石涵楊勇楊葉杜洋洋付峻李春輝

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司白云天然氣作業(yè)公司）

南海某深水氣田群包括A、B、C、D四個(gè)深水氣田，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)將所有井流匯合后經(jīng)深水海管輸送至中心平臺(tái)進(jìn)一步處理，通過(guò)預(yù)增壓、脫水合格后的干氣，與上游平臺(tái)輸送的合格干氣增壓后同增壓后的凝析油混輸至陸岸終端進(jìn)行深度處理[1]，平臺(tái)設(shè)置有兩套三甘醇脫水裝置，每天產(chǎn)生約5 000 Sm3低壓火炬氣，同時(shí)通過(guò)凝析油分離器和緩沖罐閃蒸的高壓火炬氣達(dá)到2×104Sm3/d，由于閃蒸氣氣量大壓力低，低壓閃蒸氣烴重溫度高等特性，給平臺(tái)的火炬系統(tǒng)帶來(lái)了一系列問(wèn)題，如：火炬黑煙嚴(yán)重，火炬燃燒量大，大量的溫室氣體被排放等問(wèn)題[2]，與海油集團(tuán)公司的“綠色、低碳”發(fā)展戰(zhàn)略相違背，火炬氣回收項(xiàng)目勢(shì)在必行[3]。

目前已建成的海上油氣開(kāi)采平臺(tái)，因受制于設(shè)施面積，大多未設(shè)置火炬氣回收裝置。在部分海上油田設(shè)施中通過(guò)后期的流程改造和新增設(shè)備實(shí)現(xiàn)了火炬氣回收，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。例如，渤海某油田通過(guò)增設(shè)壓縮機(jī)回收裝置，每年回收天然氣約1.05×104Sm3減少碳排放量約2 500 t[4]；渤海某油田通過(guò)增設(shè)射流增壓回收裝置[5]，日均可回收天然氣1.0×104Sm3。此外，在陸岸氣田處理廠火炬氣回收項(xiàng)目也有一定的應(yīng)用，如蘇里格天然氣處理廠通過(guò)火炬氣回收每年可節(jié)省約200×104Sm3的天然氣[6]，大大降低了火炬放空氣量，收益顯著，但在海上氣田設(shè)施中火炬氣回收項(xiàng)目暫未得到成功應(yīng)用。基于南海某深水氣田處理平臺(tái)開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，研究適用于本項(xiàng)目的火炬氣回收方案，包括低壓火炬氣回收和高壓火炬氣回收等，在減排增效的同時(shí)也為后期天然氣處理設(shè)施提供借鑒。

1 高壓火炬氣回收方案選擇

1.1 凝析油處理系統(tǒng)

基于氣田凝析油的特性，凝析油處理選用二級(jí)處理加過(guò)濾聚結(jié)流程，高壓火炬氣回收處理流程方案1如圖1所示，既段塞流捕集器和三相分離器完成兩級(jí)分離，再通過(guò)凝析油分離器和凝析油聚結(jié)器完成過(guò)濾和深度脫水，再進(jìn)入凝析油緩沖罐完成增壓外輸，來(lái)自上游平臺(tái)的凝析油進(jìn)入緩沖罐。三相分離器通過(guò)閃蒸氣穩(wěn)壓，緩沖罐通過(guò)覆蓋氣和上游平臺(tái)凝析油閃蒸氣穩(wěn)壓，壓力超過(guò)設(shè)定點(diǎn)后進(jìn)入高壓火炬系統(tǒng)燃燒排放。

圖1 高壓火炬氣回收處理流程方案1Fig.1 High pressure flare gas recovery process scheme 1

1.2 高壓火炬氣組分分析

高壓火炬氣來(lái)源有二，一為凝析油閃蒸氣，二為緩沖罐覆蓋氣，覆蓋氣來(lái)源于干氣。通過(guò)組分分析可知，高壓火炬氣以C1～C3為主，約占92.59%，低熱熱值較高（34.54 MJ/m3），經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)算，高壓火炬氣放空量日均2×104Sm3，回收價(jià)值可觀。

