油田火炬放空氣回收利用研究與實施

2014-06-01 10:59:46

中國設備工程 2014年5期

（中國石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆鄯善 838202）

油田火炬放空氣回收利用研究與實施

王銀山

（中國石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆鄯善 838202）

通過對油田火炬放空氣現狀的調查和對火炬放空氣回收技術的研究，針對各聯合站天然氣處理裝置火炬的不同特點，對油田火炬系統實施改造，取得了良好的經濟效益和社會效益。

天然氣；放空；回收技術；節能減排

一、火炬放空氣來源與現狀

放空火炬系統是石油化工企業生產中不可缺少的安全設施，其作用是燃燒正常生產時和事故狀態下排放的可燃氣體。每年在火炬中被燒掉的可燃氣體量相當可觀，為最大限度提高能源利用率，同時減少環境污染，有必要將火炬氣回收再利用。

中國石油吐哈油田分公司所屬的溫米、鄯善、丘陵、紅連、丘東聯合站在原油和天然氣處理的同時，也產生了部分需排放到大氣中的天然氣，由于受建設初期技術條件的限制，各聯合站的放空火炬處于常年燃燒狀態，其系統現狀見表1。

表1 各聯合站火炬放空系統現狀表

二、火炬氣回收工藝研究

火炬放空氣成分比較復雜，主要有來自聯合站兩相、三相分離器、原穩氣及輕烴裝置，有濕氣，也有干氣。放空量受諸多因素的影響波動較大。

本次研究主要是正常工況下回收火炬放空天然氣、消滅火炬；事故工況下和放空量超過回收能力時候，確保自動點火成功率100%，并且在當地惡劣氣候條件下，火炬能穩定燃燒，保證油田生產安全。

1．工藝方法研究

(1)工藝流程

方案一：從火炬總管上引出放空氣到回收壓縮機入口，增壓后再進到輕烴裝置入口分離器流程；或者直接進到干氣外輸管線，同時用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火，達到火炬放空氣回收利用的目的（圖1）。溫米、丘東火炬回收適合該方案。

圖1 正常工況回收、事故工況放空示意圖

方案二：充分利用現有流程設備，對原穩壓縮機吸氣流程做適當調整，從火炬總管上引出火炬氣到原穩壓縮機入口，利用原穩壓縮機的富?；厥漳芰厥栈鹁娣趴諝猓鹁婵偣芫€上增加氣動蝶閥控制火炬總管壓力、并聯爆破片旁通流程及手動閘閥回路，用阻火器防止回火。鄯善、丘陵火炬回收適合該方案。

在正常工況下，采用以上2種方案可以實現火炬氣回收利用，達到消滅火炬的目的。在事故放空狀態或超過壓縮機最大回收能力時，氣體突破水封或氣動調節閥打開，排放燃燒。

(2)回收壓縮機選型

壓縮機是火炬氣回收的關鍵設備，因此壓縮機的選型很重要，以下對3種壓縮機從投資、運行費用等方面進行比選（表2）。

表2 壓縮機選擇對比表（以30 000m3/d回收能力為例）

根據上表的比較。選擇螺桿壓縮機，其投資適中、運行費用較低、適應火炬氣氣量波動較大的特點，容易使用變頻控制方式跟蹤連續調節，適應性強。

(3)高空火炬點火方式

目前，各聯合站火炬均采用人工手動點火，難度較大，且不安全，現有技術成熟的高空自動點火裝置，可保證點火成功率達100%。

高空點火裝置由自動點火控制PLC柜、火焰探測、火炬流量檢測、火炬壓力檢測、高能點火發生器、高壓電纜、抗蝕電極發弧裝置、電磁閥組以及高空點火槍組成。

PLC接收火炬總管壓力、火焰探測等信號，接收壓縮機組PLC控制信號，并根據火炬總管壓力設定值，結合火焰探測等信號實現自動點火算法，觸發高空點火裝置，用高空點火槍引燃火炬。

