向富明 石 涵 韓 笑 苗 建 黃 莉

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，深圳 518000；

2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司南海工程分公司，湛江 524057)

海上油氣田生產(chǎn)過(guò)程中一些無(wú)法利用的天然氣需要通過(guò)火炬燃燒后放空，而這一過(guò)程會(huì)向大氣排放大量的二氧化碳及其他有害氣體[1]。近年來(lái)，人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)逐步提高，特別是最近國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的制定，明確要求石化行業(yè)進(jìn)行火炬氣回收，并盡可能熄滅長(zhǎng)明火炬和長(zhǎng)明燈，達(dá)到減少氣體排放甚至零排放的目的[2-3]。目前，海上油氣田已陸續(xù)開(kāi)展火炬氣回收的研究及改造工作，但傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)由于點(diǎn)火技術(shù)及防回火密封技術(shù)不夠完善，需要大量的燃料氣用于長(zhǎng)明燈的燃燒和火炬系統(tǒng)的吹掃，且這部分氣體仍然無(wú)法進(jìn)行回收。傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)在安全可靠性、節(jié)能減排、使用維護(hù)性能等方面還有待進(jìn)一步提高[4-5]。等離子隨即引燃火炬技術(shù)具有點(diǎn)火可靠性高、燃料氣需求極低的特性，應(yīng)用于海上氣田取得了良好效果。

1 海上氣田火炬系統(tǒng)介紹

1.1 海上氣田原火炬基本情況

平臺(tái)火炬放空系統(tǒng)主要包括高壓火炬分液罐、高壓火炬分液泵、高/低壓火炬頭和點(diǎn)火盤(pán)。火炬系統(tǒng)作為平臺(tái)安全生產(chǎn)的泄壓系統(tǒng)，處理來(lái)自生產(chǎn)處理系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)和閉式排放罐的氣體進(jìn)入高/低壓火炬頭燒掉，高壓火炬分液罐分出的液體由高壓火炬分液泵打回生產(chǎn)分離器入口。高壓放空系統(tǒng)主要處理來(lái)自主工藝系統(tǒng)放空閥、安全閥、高壓吹掃氣等來(lái)氣。低壓放空系統(tǒng)主要處理撇油罐脫氣、低壓吹掃氣等來(lái)氣。

高壓火炬系統(tǒng)最大氣體處理量為7.76×106Sm3·d-1，低壓火炬系統(tǒng)最大氣體處理量為1.76×106Sm3·d-1。火炬臂采用45°斜吊臂形式伸向平臺(tái)外部，臂長(zhǎng)為65 m。火炬的點(diǎn)火裝置為地面爆燃式點(diǎn)火裝置，通過(guò)使用儀表氣和燃料氣在火焰發(fā)生器中混合，手動(dòng)點(diǎn)火產(chǎn)生火焰，通過(guò)3個(gè)點(diǎn)火支路送到火炬頭點(diǎn)燃天然氣。在火炬頭分布有3個(gè)熱電偶溫度監(jiān)測(cè)元件檢測(cè)引燃火焰?；鹁嫦到y(tǒng)配有供火炬使用的長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)明燈來(lái)氣為低壓燃料氣。設(shè)計(jì)時(shí)，長(zhǎng)明燈日耗氣量為1 420 Sm3·d-1。高/低壓吹掃氣是為了保證放空系統(tǒng)微正壓而設(shè)置，吹掃氣為低壓燃料氣，吹掃氣實(shí)際耗氣量約為 1 000 Sm3·d-1。

1.2 原火炬系統(tǒng)問(wèn)題分析

原火炬屬于一種典型的長(zhǎng)明火炬，因投運(yùn)時(shí)間較早，部分設(shè)計(jì)已不符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范要求。另外，火炬3套長(zhǎng)明燈和多個(gè)燃燒管一直長(zhǎng)明燃燒，每天消耗大量燃料氣。

目前，原火炬系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題如下。

（1）采用傳統(tǒng)地面爆燃傳焰點(diǎn)火系統(tǒng)，點(diǎn)火可靠性差，操作難度高，故障率高，點(diǎn)火方式單一，點(diǎn)火器數(shù)量太少，不滿足《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH 3009—2013）規(guī)定，點(diǎn)火方面存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）原火炬采用傳統(tǒng)熱電偶火焰檢測(cè)系統(tǒng)，火焰遇風(fēng)極易偏離檢測(cè)點(diǎn)，測(cè)量準(zhǔn)確度低、可靠性差。另外，熱電偶易腐蝕、氧化損壞，故障率高，壽命有限。