1.3 高壓火炬氣回收處理流程方案選擇

針對(duì)大量閃蒸氣排放燃燒問(wèn)題，高壓火炬氣回收處理流程初步確定為以下兩種方案：

方案1：新增一臺(tái)高壓閃蒸氣壓縮機(jī)，將高壓閃蒸氣由2 000 kPaG增壓至2 500 kPaG，以滿(mǎn)足濕氣壓縮機(jī)入口壓力，從而通過(guò)濕氣壓縮機(jī)回收高壓閃蒸氣，如圖1虛線所示。

方案2：新增一臺(tái)凝析油增壓泵，提高二級(jí)分離系統(tǒng)和凝析油閃蒸罐壓力，保證高壓閃蒸氣壓力高于2 500 kPaG，并新增管線將閃蒸氣引入濕氣壓縮機(jī)入口，從而達(dá)到回收的目的，如圖2虛線所示。

圖2 高壓火炬氣回收處理流程方案2Fig.2 High pressure flare gas recovery process scheme 2

兩種方案中，高壓閃蒸氣均通過(guò)濕氣壓縮機(jī)完成最后的回收。

方案1：高壓氣體分開(kāi)進(jìn)入新增的高壓縮機(jī)增壓后回收至濕氣壓縮機(jī)入口；需要設(shè)置一臺(tái)處理量為2×104Sm3/d（天然氣）的高壓閃蒸氣壓縮機(jī)；凝析油系統(tǒng)有預(yù)留接口，改造相對(duì)容易。

方案2：新增凝析油增壓泵，提高凝析油處理系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)高壓放空氣回收；凝析油增壓泵處理量為120 m3/h液量；凝析油增壓泵體積小，操維簡(jiǎn)單，可考慮備用；凝析油系統(tǒng)有預(yù)留接口，改造相對(duì)容易。

對(duì)于已投產(chǎn)設(shè)施的后期改造應(yīng)遵循盡量少增加設(shè)備、少改造流程的原則，同時(shí)盡可能減少設(shè)備的操維難度，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。兩種方案均可以達(dá)到100%回收的目的，但是對(duì)比壓縮機(jī)和離心泵的控制邏輯和操作難度，使用離心泵對(duì)系統(tǒng)操作壓力增壓可大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，通過(guò)校核計(jì)算，凝析油增壓泵在系統(tǒng)增壓后的入口壓力由2 000 kPaG提高至2 500 kPaG，流量、揚(yáng)程均未超設(shè)計(jì)范圍，因此選擇方案2作為平臺(tái)高壓火炬氣回收方案。

2 低壓火炬氣回收方案選擇

平臺(tái)低壓火炬氣主要來(lái)源有三甘醇再生系統(tǒng)汽提氣和乙二醇再生系統(tǒng)的放空氣，單日放空氣量為5000 Sm3，其中汽提氣占比60%以上，汽提氣溫度最高可達(dá)90℃，在低壓火炬分液罐中混合后，溫度約為50℃，因此部分重?zé)N（C4及以上含量達(dá)13.74%）進(jìn)入火炬燃燒，產(chǎn)生大量黑煙。低壓火炬放空氣壓力10 kPaG，需要增壓至2 500 kPaG后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)，增壓比達(dá)250，回收難度大，為此對(duì)低壓火炬整體回收技術(shù)進(jìn)行了研究并確定了基本方案。

2.1 低壓火炬放空氣常用回收方法研究

海上低壓火炬氣的整體回收是近幾年發(fā)展起來(lái)的新工藝、新課題，經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐基本形成了水封罐回收法和壓力控制系統(tǒng)回收法兩種較為成熟的方案[7]，近年來(lái)新型的等離子隨即引燃火炬技術(shù)逐步被推廣應(yīng)用。

