根據(jù)要求，直升機(jī)飛行的高度為直升機(jī)甲板以上14 m，所以要求二氧化硫的擴(kuò)散不能低于直升機(jī)甲板以上14 m，否則作為威脅直升機(jī)上人員安全。

圖2 連續(xù)泄放工況，二氧化硫擴(kuò)散云圖Fig.2 Diffusion cloud chart of SO2 under continuous discharge condition

圖3 堵塞工況下，二氧化硫擴(kuò)散云圖Fig.3 Diffusion cloud chart of SO2 under blocking condition

6.2 不同工況下，硫化氫擴(kuò)散研究

在連續(xù)工況下，風(fēng)速為1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的條件下，火炬臂長度為50 m，角度為60 °，排放限制在7 mg/L時(shí)，硫化氫的擴(kuò)散云圖，見圖4。從圖4可以看出，風(fēng)速在15 m/s時(shí)，硫化氫的擴(kuò)散最遠(yuǎn)，更接近直升機(jī)起降區(qū)域，但是相比二氧化硫的擴(kuò)散距離要短得多。在堵塞工況下，風(fēng)速為1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的條件下，火炬臂長度為50 m，角度為60 °，排放限制在7 mg/L時(shí)，硫化氫的擴(kuò)散云圖，見圖5。

圖4 連續(xù)泄放工況，硫化氫擴(kuò)散云圖Fig.4 Diffusion cloud chart of H2S under continous discharge condition

圖5 堵塞工況下，硫化氫擴(kuò)散云圖Fig.5 Diffusion cloud chart of H2S under blocking condition

從圖5可以看出，風(fēng)速在15 m/s時(shí)，硫化氫的擴(kuò)散相比于連續(xù)工況更接近與直升機(jī)起降區(qū)域；但是硫化氫擴(kuò)散相比于二氧化硫的擴(kuò)散對(duì)人員的影響較弱，離直升機(jī)起降區(qū)域也較遠(yuǎn)。

7 結(jié)論

針對(duì)海上高含硫化氫油氣田，確保海上操作人員的安全，泄放氣體硫化氫擴(kuò)散到平臺(tái)的限制為7 mg/L(v)；正常排放的工況下二氧化硫的排放限制為2 mg/L(v)，緊急泄放條件下二氧化硫的排放限制為4 mg/L(v)，為以后高含硫化氫油氣田的開發(fā)提供了設(shè)計(jì)借鑒。

根據(jù)擴(kuò)散分析，硫化氫由于分子量較小，擴(kuò)散過程中相比二氧化硫的擴(kuò)散距離較近，二氧化硫的擴(kuò)散對(duì)人員的影響較為嚴(yán)重，也是含硫化氫油氣田火炬泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮的方面。針對(duì)該項(xiàng)目，火炬臂長度為50 m，角度為60°時(shí)，火炬泄放系統(tǒng)排放的二氧化硫和硫化氫可以保證人員正常操作的安全。