薛超 吳昊 何懿倫 朱德聞

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

油田聯(lián)合站是油田生產(chǎn)的中樞，主要目標(biāo)是通過油氣處理設(shè)施生產(chǎn)飽和蒸氣壓、含水率等指標(biāo)合格的原油及壓縮副產(chǎn)的伴生氣并外輸進(jìn)行綜合利用[1-3]。為實(shí)現(xiàn)不同的工藝目的可以將聯(lián)合站的所有工藝流程分為原油處理系統(tǒng)、伴生氣壓縮系統(tǒng)、原油儲(chǔ)存系統(tǒng)等。原油處理過程中在油氣系統(tǒng)超壓、設(shè)備檢修或聯(lián)合站出現(xiàn)火災(zāi)、油氣泄漏等緊急工況時(shí)，均需將裝置中大量的伴生氣排放至火炬管網(wǎng)系統(tǒng)以降低系統(tǒng)壓力，保障現(xiàn)場(chǎng)操作人員和設(shè)備安全[4-5]。

聯(lián)合站泄放源位于不同工藝系統(tǒng)，其排放介質(zhì)組成、溫度、壓力、泄放量均不相同。在保證安全和泄放需求的前提下降低固定投資，需將泄放源分類，對(duì)火炬管網(wǎng)所連接的所有泄放源進(jìn)行工況分析，得出該火炬泄放系統(tǒng)的最大泄放工況[4-7]。借助Aspen Flare System Analyzer 軟件進(jìn)一步對(duì)整個(gè)火炬泄放系統(tǒng)的主匯管及支管尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和核算[8-9]，確?；鹁嫘狗畔到y(tǒng)滿足API STD 521—2020 《減壓和泄壓系統(tǒng)》、API STD 520—2020《煉油廠泄壓裝置定徑、選擇和安裝》[10-11]標(biāo)準(zhǔn)的要求。此設(shè)計(jì)依托國(guó)外某油田的火炬系統(tǒng)，對(duì)火炬管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。

1 油氣處理工藝流程

國(guó)外某油田原油設(shè)計(jì)產(chǎn)量為每天20×104bbl，伴生氣設(shè)計(jì)外輸量為480×104m3/d（標(biāo)況，下同）。油氣處理流程如圖1 所示。含水原油首先進(jìn)入一級(jí)分離器（1.1 MPa(G)下同，50 ℃）進(jìn)行一次油氣水分離。一級(jí)分離器處理后原油加熱至105 ℃并減壓至0.3 MPa 后，進(jìn)入二級(jí)分離器進(jìn)行二次油氣水分離。二級(jí)分離器處理后原油再減壓至0.02 MPa后進(jìn)入穩(wěn)定塔（0.02 MPa，100 ℃）閃蒸后，合格原油從出口進(jìn)入原油儲(chǔ)罐儲(chǔ)存或外輸。穩(wěn)定塔塔頂伴生氣（0.02 MPa，100 ℃）經(jīng)穩(wěn)定氣壓縮單元（共2 套，每套設(shè)計(jì)壓縮量1.25×104m3/h）壓縮冷卻后（0.3 MPa，60 ℃）與二級(jí)分離器產(chǎn)生的伴生氣（0.3 MPa，120 ℃）匯合進(jìn)入低壓壓縮機(jī)單元（共1 套，每套設(shè)計(jì)壓縮量3.333 3×104m3/h）。經(jīng)壓縮冷卻后（1.1 MPa，60～65 ℃）與一級(jí)分離器伴生氣（1.1 MPa，50 ℃）匯合進(jìn)入高壓壓縮機(jī)單元（共3 套，每套設(shè)計(jì)壓縮量6.666 7×104m3/h）。經(jīng)壓縮冷卻后（4.7 MPa，60～65 ℃）外輸至用戶。

圖1 聯(lián)合站油氣處理工藝流程Fig.1 Oil and gas treatment process flow of the multi-purpose station

