渤西終端放空天然氣回收工藝方案研究

張時佳 張 斌

天津中海油工程設計有限公司，天津 300452

0 前言

火炬用來處理工藝過程中無法收集和再加工的可燃氣體，是保障安全生產的重要設施。 在火炬中被燃燒的烴類等可燃氣體量相當可觀。 據統(tǒng)計，我國每年約有16×108m3的天然氣被放空燒掉。近十多年來，世界各國開始對火炬系統(tǒng)進行改造，將放空天然氣回收利用［1］。 不僅提高經濟效益，而且節(jié)能減排，同時延長火炬的使用壽命。

本文以渤西終端為例，對火炬放空系統(tǒng)中放空天然氣回收的工藝方案進行研究。

1 國內外放空天然氣回收工藝

目前國內外用于放空天然氣回收的工藝方法主要有兩種：氣柜回收放空天然氣工藝和在線壓縮機直接回收放空天然氣工藝。 這兩種回收工藝的優(yōu)缺點如下：

a)氣柜回收放空天然氣工藝，由于氣柜具有緩沖、調節(jié)功能，可以穩(wěn)定壓縮機入口壓力，避免壓力波動，但存在投資高，占地大的缺點。

b) 在線壓縮機直接回收放空天然氣工藝，壓縮后送往燃料氣系統(tǒng)，流程簡單，占地少，操作方便，但受來氣壓力影響會造成壓縮機經常啟/停轉換［2］。

放空天然氣回收工藝技術的關鍵是壓縮機，由于放空天然氣的流量和組成波動很大，壓縮機的選擇比較困難。 在選擇壓縮機回收放空天然氣前，應對放空天然氣的流量和組成進行長期測定，求其平均值。 根據平均值選擇壓縮機，若壓縮機選擇過小，則放空天然氣不能充分回收，選擇過大，由于部分氣體經常打循環(huán)而多耗電。目前國內用于放空天然氣回收的壓縮機大多采用螺桿壓縮機［3］。

1.1 國內放空天然氣回收工藝

1.1.1 氣柜回收放空天然氣工藝

低壓放空天然氣從火炬系統(tǒng)管網通過氣液分離器向氣柜輸送放空天然氣，緩沖沉降后，經壓縮機增壓送入鍋爐摻燒。按放空天然氣氣量10%的余量選取氣柜容積，以保證3 h 的放空天然氣儲存量。其儲存形式選用垂直升降橡膠膜密封干式氣柜。 為保證放空天然氣穩(wěn)定回收，通常設置2 臺螺桿壓縮機組［4］。 工藝流程見圖1。

圖1 氣柜回收放空天然氣工藝流程

1.1.2 在線壓縮機回收放空天然氣工藝

正常操作條件下，放空天然氣經回收管線匯集，由壓縮機增壓， 再進入分離器進行氣液分離后供用戶使用。 壓縮機出口分離器設安全閥，其泄放氣體返回放空天然氣回收管線。同時，壓縮機出口管線設止回閥。放空天然氣回收后，火炬筒內氣量降低，有缺氣工況，無法維持筒內正壓，會出現(xiàn)空氣倒吸回火現(xiàn)象，需在回收流程中設置水封罐。

安全閥泄放工況下，放空天然氣氣量較大，放空管壓力增加，壓縮機回收部分放空天然氣，剩余部分氣體突破水封罐水封， 自動點火系統(tǒng)檢測水封罐后氣體流量，點火燃燒［5］。 工藝流程見圖2。

圖2 在線壓縮機回收放空天然氣工藝流程

1.2 國外放空天然氣回收工藝

1998 年，Umoe 工藝技術公司（UPT）開發(fā)的火炬放空天然氣回收系統(tǒng)在北海挪威海區(qū)得到了廣泛應用，該系統(tǒng)大幅降低了該海域的火炬放空量，降低了二氧化碳及氮氣的排放。

Gullfaks A 在應用該系統(tǒng)前， 每年放空2 300×104m3的氣體，投產后該部分氣體用于用戶外輸，每年可節(jié)約近2 000 萬挪威克朗。

圖3 國外放空天然氣回收工藝流程

該系統(tǒng)首先將放空天然氣由火炬管匯引入氣液分離器，經氣液分離后，氣體由壓縮機壓縮后去用戶。 回收系統(tǒng)運行時， 與氣液分離器相連的火炬放空管線關閉。回收系統(tǒng)處理量為定值，如果泄放氣量超過回收系統(tǒng)處理能力，回收系統(tǒng)將關閉，火炬放空管線上的主閥門將打開。 若發(fā)生故障，閥門打不開，在閥門旁路上安裝一個可靠的破裂膜片用于氣體的泄放。 工藝流程見圖3。

