火炬氣回收系統控制技術的開發應用

杜永軍,張修申

(中原油田天然氣處理廠，河南 濮陽 457162)

天然氣處理廠第三氣體處理廠(以下簡稱三氣廠)有兩套油田伴生氣中壓深冷處理裝置，采用膨脹制冷與丙烷輔助制冷工藝回收天然氣中輕烴。其放空火炬系統是用來處理裝置無法收集的可燃氣體進行特殊燃燒設施，正常生產時約有6000 Nm3/d的放空氣體排放至火炬燃燒，每年被燒掉的烴類等可燃氣體量相當可觀。

因此，天然氣處理廠研究并應用了火炬氣回收技術，將裝置正常生產時的火炬氣進行回收利用，從根本上消除由于火炬燃燒產生的廢氣污染，并且提高經濟效益，符合了國家提倡的"可持續發展"的長期能源發展戰略思想。

1 工藝簡介

三氣廠火炬氣回收工藝采用了氣柜儲存加壓回收工藝，將火炬氣送至原料氣管網進行再利用(見圖1)。采用該工藝可以使火炬氣在氣柜中進行組成混合和壓力緩沖，降低了組成波動范圍，有利于火炬氣壓縮機運行穩定和輸出氣壓穩定。

三氣廠火炬氣回收工藝的主要工作流程是在火炬前增加水封設施，保證放空管網內存在一定壓力，使火炬氣通過入口分離器進行氣液分離后進入氣柜儲存，氣柜內的氣體通過壓縮機送入原料氣管網回收利用。當裝置出現事故狀態需大量放空時，系統關閉入口分離器的緊急切斷閥并打開緊急放空設施，火炬氣排放至火炬筒，應急點火設施應能保證各種情況下火炬氣的安全點燃。

圖1 回收系統工藝原則流程圖

2 火炬氣回收系統控制技術

系統控制思想的設計是火炬氣回收系統開發及應用中的關鍵，決定著系統是否能安全、穩定運行。實現裝置的火炬氣回收的關鍵和前提是保證安全生產，當裝置出現緊急情況，放空火炬氣回收系統必須完成快速、平穩切換至火炬系統，并確保裝置內的放空火炬氣安全點燃排放。

2.1 正常運行控制方案

本項目選用的橡膠薄膜干式氣柜為恒壓設備，決定了火炬放空氣回收系統的壓力也是恒定的，系統正常運行需要穩定控制的是氣柜內活塞板的高度。氣柜的活塞板高度采用螺桿壓縮機變頻調速和調節閥回流兩種方式進行穩定控制。本項目的氣柜的活塞板高度采用分程控制方式：當活塞板較高時，提高壓縮機電機的頻率；當活塞板較低，壓縮機電機以最低頻率運轉，同時開啟系統回流調節閥。

當氣柜活塞板高度達到低限聯鎖值，壓縮機聯鎖停機。為防止原料氣管網的原料氣倒回至壓縮機或氣柜系統，壓縮機出口氣動切斷閥關閉。再次啟動壓縮機時，必須由操作人員對出口氣動切斷閥進行復位打開。聯鎖邏輯圖見圖2。

圖2 氣柜與壓縮機的聯鎖邏輯圖

水封設施采用液位檢測自動補水控制，防止水封壓力過低造成放空火炬氣的泄漏；采用溫度檢測自動控制電伴熱帶的通斷，防止溫度過低造成水的結冰。

2.2 緊急放空聯鎖控制方案

本項目的控制關鍵在于判斷裝置的正常或緊急狀態，并對系統進行聯鎖切換。通過對天然氣處理廠的兩套深冷裝置和放空火炬氣回收工藝的研究，系統設計信號檢測點和控制點有：

(1)一、二期裝置的放空總管均應有溫度檢測點，防止低溫放空火炬氣對氣柜等設備造成損壞；

(2)一、二期裝置的放空總管均應有壓力檢測點，防止高壓放空火炬氣沖擊對氣柜等設備造成損壞；

(3)應設置三個雷達物位計檢測氣柜活塞板高度，確保數據的準確可靠，防止出現活塞板卡盤現象；

(4)應在重要區域或崗位設置手動急停開關；

(5)水封設施的下游管線上設置放空火炬氣流量檢測開關。

當系統運行過程中，放空火炬氣的溫度和壓力、氣柜活塞板的高度和上升速度、流量開關的動作的任何一項值出現超常，或者現場出現泄漏或其他險情，操作人員手動啟動緊急放空聯鎖程序，均自動啟動緊急放空聯鎖程序。聯鎖邏輯圖見圖3。