2 火炬泄放系統(tǒng)工藝優(yōu)化

該油田火炬系統(tǒng)泄放源操作壓力范圍為0.0035～4.7 MPa，主要泄放方式可分為調(diào)壓放空（PV）、事故泄放（PSV）、緊急泄放（BDV），各閥門的最大背壓應(yīng)小于最大允許背壓（約設(shè)定壓力的10%），常規(guī)流程中，各泄放源均公用同一火炬泄放系統(tǒng)。但部分情況下需多泄放源同時(shí)泄放。例如壓縮機(jī)投產(chǎn)前，一級(jí)、二級(jí)分離器伴生氣需要全量泄放至火炬系統(tǒng)，即PV-1A（1.1 MPa）和PV-2A（0.3 MPa）全量泄放，但原油儲(chǔ)罐操作壓力較低，若PV-4A 與PV-1A 處于同一火炬管網(wǎng)，需為PV-4A 提供巨大尺寸尾管和主匯管，以滿足呼吸閥PV-4A 背壓低于0.003 5 MPa 的需求，將極大增加項(xiàng)目固定投資（A、B、C、D 列的工藝參數(shù)均相同）。

針對(duì)以上問題，建議優(yōu)化單火炬管網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)泄放源壓力，劃分為高、低壓火炬雙管網(wǎng)系統(tǒng)，主要泄放源、泄放系統(tǒng)管網(wǎng)、排放物標(biāo)況密度、泄放壓力和溫度、泄放量等參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 高壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)泄放源Tab.1 Relief sources of high-pressure flare pipe network system

表2 低壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)泄放源Tab.2 Relief sources of low-pressure flare pipe network system

3 泄放工況分析

火炬系統(tǒng)泄放源較多，應(yīng)首先分別計(jì)算各泄放源負(fù)荷，再分析同一管網(wǎng)中所有可能的組合泄放形式，進(jìn)而確定設(shè)計(jì)泄放量和最大負(fù)荷。最大負(fù)荷并不一定是最大的排放量，最大負(fù)荷應(yīng)是泄放介質(zhì)流經(jīng)整個(gè)處理系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生最大壓力損失的流量。對(duì)于高、低壓火炬雙管網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)按照高壓火炬泄放系統(tǒng)和低壓火炬泄放系統(tǒng)分別進(jìn)行工況分析。

3.1 高壓火炬泄放系統(tǒng)

由于聯(lián)合站壓縮伴生氣的下游用戶需求量不穩(wěn)定，因此存在1 臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)不運(yùn)行，一級(jí)、二級(jí)分離器產(chǎn)生的伴生氣部分或全部泄放至高壓火炬系統(tǒng)的工況。

高壓壓縮機(jī)不運(yùn)行時(shí)，低壓壓縮機(jī)也不運(yùn)行。為了確定系統(tǒng)負(fù)荷，不需要假設(shè)互不相干的2 個(gè)或更多偶然事故同時(shí)發(fā)生。例如，無(wú)需考慮2 個(gè)不存在邏輯關(guān)系的安全閥同時(shí)起跳，無(wú)需考慮因火災(zāi)導(dǎo)致2 個(gè)安全閥同時(shí)起跳，無(wú)需考慮2 個(gè)工藝設(shè)備距離460 m2以外的火災(zāi)工況同時(shí)泄放。根據(jù)以上分析，高壓火炬系統(tǒng)可能的最大負(fù)荷工況如表3所示。

表3 高壓火炬泄放系統(tǒng)泄放工況Tab.3 Relief conditions of high-pressure flare relief system

3.2 低壓火炬泄放系統(tǒng)

聯(lián)合站壓縮伴生氣的下游用戶需求量不穩(wěn)定時(shí)，存在只有1 臺(tái)或沒有穩(wěn)定氣壓縮機(jī)運(yùn)行的情況，穩(wěn)定塔產(chǎn)生的伴生氣部分或全部泄放至低壓火炬系統(tǒng)的工況；不存在2 個(gè)安全閥同時(shí)起跳的工況。根據(jù)以上分析，低壓火炬系統(tǒng)可能的最大負(fù)荷工況如表4 所示。

表4 低壓火炬泄放系統(tǒng)泄放工況Tab.4 Relief conditions of low-pressure flare relief system

4 火炬管網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)

以該油田總平面布置圖、管線和儀表控制圖及配管初步3D 模型為基礎(chǔ)，通過Aspen Flare System Analyzer 火炬管網(wǎng)系統(tǒng)模擬計(jì)算軟件，分別建立典型站場(chǎng)高壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)（圖2）和低壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)模型（圖3）。