（3）原火炬為完全敞口火炬，使用傳統(tǒng)燃料氣密封技術(shù)，需要消耗大量燃料氣才能保證空氣不進(jìn)入火炬放空管網(wǎng)以保證火炬安全運(yùn)行，造成了較大的能源浪費(fèi)。

2 等離子點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)用性研究

2.1 等離子火焰點(diǎn)火裝置

等離子火焰是利用自然界的閃電原理，連續(xù)釋放高壓電能，從而產(chǎn)生溫度高達(dá)6 000 ℃的等離子電弧，即弧形等離子體。因?yàn)樗男螤钏苹鹧妫苑Q(chēng)為等離子火焰。它的高溫等離子火焰不僅可以“點(diǎn)燃”空氣、惰性氣體，而且可直接點(diǎn)燃各種放空燃?xì)怏w，點(diǎn)火可靠性極高。

等離子火焰具有以下性能：（1）極強(qiáng)的催化點(diǎn)燃助燃性能，能使各種氣體電離“燃燒”；（2）能量大，密度高；（3）作用空域大，接觸即燃；（4）作用速度快，瞬間點(diǎn)燃；（5）具有超自然的抗干擾能力，不受自然界任何級(jí)別風(fēng)雨的影響；（6）可直接點(diǎn)燃1 MPa以上的強(qiáng)氣體射流，不受排放氣流強(qiáng)弱、強(qiáng)風(fēng)雨、不同組分的影響。

2.2 廣域強(qiáng)離子檢測(cè)技術(shù)

火焰廣域強(qiáng)離子檢測(cè)技術(shù)充分利用火焰的弱導(dǎo)電特性，在火焰可能經(jīng)過(guò)的區(qū)域布置檢測(cè)電極，在大區(qū)域強(qiáng)等離子流的作用下形成較強(qiáng)的信號(hào)，可以準(zhǔn)確可靠地反映火焰是否存在。火炬燃燒時(shí)，電極充分接觸火焰，強(qiáng)離子回路導(dǎo)通；火炬熄滅時(shí)，強(qiáng)離子回路不導(dǎo)通，可檢測(cè)大面積火焰，有效解決了傳統(tǒng)偏火脫火失靈、電極氧化結(jié)垢失靈的問(wèn)題。該產(chǎn)品具有良好的抗結(jié)垢性能，可靠性極高，壽命長(zhǎng)，免維護(hù)。

2.3 微正壓升降式燃燒器系統(tǒng)

微正壓升降式燃燒器由多個(gè)小燃燒器組成一個(gè)大型燃燒器，效果圖如圖1所示。燃燒器的開(kāi)度會(huì)隨著氣流的大小發(fā)生變化，能夠起到穩(wěn)定火焰的目的。當(dāng)無(wú)氣體放空時(shí)，它又能關(guān)閉火炬與外界的聯(lián)通。升降式燃燒器關(guān)閉時(shí)具有關(guān)閉密封火炬作用，配合少量燃料氣能起到速度密封、微正壓密封的作用。開(kāi)啟時(shí)，它具有穩(wěn)定燃燒、燃燒率高以及減少液體外噴等優(yōu)點(diǎn)，避免火炬熄火風(fēng)險(xiǎn)，解決了火炬安全穩(wěn)定燃燒問(wèn)題，起到顯著的安全、節(jié)能以及環(huán)保作用。

2.4 微正壓保持系統(tǒng)

微正壓保持系統(tǒng)由微正壓升降式燃燒器構(gòu)成雙密封阻火器和微正壓流程工藝管線設(shè)備組成。關(guān)閉火炬時(shí)，它保持火炬筒及放空管網(wǎng)微正壓狀態(tài)，將外部空氣完全隔絕。微正壓升降式燃燒器可改變火炬開(kāi)口大小，微正壓保持火炬工作狀態(tài)最低壓力水平，兩者結(jié)合形成小流量（關(guān)閉時(shí)幾乎無(wú)消耗）高流速的阻火效果，對(duì)放空系統(tǒng)具有機(jī)械密封、氣體密封的雙密封阻火功能，可完全阻止外界空氣入侵，使其具有“本質(zhì)安全”的性能。