2 終端放空天然氣回收工藝方案

2.1 渤西終端及其火炬系統(tǒng)

2.1.1 渤西終端

渤西終端是渤西油田群的下游。 它位于天津市塘沽區(qū)西沽潮音寺附近，主要對來自渤西海上油田生產的含水原油和天然氣及污水進行處理。 渤西終端的燃料氣有3 個來源，正常操作時，一部分再生氣作為燃料氣，如果量不夠，再從干氣產品線中補充；從天然氣預分離器（V-1401） 前引出一股原料氣作為開工燃料氣。 另從液化氣儲罐頂部引出一股氣進入開、停工燃料氣罐，作為開停工燃料之用。

燃料氣系統(tǒng)壓力為0.60 MPa.a，用于火炬系統(tǒng)、再生加熱爐（B-1401）、導熱油加熱爐（B-4201）、蒸汽鍋爐及輕油儲罐的密封氣。

導熱油爐2 臺，滿負荷用氣量為15 120 m3/d。

蒸汽鍋爐燃燒天然氣，用量為4 080 m3/d。1 臺2 t/h 蒸汽鍋爐，蒸汽用于廠區(qū)有關工藝管線的掃線、污水處理及全廠供熱。

2.1.2 火炬系統(tǒng)

各裝置區(qū)來的放空天然氣經火炬總管進入火炬分液罐，氣體去火炬頭點燃放空，凝液排至輕油罐區(qū)。

火炬頭有先進的檢測系統(tǒng)，當長明燈熄滅時，立刻有信號傳到點火盤，進行自動點火，如果在幾秒鐘內沒能點火成功，相應的報警器將報警；火炬頭有先進的分子密封，在吹掃氣損失或中斷的一定時間里，分子密封能起到連續(xù)的保護作用； 火炬分液泵為自動/手動控制，能及時排掉火炬分液罐中的液體。

火炬系統(tǒng)設計參數：設計能力80×104m3/d；設計壓力330 kPa.a；設計溫度-18.7～90 ℃；操作壓力110 kPa.a；操作溫度20～60 ℃。

渤西終端火炬系統(tǒng)實際放空量在8 000～12 000 m4/d。

2.2 放空天然氣回收工藝方案

中海油下屬的渤西終端投產時間較長，增加放空天然氣回收裝置屬于改造范圍，經濟效益是項目能否實施的關鍵， 新增設備不能影響原火炬系統(tǒng)流程的正常運行，控制需簡單，設備擺放需緊湊，減少改造工作量。

由于渤西終端放空天然氣量較少，且不穩(wěn)定，若選用壓縮機在線直接抽吸， 壓縮機可能存在頻繁啟停問題，且在運行時由于氣量不穩(wěn)定，壓縮機的操作運行存在困難。 故放空天然氣回收宜選用設置氣柜和壓縮機的流程。

具體回收方案是：回收系統(tǒng)設置氣柜，用于回收儲存放空天然氣；增加壓縮機，將低壓的放空天然氣增壓，用作鍋爐燃料；在原有火炬系統(tǒng)增加水封裝置。 工藝流程見圖4。

圖4 渤西終端放空天然氣回收工藝流程

2.2.1 工藝流程說明

來自火炬系統(tǒng)管匯的放空天然氣在壓力低時不能突破水封，進入放空天然氣回收系統(tǒng)的氣柜，壓縮機抽吸氣柜來氣，出口分別連接到低、中壓燃氣管網上，進入全廠的燃料氣系統(tǒng)；當放空天然氣氣量超過放空天然氣回收系統(tǒng)處理能力時，其壓力升高，多余氣體則突破水封罐水封，進入火炬分液罐，分離出夾帶的液滴后，進入放空火炬燃燒。

2.2.2 主要設備

放空天然氣回收系統(tǒng)主要設備包括放空天然氣氣柜和壓縮機及水封罐。

2.2.2.1 放空天然氣氣柜

由于火炬系統(tǒng)放空天然氣氣量較少，且來氣為間歇工況，設置氣柜能夠保證一定的緩沖時間，使得壓縮機入口壓力為定值，穩(wěn)定運行。 根據渤西終端放空氣量，設置氣柜有效容積為1 250 m3，緩沖時間為3 h，尺寸為內徑15 m、高8 m。

2.2.2.2 壓縮機

選用國產LG 20/0.9-00 濕式螺桿壓縮機， 冷卻方式采用水冷，入口壓力為0～50 kPa，出口壓力升至550 kPa.a，變頻調節(jié)范圍20%～100%，同時考慮回流調節(jié)，壓縮機可調排氣量為0%～100%。

