蘇里格天然氣處理廠放空技術優化探討

劉子兵，郭瑞華，薛政

1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安710018

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300

蘇里格天然氣處理廠放空技術優化探討

劉子兵，郭瑞華，薛政

1.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西西安710018

2.長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗017300

文章對蘇里格氣田50億m3/a標準化天然氣處理廠放空系統的6項優化技術進行探討分析，通過采用與ESD系統聯鎖等級的有效結合，減小放空系統規模超過1/2；通過調整放空閥組的設置，進一步提高了放空系統的安全性和可靠性；通過采用音速火炬，節省放空系統的投資超過30%；通過熄滅火炬長明燈提高處理廠的節能減排效果；對安全閥進行優化；采用分子封作為防回火措施，使整個放空系統運行更加安全可靠。

天然氣處理廠；放空系統；ESD；放空閥組；長明燈；安全閥；分子封

1 概述

為提高天然氣處理廠運行過程中的安全等級，降低意外事故導致嚴重后果的幾率，同時盡可能減小放空氣量進而減輕對環境造成的污染，處理廠必須設置可靠的放空系統[1]。放空系統是一個龐大而復雜的系統，一般包括放空閥組、系統管網、分液裝置、火炬及點火裝置、控制系統等，在處理廠意外事故下緊急啟動放空閥組，截斷必要的SDV（緊急截斷閥），打開對應的BDV（緊急放空閥），達到切斷氣源和放空泄壓的目的，從而減輕事故后果。

放空閥組是放空系統的核心，其數量、位置、規格和控制方式決定了放空規模、氣量和系統的安全性與可靠性，也決定了系統的工程投資。

以蘇里格氣田50億m3/a（20℃，101.325 kPa，以下略）的標準化天然氣處理廠為例，該類處理廠主體工藝裝置包括500萬m3/d脫油脫水裝置3套，250萬m3/d天然氣壓縮機組7臺，集配氣裝置、清管裝置、進出站閥組及甲醇回收、凝析油穩定和放空系統等裝置各1套。第一座標準化天然氣處理廠已于2009年建成投產，穩定運行至今，第四座標準化天然氣處理廠已于2013年底建成并順利投產。

2 天然氣處理廠放空優化

2.1 放空規模的優化

第一座標準化天然氣處理廠設計放空規模為1 500萬m3/d，放空規模與處理廠處理規模相同，設計理念是全處理量放空，主要依據《氣田天然氣凈化廠設計規范》[2]中的相關規定和氣田集輸系統及處理廠的自控設置等級。該放空規模明顯偏大，既增加投資，又浪費天然氣資源。

在進行其余標準化天然氣處理廠設計時，經過HAZOP專業分析，把放空系統的設置與安全儀表系統的ESD聯鎖功能有機結合，把ESD聯鎖功能分為四個等級：1級為全廠ESD關斷并泄壓；2級為全廠ESD關斷不泄壓；3級為單元裝置ESD關斷不泄壓；4級為設備級ESD關斷不泄壓。

在滿足最不利工況的泄壓需求時，盡量減小放空規模。經分析，處理廠大面積火災事故下對應ESD1級，要求緊急切斷氣源，并對廠內設備、管系儲存氣體進行緊急泄放降壓，廠外集氣干線、外輸管道儲存的天然氣不聯鎖泄壓，從而避免了全處理量放空的方式。

根據APIRP 521的規定，火災泄壓放空通常根據輸送介質是否含有輕烴來設置泄放壓力。對于輸送介質含輕烴的裝置，應在15 min內降至690 kPa或壓力容器設計壓力的50%，取其較低者；對于輸送介質不含輕烴的裝置，考慮15 min內降至壓力容器設計壓力的50%[3]。蘇里格氣田天然氣中含輕烴較多，因此裝置壓力在15 min內由最高6.1 MPa降至690 kPa即可，由此確定對應的泄壓孔徑和瞬時最大放空量。

放空過程為瞬態過程，放空初期由于氣源壓力高，瞬時氣量最大，決定了放空系統的規模，圖1及圖2即為蘇里格氣田50億m3/a處理廠的放空系統動態模擬結果，圖1為放空氣量的變化曲線，圖2為高、低壓系統放空壓力的變化曲線。放空過程中出現的最大泄放量作為放空系統規模。

圖1 放空氣量變化曲線

圖2 放空壓力變化曲線

由于廠內管系中天然氣儲量是放空規模的主要影響因素之一，若能減小管系的水容積，可大大降低放空規模。因此在處理廠配管設計時，需要對管網的布置、走向進行優化，縮短管系長度；在管系規格選擇時，應盡可能提高天然氣流速，縮小管系規格。

經過以上措施，放空規模可由1 500萬m3/d縮小到700萬m3/d以下，大幅度降低了放空系統的規模。

2.2 放空閥組的優化

標準化天然氣處理廠的放空閥組統一采用“電動球閥+手動節流截止放空閥”的設置模式，見圖3（a）。為了提高放空的可靠性，電動球閥采用“UPS直供電+電纜溝埋敷設”的方式。手動節流截止放空閥的優點是可根據放空實際情況調整閥門的開度，但受人為因素影響較大，存在開度的精度不夠的問題，造成放空的不可控隱患增加。在第六處理廠項目設計中則借鑒了國際較為先進的作法，采用了“氣動球閥+限流孔板”的設置模式，見圖3（b），氣動方式更利于故障安全功能的實現，限流孔板可以避免人為誤操作的風險，從而提高安全性和可靠性。但要求對設備、管系的水容積和放空點的位置、數量要嚴格計算和控制，限流孔板的規格既要滿足泄放時間的要求，也要滿足泄壓的需求，因此需利用計算機進行動態計算。