圖2 聯(lián)合站高壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 High-pressure flare pipe network system of the multi-purpose station

圖3 聯(lián)合站低壓火炬管網(wǎng)系統(tǒng)Fig.3 Low-pressure flare pipe network system of the multi-purpose station

對(duì)于多壓力泄放源的火炬管網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)各釋放源實(shí)際位置，分析每段管線的最大負(fù)荷和最快流速。當(dāng)泄放流速過快時(shí)，泄放介質(zhì)在流動(dòng)過程中對(duì)截面的剪應(yīng)力和管線的摩擦具有很大的沖擊力，破壞泄放管網(wǎng)的管線穩(wěn)定性，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。根據(jù)API STD 521—2020 《減壓和泄壓系統(tǒng)》中的規(guī)定，一般主匯管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.2，支管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.5。緊急泄放工況下，火炬泄放系統(tǒng)主匯管的馬赫數(shù)應(yīng)低于0.5，支管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.7。

經(jīng)計(jì)算，高壓火炬系統(tǒng)最大處理量為26.684 4×104kg/h，低壓火炬系統(tǒng)最大處理量為8.345 8×104kg/h，使用Aspen Flare System Analyzer 設(shè)計(jì)模塊確定高壓火炬管網(wǎng)主匯管尺寸為1 000 mm，低壓火炬管網(wǎng)主匯管尺寸為1 150 mm，高、低壓火炬管網(wǎng)模擬主匯管最大背壓和主匯管最大馬赫數(shù)如表5、表6 所示，符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

表5 高壓火炬泄放系統(tǒng)泄放工況計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of relief conditions for high-pressure flare relief system

表6 低壓火炬泄放系統(tǒng)泄放工況計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of relief conditions for low-pressure flare relief system

5 極端泄放工況校核

高、低壓火炬管網(wǎng)在極端工況下的泄放應(yīng)保證各安全閥泄放源的連接支管最大馬赫數(shù)均小于0.7的流速要求，同時(shí)還要考慮到泄放過程中在泄放源處的最大背壓。泄放源的泄放量在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，最大泄放量是以其最大允許背壓為前提的，如果泄放過程中背壓超過最大允許背壓，泄放源在極端工況下的泄放量將不能滿足泄放需求，被保護(hù)容器或流程依然將面臨超壓威脅。

最大馬赫數(shù)應(yīng)為火炬管網(wǎng)壓力為常壓時(shí)，泄放源按設(shè)計(jì)泄放量泄放時(shí)的馬赫數(shù)；最大泄放背壓應(yīng)為非事故工況的泄放量最大時(shí)，泄放源按設(shè)計(jì)泄放量泄放時(shí)的背壓。表7、表8 為火炬泄放系統(tǒng)極端泄放工況校核結(jié)果。

表7 高壓火炬泄放系統(tǒng)極端泄放工況校核Tab.7 Verification of extreme relief conditions for high-pressure flare relief system

表8 低壓火炬泄放系統(tǒng)極端泄放工況校核Tab.8 Verification of extreme relief conditions for low-pressure flare relief system

6 結(jié)論

以典型油田聯(lián)合站為例，通過泄放源分析、泄放工況分析和Aspen Flare System Analyzer 軟件對(duì)火炬泄放管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和模擬研究，得到以下結(jié)論：

（1）如果泄放源壓力相差較大，應(yīng)將火炬系統(tǒng)拆分為2 套獨(dú)立的火炬管網(wǎng)，分別泄放，可大幅降低裝置整體投資。

（2）各火炬管網(wǎng)應(yīng)利用Aspen Flare System Analyzer 工藝設(shè)計(jì)和模擬，確認(rèn)主匯管尺寸和支管尺寸，并保證火炬系統(tǒng)主匯管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.2，支管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.5。緊急泄放工況下，火炬泄放系統(tǒng)主匯管的馬赫數(shù)應(yīng)低于0.5，支管馬赫數(shù)應(yīng)低于0.7。

（3）火炬管網(wǎng)計(jì)算過程中，應(yīng)依次進(jìn)行泄放系統(tǒng)分析、泄放工況分析、火炬系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)，并根據(jù)極端泄放工況對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行校核，確保連接支管最大馬赫數(shù)均小于0.7，最大泄放背壓均小于最大允許背壓。