3 海上氣田等離子火炬改造實(shí)施

3.1 點(diǎn)火裝置改造

采用6套等離子火焰點(diǎn)火系統(tǒng)代替3套長(zhǎng)明燈點(diǎn)火系統(tǒng)，熄滅長(zhǎng)明燈。每套等離子點(diǎn)火裝置配一套等離子火焰檢測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)點(diǎn)火器高溫等離子體電弧工作狀態(tài)。等離子火焰檢測(cè)系統(tǒng)直接安裝在等離子火焰點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)。點(diǎn)火采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)、控制室用手動(dòng)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動(dòng)控制操作模式。點(diǎn)火供電電源采用不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）。

3.2 火焰檢測(cè)裝置改造

采用6套廣域強(qiáng)離子火焰檢測(cè)系統(tǒng)代替3套熱電偶火焰檢測(cè)系統(tǒng)，保證火焰檢測(cè)準(zhǔn)確可靠。6套廣域強(qiáng)離子檢測(cè)器布置安裝在火炬燃燒器陣列的周邊不同部位，將檢測(cè)信號(hào)傳送至主機(jī)，然后上傳至站控室分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），與等離子點(diǎn)火系統(tǒng)構(gòu)成自動(dòng)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。等離子點(diǎn)火控制工藝流程如圖2所示。

3.3 火炬燃燒器改造

高壓火炬微正壓升降式組合燃燒器采用“4常明火橋+4開(kāi)關(guān)”組合方式，即采用4套DN250開(kāi)關(guān)式燃燒器，置于圓形DN900防風(fēng)罩內(nèi)均勻分布。中心DN100總管分成4套DN50長(zhǎng)明燃燒器作為泄漏氣體長(zhǎng)明燃燒器，上部若干DN5開(kāi)氣孔，組成放射狀水平管多孔燃燒器火橋，以便火焰在各燃燒器相互傳導(dǎo)。長(zhǎng)明燃燒器開(kāi)口有效面積約為火炬有效放空通道面積的1%。圖3為高壓火炬頭升降式燃燒器俯視平面圖。

3.4 放空系統(tǒng)微正壓改造

微正壓升降式組合燃燒器代替原來(lái)的火炬頭。從原吹掃氣管分出一支微正壓管線，經(jīng)微正壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)入排放總管，提供微正壓密封燃料氣。微正壓設(shè)為2.0 kPa左右。在每個(gè)總管上分別安裝3套微正壓測(cè)量?jī)x表，用于測(cè)量和點(diǎn)火聯(lián)鎖控制。在微正壓管線上安裝一套微正壓調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)微正壓用氣流量和放空管網(wǎng)壓力。微正壓保持系統(tǒng)如圖4所示。

4 等離子隨即引燃火炬應(yīng)用效果

等離子隨即引燃火炬在海上氣田投用以來(lái)，火炬系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。等離子隨即引燃火炬的應(yīng)用，一方面提升了平臺(tái)火炬系統(tǒng)的安全性和可靠性，另一方面節(jié)約了原火炬系統(tǒng)長(zhǎng)明燈及吹掃所需的燃料氣，滿足了節(jié)能、低碳的要求。

（1）采用等離子隨機(jī)引燃火炬能夠確保海上平臺(tái)火炬在各種情況下都能一次性可靠點(diǎn)燃，克服了原點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性差的缺點(diǎn)，且采用廣域火焰等離子檢測(cè)技術(shù)保證火焰檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

（2）采用微正壓保持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火炬管網(wǎng)的雙密封，可靠阻止空氣侵入，消除回火風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)改造，火炬完全符合“本質(zhì)安全”要求。

（3）長(zhǎng)明火炬每天消耗燃料氣約2 400 m3，改造后每年可節(jié)約燃料氣87.6萬(wàn)m3，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值120萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在節(jié)能減排方面，等離子隨即引燃火炬每年可節(jié)能1 000 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放2 100 t，相當(dāng)于植樹(shù)近11.7萬(wàn)棵，對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)具有重大意義和顯著的社會(huì)效益。