圖3 放空閥組優化

2.3 音速火炬的應用

放空火炬的類型根據泄放的流速可分為音速火炬和非音速火炬，音速火炬頭采用獨特的噴嘴設計，使得具有一定壓力的放空氣體通過文丘里型噴嘴出口時流速達到或接近音速，其火炬頭背壓可達0.6 MPa，高壓差、高流速排放是其關鍵技術。音速火炬可實現無蒸汽、寬流量范圍的100%無煙燃燒，具有熱輻射低、火焰穩定性高、操作彈性大和使用壽命長的優點。放空系統最高運行壓力可達到1.0 MPa（而常規火炬一般為0.2～0.4 MPa），具有管網規格小、火炬筒體直徑小、分液罐尺寸小的特點，綜合投資可節省30%以上。音速火炬在蘇里格氣田2座標準化處理廠得到推廣應用，投運后運行穩定可靠。

2.4 長明燈的優化

目前處理廠的火炬都設有長明燈，其目的是確保放空時天然氣能及時燃燒，減少原料氣的直接排放，但存在浪費資源和CO2排放量大的缺點。熄滅長明燈每年可減排CO2約980 t、節省燃料氣50萬m3。

通過設置相關的儀表檢測設備、采用自動點火達到熄滅長明燈的目的，由于蘇里格氣田天然氣中不含硫化氫，短時的直接排放對環境影響不大，因此熄滅長明燈從技術和環保方面完全可行。通過在放空總管適當位置設置放空氣體的壓力或流量檢測設備，當檢測到壓力或流量信號時，指示啟動點火系統；并設置火焰檢測裝置，以確保點火的成功，火焰檢測采用熱電偶或離子與紫外線的組合檢測；流量檢測一般采用靈敏度較高的熱值流量計。

2.5 安全閥的優化

通過ESD系統進行設備、管系的BDV泄壓或高低壓SDV自動截斷屬于外界干預，是儀表保護的范疇，可根據邏輯設定值自動進行聯鎖，但通常還需設置安全閥作為最后的機械保護屏障。另外根據規范規定，在可能超壓的上游壓力管道上、壓力容器上或高低壓系統的低壓側管系需設置安全閥，但存在所有安全閥的泄放量疊加超過處理廠BDV閥的總泄放量的問題，甚至達到處理廠的最大處理規模。為避免該情況的發生，可采用分階梯設定安全閥起跳值，即把安全閥的起跳壓力設置成互有差別，從而避免泄放量的峰值疊加；對管輸量較大的壓力管道，可采用提高ESD系統SDV閥的SIL等級而取消安全閥。

2.6 防回火措施的優化

由于天然氣的密度小于空氣的密度，必須采取密封措施來防止空氣下沉倒流入火炬而發生閃爆等事故。目前常采用的防止回火措施有三種：阻火器、水封和分子封。阻火器采用金屬絲網結構，在實際應用中有被固體等雜質堵塞的情況，造成放空不暢而存在安全風險；水封則采用水封罐，但對于天然氣處理廠站，由于放空量大、氣體流速高，水氣容易被天然氣攜帶，在寒冷地區冬季易結冰而造成安全事故；而分子封是利用一定壓力與流量的天然氣或氮氣，只要天然氣或氮氣的上升速度大于空氣向下擴散速度就可以隔絕空氣，從而達到防回火的目的。因而選用分子封，可使整個放空系統運行更加安全可靠.

3 結束語

本文對蘇里格氣田50億m3/a標準化天然氣處理廠放空系統的6項優化技術進行探討分析，通過采用與ESD系統聯鎖等級的有效結合，可減小放空系統規模1/2以上；通過調整放空閥組的設置，可進一步提高放空系統的安全性和可靠性；通過采用音速火炬可節省放空系統的投資30%以上；熄滅火炬長明燈可提高處理廠的節能減排效果；對安全閥的設置提出了優化設置；防回火措施采用了分子封，使整個放空系統運行更加安全可靠。

[1]GB 50183-2004，石油天然氣工程設計防火規范[S].

[2]SY/T0011-2007，氣田天然氣凈化廠設計規范[S].

[3]APISTD 521 ERTA-2007，壓力泄放和降壓系統[S].

Studyon Optimization ofGas Flaring Technique for Gas Processing Plant in Sulige Gas Field

Liu Zibing，Guo Ruihua，Xue Zheng
1.Xi’an Changqing Technology Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi 017300，China

The six technical optimizations of the gas flaring system at the 50×108m3/a gas processing plant in Sulige Gas Field are discussed and analyzed.The system size can be reduced by more than 1/2 in terms of effective combination with interlock ESD system grade.The safety and reliability of the flaring system can be further improved after adjusting the vent valve group settings.The investment for the flaring system can be saved by more than 30%if the sonic torch is adopted.The effect of energy conservation and emission reduction can be improved after putting out the ever-burning lamp.The safety valve is optimized，and the molecular sealing used to prevent backfire to make the gas flaring system more safety.

gas processing plant；flaring system；ESD；vent valve group；everlasting fire；safety valve；gas seal

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.013

劉子兵（1972-），男，四川南充人，高級工程師，1994年畢業于西南石油大學油氣儲運專業，現從事天然氣集輸、凈化和油田伴生氣綜合利用、甲醇水處理等設計及科研工作。

2014-06-20