丁進善 張磊 李建秋 陶帥 羅凱 劉立軍
1華北油田公司第二采油廠
2華北油田公司第四采油廠天然氣管理中心
華北油田第二采油廠和第四油氣生產(chǎn)區(qū)域跨越保定市雄縣、廊坊市文安縣、霸州市、永清縣共4個市縣,主力油田位于河北省雄安新區(qū)境內。所轄的拉油點基本采用敞口裝油方式,每年VOCs(揮發(fā)性有機物)揮發(fā)量超過5×105m3,裝卸油過程中的油氣揮發(fā)不僅造成油氣資源的浪費,也存在一定的安全環(huán)保隱患[1]。
通過對原油拉運各環(huán)節(jié)進行分析,VOCs 排放主要有兩個途徑:一是通過高架罐揮發(fā),二是在裝油過程中通過拉油罐車的裝車口揮發(fā),大部分VOCs 在卸油前已經(jīng)揮發(fā)殆盡。密閉裝車過程中能回收的VOCs 遠高于密閉卸油過程中回收的VOCs,因此研究適合小斷塊油田拉油點的密閉裝車工藝比密閉卸車工藝具有更加重要的意義。
目前在國內小斷塊拉油點大多采用非密閉敞口裝油的方式,以罐車拉運為主,罐車頂部的裝油口也是敞開的。裝車過程中VOCs 自罐車裝油口進入大氣中,而且高架儲油罐內的VOCs 也直接通過呼吸閥排入大氣,造成環(huán)境污染。非密閉裝車過程如圖1所示。
圖1 非密閉裝車示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-closed loading
國內的密閉裝車工藝大多應用在輕烴裝車和成品油裝車,但是油田邊遠小斷塊拉油站由于伴生氣揮發(fā)量小且遠離系統(tǒng),原油裝車基本未實現(xiàn)密閉裝車。
為實現(xiàn)拉油點裝油過程的全密閉,采油二廠專門針對某拉油注水站研究設計了一套全自動密閉裝油工藝,并將整個工藝集成在一個裝車橇上,實現(xiàn)了橇裝化設計[2-5]。整個橇裝裝置的核心部分是一具可移動的裝車臂,裝置配備的滑軌可實現(xiàn)裝車臂的前后、左右移動,另外還配套了連桿機構,可實現(xiàn)裝車臂的垂直升降??梢苿邮窖b車臂如圖2所示。
圖2 可移動式裝車臂Fig.2 Movable loading arm
同時裝車橇還安裝了工業(yè)攝像機和可移動式裝車臂配套伺服電動機,工業(yè)攝像機能自動尋找罐口,找到罐口后由伺服電動機驅動裝車臂對準罐口,并將裝車臂插入罐車內部進行裝油,實現(xiàn)了裝車臂尋罐和入罐的全自動化。
自動裝車:在鶴管下降到位后,系統(tǒng)自動啟動電動閥和容積泵,按照設定的生產(chǎn)流程進行生產(chǎn),當密封帽上的液位檢測儀確認裝車到位后,自動停機,鶴管復位,并提醒裝車人員裝車結束。
自動計量:裝車鶴管垂管上自帶液面檢測系統(tǒng)[6],對于原油介質,使用射頻傳感器或超聲傳感器,在實現(xiàn)裝車到位檢測的同時還可以根據(jù)槽車的容積表,實現(xiàn)裝車量的體積計量。
裝車過程中隨著裝車量的增加,罐車的質量越來越大,罐車輪胎在承受壓力的情況下會被壓縮,整個罐車高度會下降,罐車裝油口隨之下降,給罐口密封帶來了困難。
針對裝車過程中下沉的問題,在裝車臂末端安裝密封層和固定層,裝車過程中固定層固定在裝車臂上,密封層緊貼罐口實現(xiàn)罐車的密封;密封層與固定層之間設置壓力檢測機構,隨著裝車量增加,罐車在重力作用下開始下沉,壓力檢測機構在檢測到密封層與固定層之間壓力下降后會調整密封層,此時密封層會跟著下降,確保裝車全程密閉。裝車臂密封結構如圖3所示。
圖3 裝車臂密封結構Fig.3 Sealing structure of loading arm
拉油點的VOCs 揮發(fā)主要有兩個途徑[7-8],一是VOCs 自高架罐頂部的呼吸閥直接向大氣排放,二是在裝車過程中罐車內的原油受動擾動后,VOCs從原油中分離出來,從拉油罐車的罐口揮發(fā)。針對這兩個揮發(fā)方式在某拉油注水站分別設計了兩套VOCs回收工藝,能實現(xiàn)95%以上的VOCs回收。