水封罐回收法是在火炬管線中間端加裝三通，一端引入火炬氣回收壓縮機(jī)，一端通過(guò)設(shè)置合適水位的水封罐來(lái)實(shí)現(xiàn)火炬分液罐與火炬頭之間的隔離，并實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)穩(wěn)定的入口壓力，當(dāng)大氣量泄放天然氣時(shí)火炬氣能順利沖破水封液柱阻力，保證安全生產(chǎn)[8]，如圖3左所示。吐哈油田下屬的三個(gè)聯(lián)合站分別采用了水封罐回收法回收成功的實(shí)施火炬氣回收項(xiàng)目，回收天然氣單日可達(dá)5.2×104Sm3，取得了具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[9]。

壓力控制系統(tǒng)回收法通過(guò)在火炬管線上設(shè)置快開(kāi)閥、爆破片以及壓力控制閥中的兩種或者三種的組合體，使得火炬分液罐與火炬頭隔離，同時(shí)將低壓火炬氣引入回收壓縮機(jī)。在異常情況下快開(kāi)閥根據(jù)設(shè)定的邏輯開(kāi)啟將火炬氣泄放至火炬，若快開(kāi)閥失效則爆破片打開(kāi)達(dá)到雙重保護(hù)的功能[10]，低壓火炬整體回收方案示意圖見(jiàn)圖3。某海上油田通過(guò)使用壓力控制法，在火炬管線上設(shè)置控制法、快開(kāi)閥、爆破片三者并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了6×104Sm3/d的火炬氣回收。

圖3 低壓火炬整體回收方案示意圖Fig.3 Overall recovery scheme of low pressure flare

等離子體點(diǎn)火助燃是利用氣體放電形成局部高溫區(qū)域，并激發(fā)大量的活性粒子，實(shí)現(xiàn)快速的點(diǎn)燃可燃混合氣或強(qiáng)化燃燒的進(jìn)程，高溫持續(xù)等離子火焰溫度高達(dá)6 000℃以上，等離子閃電瞬間溫度高達(dá)20 000℃以上。對(duì)應(yīng)的火炬頭采用微正壓升降式燃燒器，為同心雙管籠套式結(jié)構(gòu)，在無(wú)火炬氣時(shí)依靠自身重力達(dá)到密封的效果，升降器可根據(jù)實(shí)際的開(kāi)啟壓力、摩阻力等進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，新型的等離子隨即引燃火炬在點(diǎn)火和密封上具有一定的優(yōu)勢(shì)，如圖4所示為微正壓升降式燃燒器的效果示意圖。該技術(shù)在普光氣田得到實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過(guò)調(diào)研確認(rèn)，普光等離子隨即引燃火炬投運(yùn)三年來(lái)，運(yùn)行狀況良好，2021年該技術(shù)已在南海某小型天然氣平臺(tái)得到實(shí)際推廣應(yīng)用，運(yùn)行效果有待進(jìn)一步確認(rèn)。

圖4 微正壓升降式燃燒器效果示意圖Fig.4 Effect diagram of micro positive pressure lifting burner

2.2 低壓火炬氣回收放案選擇

該天然氣平臺(tái)屬于深水天然氣開(kāi)采平臺(tái)，日產(chǎn)天然氣峰值可達(dá)2 000×104Sm3/d，緊急情況時(shí)天然氣泄放量大，為此平臺(tái)決定保持火炬長(zhǎng)明，舍棄新型的等離子隨即引燃技術(shù)。在水封罐回收法和壓力控制回收法兩種方法對(duì)比優(yōu)選：

1）水封罐回收法。主要設(shè)備采用水封罐、補(bǔ)水系統(tǒng)、低壓氣回收壓縮機(jī)，該方法優(yōu)點(diǎn)是在陸地油田得到廣泛應(yīng)用，安全系數(shù)高；缺點(diǎn)是設(shè)備占用空間大，海上推廣應(yīng)用受限。

2）壓力控制回收法。主要設(shè)備采用壓力控制系統(tǒng)，該方法優(yōu)點(diǎn)是改造簡(jiǎn)單，占地空間小，且海上油田有實(shí)際應(yīng)用案例；缺點(diǎn)是設(shè)備占用空間大，事故工況下對(duì)閥門(mén)的性能要求高，爆破片損壞后需要停產(chǎn)進(jìn)行更換。