(4)防回火措施

火炬發生回火是嚴重的事故危害，必須嚴加防范?；鹁嫦到y可設置分子密封器、水封罐、阻火器3種防止回火措施。

分子密封器是保證火炬筒體發生回火普遍采用的設備，向分子密封器內通入惰性氣體氮氣。由于目前各個聯合站沒有制氮裝置，現場沒有氮氣可用，因此，分子密封器不適合做為防回火措施。

水封罐能夠可靠的保護火炬排放系統，即使發生了回火事故，火焰傳播至水封面即被阻止。水封罐要有自動補水系統，但是由于冬季氣溫低，易發生凍堵，要做好防凍措施。

在進火炬筒體前的火炬總管上安裝阻火器，能有效阻止火焰向工藝系統傳播。

2．研究結論

五座聯合站的火炬現狀是均采用人工手動點火，放空燃燒處理，總的放空量約30 000～70 000m3/d，無火焰監測熄火報警裝置和自動點火裝置，一旦熄滅，點火難度較大。

回收工藝流程，主要是選擇螺桿壓縮機或對原穩壓縮機吸氣流程做適當調整，回收火炬放空氣，技術是可行的；設置火焰監測和高空自動點火裝置，保證點火成功率；設置水封罐或阻火器，防止發生回火事故。

三、項目實施

吐哈油田火炬放空氣回收工程被列為2006年股份公司的重點環保節能項目，同年3月開始設計，9月開工建設，12月正式投運。

1．實施的主要內容

(1)溫米油田：選用22 000m3/d的螺桿壓縮機，額定排氣壓力0．35MPa，壓縮機采用空冷方式。用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火。設高空自動點火裝置和配套FCS控制系統，設水封罐及自動補水系統、并聯爆破片旁通回路。

(2)丘陵油田：對原穩壓縮機吸氣流程進行調整，從火炬總管上引出放空氣到原穩壓縮機入口，利用原穩壓縮機的富裕回收能力，增壓后再進到輕烴裝置入口，回收火炬放空氣?；鹁婵偣芫€上設置氣動蝶閥控制總管壓力，設高空自動點火裝置和配套的FCS控制系統。

(3)丘東氣田：選用回收能力28 000m3/d的螺桿壓縮機，額定排氣壓力0．9 MPa，采用水冷方式。用水封控制火炬總管壓力，用阻火器防止回火。設高空自動點火裝置和配套的FCS控制系統，設水封罐及自動補水系統、并聯爆破片旁通回路，更新火炬頭。螺桿壓縮機回收簡易工藝流程自控圖見圖2。

圖2 火炬氣回收簡易工藝流程圖

2．主要應用設備

(1)螺桿壓縮機參數

機組型式：噴液內冷變頻調節雙螺桿壓縮機；機組功率：185kW（丘東）、90kW（溫米）；吸入壓力/溫度：0～50 kPa/-5～50℃；排氣量：15m3/min（溫米），20m3/min（丘東）；排氣壓力/溫度：0．35MPa/75℃（溫米）、0．9MPa/75℃（丘東）。

高空自動點火裝置

自動點火裝置重點參數表如表3所示。

表3 自動點火裝置重點參數表

(3)水封罐及自動補水系統

溫米聯合站新建水封罐采用雙層孔板結構，有利于氣液分離，減少放空氣的霧沫夾帶。

水封側設有液位計和液位變送器，液位變送器設高、低液位報警。水封罐采用高液位溢流控制水封高度。其具體參數見表4。

表4 水封罐參數表

為了提高回收系統運行的穩定性、可靠性和安全性，同時也為了減少操作強度，新建水封罐設置自動補水電磁閥。自動補水設手動和自動2種操作模式。

(4)氣動蝶閥

丘陵聯合站初始建設沒有設置傳統的水封罐，本次改造考慮冬季防凍措施難度大，不考慮增設水封罐，設計采用火炬總管蝶閥，國內首次使用。氣動蝶閥DN500，氣關型，遠程自動控制，帶防爆閥位反饋。由于近年蝶閥技術發展迅速，大口徑蝶閥的密封等級能夠達到5級密封，滿足火炬氣封的要求，技術上是可行的。