5.1.1 高架罐工藝
在高架罐呼吸閥底部建集氣線至抽氣裝置進口,高架罐頂部的集氣匯管上安裝壓力變送器,當壓力變送器檢測到集氣匯管壓力達到0.5 kPa 時,信號傳輸至抽氣裝置控制柜,控制柜將啟動抽氣裝置將揮發(fā)氣抽至已建的氣系統(tǒng),待集氣匯管壓力低于0.1 kPa 時抽氣裝置自動停止抽氣。大罐抽氣進口安裝含氧量檢測儀,一旦檢測到回收揮發(fā)氣中含有氧氣,抽氣裝置將會緊急停車,防止氧氣進入氣系統(tǒng)。高架罐VOCs回收工藝如圖4所示。
圖4 高架罐VOCs回收工藝Fig.4 VOCs recovery process of overhead tank
5.1.2 拉油罐車工藝
裝車橇的裝車臂與裝油線配備了1 條回氣線,裝油線和回氣線固定在一起,共同設計在罐口的密封層內。裝車時裝油線伸入拉油罐車罐底部,而回氣線進口在拉油罐車頂部的罐口附近位置。裝車過程中罐車的罐口密封,高架罐內的原油通過裝油線進入罐車內部,罐內的揮發(fā)氣經(jīng)回氣線串進高架罐集氣干線,罐車內揮發(fā)氣與高架罐揮發(fā)氣一同經(jīng)抽氣裝置輸送至氣系統(tǒng)。拉油罐車VOCs 回收工藝如圖5所示。
圖5 拉油罐車VOCs回收工藝Fig.5 VOCs recovery process of oil truck
為解決沒有伴生氣處理系統(tǒng)時高架罐VOCs 揮發(fā)問題,可在拉油點安裝瓦斯發(fā)電機,高架罐回收的揮發(fā)氣和油井套管氣經(jīng)干燥后供瓦斯發(fā)發(fā)電機發(fā)電,瓦斯發(fā)電機發(fā)電后供抽油機電動機和高架罐電伴熱用電。目前在采油二廠家19拉油點等3座拉油點采取此方式進行VOCs 回收利用。
回收利用工藝:自油井套管取氣,套管氣經(jīng)過節(jié)流閥后與來自高架罐的回收氣混合[9-10],經(jīng)調壓閥調節(jié)壓力至0.5 MPa 以下進干燥器干燥,低壓氣經(jīng)過干燥器干燥后供瓦斯發(fā)電機發(fā)電?;厥绽霉に嚾鐖D6所示。
圖6 回收利用工藝Fig.6 Recycling process
(1)罐車就位并停好后連接靜電接地裝置,靜止5 min完成靜電釋放。
(2)啟動裝車橇開始自動尋找罐口,找到罐口后伺服電動機驅動裝車臂伸入罐車內部。
(3)裝車臂就位后,罐口密封機構會自動調節(jié)密封層的位置進行密封,完成密封后裝車閥門自動開啟,進行裝車。
(4)裝車過程中的VOCs 和高架罐內的VOCs,通過VOCs 回收工藝經(jīng)大罐抽氣裝置抽至伴生氣回收系統(tǒng)。
(5)當罐車內液位到達指定位置時,裝車臂上的液位探測儀會發(fā)出停止裝車信號,裝車閥門關閉,自動裝車橇停止裝車,同時裝車臂自動收回。
拉油注水站安裝密閉裝車橇,同時配套伴生氣回收系統(tǒng),在華北油田尚屬首例。該裝置于2021年8月投運,目前裝車橇整體運行情況良好,減少VOCs 排放7×104m3/a,年創(chuàng)效10 萬元,氣裝置運行及維護成本全年需3萬元,可節(jié)約成本7萬元。
2022 年計劃在兩座拉油點推廣使用,兩座裝油點在完成改造后每年可回收VOCs約1×105m3。
在家19等3座拉油點進行套管氣回收利用,將多余的套管氣用于發(fā)電供抽油機和電加熱裝置。套管氣回收利用總投資60萬元,回收利用后3座拉油點每年節(jié)電超過5×105kWh,年創(chuàng)效35 萬元,除去運行維護成本后經(jīng)濟效益26萬元/年。
國內裝卸油點的裝卸方式大多為敞口裝卸,存在VOCs 排放不達標的問題。近幾年通過技術改進,部分油田已研制了密閉卸油工藝,但裝油點的裝油工藝非密閉的問題仍然沒有得到有效的解決,華北油田采油二廠在某拉油注水站安裝的密閉裝車橇,有效解決了這一問題,具有廣闊的應用前景。同時對沒有氣處理系統(tǒng)的拉油點實施套管氣綜合利用,也能降低VOCs揮發(fā)量。