水封罐高度設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)最高操作壓力、最大泄放氣量、液體沉降高度（避免火雨）等多種因素，經(jīng)過(guò)核酸水封罐尺寸為ID2.5 m×9.0 m T/T，同時(shí)還需增設(shè)相應(yīng)的配套補(bǔ)水系統(tǒng)，設(shè)備多且體積大，因此水封罐一般適用于新建平臺(tái)或者空間較大的設(shè)施。如圖5所示為基于壓力控制回收法進(jìn)行設(shè)計(jì)的低壓火炬氣回收方案，可實(shí)現(xiàn)如下功能：

圖5 壓力控制回收法進(jìn)行設(shè)計(jì)的低壓火炬氣回收方案Fig.5 Low pressure flare gas recovery scheme designed by pressure control recovery method

1）安裝通徑的快開(kāi)閥，應(yīng)急情況下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，可滿(mǎn)足正常泄壓。

2）當(dāng)快開(kāi)閥故障或者打開(kāi)時(shí)間過(guò)慢，上游壓力上升時(shí)觸發(fā)爆破片破裂，完成緊急泄壓。

3）安裝小尺寸的壓力控制閥，控制壓縮機(jī)入口壓力穩(wěn)定在一定值，保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)保證瞬間泄放量超過(guò)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)值（隔離泄壓等）時(shí)不至于關(guān)停壓縮機(jī)。

4）在爆破片和PV上下游安裝隔離閥，可以保證PV和爆破片的檢修不影響正常生產(chǎn)。

5）快開(kāi)閥和PV均采用FO（故障開(kāi)），故障時(shí)可以自動(dòng)全開(kāi)。

6）PV一路采用小管徑可以減少空間和成本的投入。

7）火炬下游采用氮?dú)饣蛘呷剂蠚庑×髁看祾撸ɑ蚴褂肞V小開(kāi)度）可保證火炬微正壓。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

該平臺(tái)的高壓和低壓火炬氣回收項(xiàng)目總投資約為1 000萬(wàn)元，在解決了火炬黑煙問(wèn)題的同時(shí)，每年共計(jì)回收火炬氣約800×104Sm3，預(yù)計(jì)每年節(jié)能減排9 300 t標(biāo)煤，直接減少CO2排放2.27×104t?？梢?jiàn)，該平臺(tái)火炬氣回收項(xiàng)目是一項(xiàng)既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會(huì)效益的工程，對(duì)促進(jìn)海洋石油向綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目屬于國(guó)內(nèi)海上天然氣平臺(tái)首個(gè)火炬氣改造項(xiàng)目，為其他海上氣田進(jìn)行火炬氣回收提供了借鑒。

1）在進(jìn)行方案選擇時(shí)充分考慮自身流程和鄰近平臺(tái)的處理壓力，最大限度的減少壓力損失、設(shè)備的數(shù)量以及操維難度；盡量利用原有壓力，避免系統(tǒng)增壓、降壓再增壓的情況，增設(shè)凝析油增壓泵提高操作壓力進(jìn)行高壓火炬氣回收，降低投資，并獲得最大的收益。

2）在對(duì)低壓火炬氣進(jìn)行回收時(shí)，創(chuàng)新性對(duì)壓力控制法進(jìn)行了改造，采用了爆破片、壓力控制閥、快開(kāi)閥三者并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)入口壓力自動(dòng)調(diào)整、爆破片在線更換、閥門(mén)在線檢修等，保證了氣田的生產(chǎn)安全。

3）該平臺(tái)的火炬氣回收處理流程是在基于天然氣特有的處理工藝設(shè)計(jì)而成，該處理流程使得95%以上的火炬氣得到增壓，以滿(mǎn)足濕氣壓縮機(jī)入口壓力從而實(shí)現(xiàn)火炬氣回收，徹底解決了火炬氣冒黑煙的問(wèn)題，大大減少了火炬的放空氣量。