圖3 緊急放空聯鎖邏輯圖

2.3 應急點火控制方案

該項目的應急點火設施由火炬長明燈、高空高壓點火裝置、地面爆燃系統三個部分組成。

為了確保火炬頭兩支長明燈保持點燃狀態，每支長明燈火焰溫度均用熱電偶進行檢測，以判斷長明燈是否熄滅。如果在緊急放空時出現長明燈熄滅或氣體不能有效點燃放空氣等情況，自動開啟自動點火模式(即控制系統啟動高空高壓點火裝置，控制流程見圖4)，確保緊急情況下火炬及時點燃。

地面設置紫外火焰監測器監測火炬頭火焰，自動點火模式以火焰監測器的信號為判斷依據，直至火炬頭點火成功。點火成功后，高空高壓點火裝置的所有部件等均處于復位狀態，能有效延長裝置的使用年限。聯鎖邏輯圖見圖5。

圖4 應急點火控制流程圖

圖5 應急點火聯鎖邏輯圖

另外，地面爆燃裝置與高壓高空點火裝置構成雙重安全點火配置，大大提高了應急點火系統的安全性和可用性。

2.4 緊急放空設施

裝置需要緊急放空時，回收系統的入口緊急切斷閥快速關閉以保證氣柜及壓縮機的安全，而緊急放空設施就成為保障放空系統和生產裝置安全運行的最重要環節。因此，本項目將緊急放空設施設計為緊急放空閥、水封設施、管道爆破片三個壓力依次提高的冗余設置(見圖6)，確保了系統安全性和可用性。

緊急放空閥優選為氣動快速球閥，具有結構簡單，反應靈敏，動作可靠等特點，滿足快速切換的要求。氣動快速球閥采用雙冗余安全設置(兩個快速球閥并聯)，該球閥的動作時間應在5s以內，確保放空系統安全。

圖6 緊急放空設施

2.5 輔助控制措施

氣柜頂部安裝有三只雷達探測器，檢測活塞板的高度后將數據送入中控室的DCS操作界面，氣柜外壁的三只平衡配重塊也起到了現場檢查活塞板高度的作用。當氣柜持續上升到高高位報警時，氣柜入口閥門聯鎖啟動，氣柜入口氣動閥門自動關閉。一旦出現氣柜聯鎖失效或進口氣動閥門故障，導致活塞板繼續上升，活塞護欄上平臺頂到柜頂部的頂桿，頂部放散閥自動打開，將放空火炬氣對空泄放，避免了因此造成的橡膠密封皮膜或氣柜本體的損壞，杜絕事故發生。

2.6 操作系統組成

本項目的DCS控制系統采用了CENTUM VP系統，該系統有著架構簡單通用、通訊安全可靠、硬件故障率低、系統兼容性好等特點，實現了安全最優化、資產最優化和生產最優化的整合。

根據現場情況，該DCS系統分為氣柜區和火炬區兩個控制站。兩者之間通過雙冗余光纖技術通訊，確保系統信號采集、傳輸的安全、穩定、快速和準確。

3 應用效果

通過火炬氣回收技術在伴生氣中壓深冷處理裝置中控制技術應用，確保了三氣廠火炬氣放空氣回收系統的安全穩定運行，實現了三氣廠裝置正常生產和手動排放的火炬氣全部回收，每年可回收氣量約為230萬Nm3，為企業帶來了良好的經濟效益和社會效益。

另外，通過多次對控制系統的聯鎖測試，結果表明當裝置出現緊急情況，放空火炬氣回收系能夠快速、平穩完成至火炬系統的切換，并確保裝置內的放空火炬氣安全點燃排放。

4 結論

通過對三氣廠火炬氣放空系統中正常運行、緊急放空聯鎖、應急點火等控制技術方案的研究，形成了一套火炬氣回收系統控制技術，為三氣廠生產裝置和放空氣回收系統的安全、穩定運行奠定了基礎，最終達到了裝置熄滅火炬的目的，提高了企業的資源利用率，減少溫室氣體及廢氣排放。