該螺桿壓縮機特點：

a)在吸入壓力波動情況下也能穩(wěn)定運行。

b) 當放空天然氣中含有液體時，壓縮機可帶液正常操作。

c)采用了3 組組合結構密封形式， 防止螺桿停止時氣體泄漏。

d)現(xiàn)場的電氣設備、儀器儀表均為防爆型，采用PLC控制系統(tǒng)。

e)壓縮機入口有負壓保護裝置，可防止氣柜抽空。

2.2.2.3 水封罐

正常工況下放空天然氣壓力低時， 被水封封住，氣體進入回收裝置回收。 當來氣量超過回收系統(tǒng)處理能力或重大事故PSV 緊急排放工況下，氣體沖破水封排向火炬，經火炬頭燃燒后放空［6］。

2.2.3 安全措施

2.2.3.1 水封

在放空天然氣回收主管上設置水封罐，一是防止火炬回火； 二是作為放空天然氣回收系統(tǒng)的壓力控制設備。

2.2.3.2 壓縮機的壓力及溫度控制

在壓縮機入口管線上設置低壓報警關斷和壓縮機回流調節(jié)閥，保證壓縮機最小流量，防止壓縮機抽空。

在壓縮機出口設置高壓報警關斷，當壓縮機出口壓力達到一個高壓設定點時，壓縮機入口閥門關閉，壓縮機內部打回流； 當出口壓力超過高高壓力設定點時，壓縮機關斷，保證燃料氣系統(tǒng)的安全。 在壓縮機入口管線上設置低溫報警，出口管線上設置高溫報警，保證壓縮機安全正常運行。

2.2.3.3 防火防爆

儀表、電氣設備均采用防爆型，并設置可燃氣體探測儀。 壓縮機組設置消防水噴淋。

3 投資估算及經濟評價

項目增加的主要設備包括放空天然氣氣柜、壓縮機、壓縮機出口滌氣罐、水封罐。 項目投資估算見表1。

本項目總投資520 萬元，回收放空天然氣1.0×104m3/d。以每年操作330 d 計算， 每年回收放空天然氣330×104m3，以伴生氣價格1 元/m3計算，每年節(jié)約資金330 萬元。 本項目靜態(tài)投資回收期為1.6 a。

表1 渤西終端放空天然氣回收利用投資估算

4 結論

根據以上研究成果，采用放空天然氣回收工藝方案在經濟上是可行的，技術成熟，安全可靠，改造工作量小。雖氣柜占地面積較大，但終端處理廠一般廠區(qū)范圍較廣，可以解決占地問題。 在終端能夠落實放空天然氣氣量的前提下，當放空天然氣氣量大于4 000 m3/d 時，靜態(tài)投資回收期不大于4 a，經濟效益較顯著。 放空天然氣回收不僅可以節(jié)能減排，還能夠取得一定的經濟效益，建議在各終端處理廠推廣應用放空天然氣回收工藝。

［1］ 李娟娟. 邊際海上油田零散天然氣回收技術研究［J］. 天然氣與石油，2012,30（1）：22-23.Li Juanjuan. Research of Marginal Offshore Oilfields Scattered Gas Recovery Technology［J］. Natural Gas and Oil, 2012, 30（1）：22-23.

［2］ 趙軍艷，蔡共先. 淺談塔里木油田放空天然氣回收措施［J］.天然氣與石油，2012,30（5）：13-15.Zhao Junyan, Cai Gongxian. Recovery Measures of Vented Gas in Tarim Oilfield［J］. Natural Gas and Oil, 2012，30（5）：13-15.

［3］ 賈玉亭，蔡宏圖. 火炬氣回收及排放系統(tǒng)的優(yōu)化［J］. 安全、健康和環(huán)境，2003,3（12）：14-15.Jia Yuting, Cai Hongtu.Optimization of Flare Gas Recovery and Vent system ［J］. Safety, Health & Environment, 2003, 3（12）：14-15.

［4］ 李秀賓，張旭霞. 火炬氣回收利用技術的研究［J］. 現(xiàn)代化工，2010,3（3）：331-332.Li Xiubin, Zhang Xuxia. The Research of Flare Gas Recovery Technology ［J］. Modern Chemical Industry, 2010, 3 （3）：331-332.

［5］ 蔡永春， 裴 兵. 溫米油田火炬放空氣回收技術的研究與應用［J］. 新疆石油天然氣，2009,5（2）：91-92.Cai Yongchun, Pei Bing. The Research and Application of Flare Gas Recovery Technology in Wenmi Oilfield ［J］. Xinjiang Oil&Gas,2009,5（2）：91-92.

［6］SY/T 10043-2002，泄壓和減壓系統(tǒng)指南［S］.SY/T 10043-2002,Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems ［S］.