氣動蝶閥的控制引入到FCS控制系統中，并將閥位狀態傳到中控室顯示。

(5)爆破片

溫米和丘東聯合站水封罐各設置并聯爆破片旁通回路1套，丘陵聯合站在火炬總管氣動蝶閥上并聯爆破片旁通回路1套，以防止水封凍堵或氣動蝶閥故障時火炬總管的通暢，從而達到保護站內裝置和火炬系統的目的。

(6)火炬頭

火炬頭采用分散火炬氣、小孔對撞的燃燒方式以達到良好的燃燒效果。火炬頭上設有聚火塊穩焰器，用以保證放空氣火焰穩定，防止火炬頭出現脫火現象?；鹁骖^參數風表5。

表5 火炬頭參數表

(7)火炬阻火器

各聯合站設置波紋板式火炬阻火器1套。材質304SS。

阻火器可有效防止火炬回火，產生的壓力降滿足火炬回收和正常排放的需要。

(8)控制系統

丘陵、溫米、丘東聯合站各設置SIEMENS分布式現場總線控制系統（FCS）1套。

丘東、溫米聯合站FCS控制系統分別由2套 PLC控制柜、1套變頻控制柜和1套馬達配電控制中心組成。四者通過高速高可靠的Profibus總線相聯結，整合成一套既相對獨立又完整無縫的現場總線控制系統（FCS），實現實時數據共享和協同調度控制。

3．主要控制策略

(1)溫米、丘東聯合站

用水封高度控制火炬總管壓力。

當總管壓力控制在1～8kPa時，放空氣回收。

當總管壓力〉8kPa時，回收部分放空氣并啟動自動點火程序。

當總管壓力〉12kPa時，水封罐自動補水系統停止。

當總管壓力＜8kPa后，恢復補水到自動模式。

當水封罐后氣體流量大于30m3/h，且火焰探測顯示火炬熄滅時，系統自動啟動點火發生器，直到點火成功。

(2)丘陵聯合站

用氣動蝶閥自動控制火炬總管壓力。

當火炬總管壓力在5 kPa ～35 kPa時，原穩壓縮機入口調節閥自動開啟，正?；厥铡?/p>

當總管壓力超過50 kPa時氣動蝶閥開啟，啟動點火程序，當總管壓力超過100 kPa時爆破片破裂。

當總管壓力逐漸減小到10kPa以下時，火炬調節閥關閉。

四、火炬放空氣回收效果評價

油田火炬放空氣回收項目實施后，回收火炬放空氣約52 000m3/d（其中溫米聯合站20 000m3/d，丘東聯合站25 000m3/d，丘陵聯合站7 000m3/d），每年回收天然氣0．156億m3，回收的天然氣進入輕烴裝置再處理加工，經計算折合生產混輕約11t/d，運行時效按300d/a計算，天然氣價格按吐哈0．616元/m3，混輕價格按4 500元/d計算。經計算得出：每年天然氣的產值960．96萬元；每年混輕的產值1 485萬元；年總產值2 445．96萬元。

依托各采油廠現有人員統一管理，不需要增加定員，成本主要是壓縮機的耗電和維護費用，溫米、丘東2臺耗電198萬kW·h/a，年電費162．23萬元。溫米、丘東、丘陵各聯合站運行維護費用估算為300萬元。年運行成本=電費+運行維護費用=462．23萬元。

新增利稅=年產值×17%=415．81萬元。年純利潤=年產值-年運行成本-新增利稅=1 567．92萬元。該項目投資967．22萬元，投入產出比為967．22: 2 445．96=1:2．53。

從現場應用效果來看，工藝流程簡化，取得了良好的經濟效益和社會效益，項目具有良好贏利能力。