海上平臺放空火炬燃冒黑煙問題原因分析與處理

李 飛，胡 松，朱夢影，孔 冰

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司遼東作業公司，天津 300459；3.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

海上平臺放空火炬系統中，由于放空氣體中重組分的存在，燃燒時常會出現冒黑煙現象，文獻和現場燃冒黑煙平臺伴生氣組分測試結果表明，當C3+含量大于5%時，黑煙現象比較明顯，C3+含量大于6%時，黑煙現象比較嚴重[1，2]。放空的烷烴燃燒完全時，在氧氣氧化作用下生成CO2和H2O，伴隨著淺藍色火焰，肉眼不易察覺；重組分含量過高或者氧氣供應不足會造成燃燒不充分，產生碳顆粒，而碳顆粒不能進一步燃燒或者處理時會形成宏觀的黑煙現象。

結合現場實施工藝，海上平臺放空火炬燃冒黑煙的原因可以歸納為以下幾點：

（1）重組分含量高，燃燒不充分，C3+組分含量超過5%；

（2）流程分離器捕液能力差，天然氣攜帶原油和重烴液滴進入火炬放空系統；

（3）火炬分液罐溫度高，除液效果差也會導致黑煙；

（4）火炬放空管線或者火炬分液罐積液多也會導致產生黑煙；

（5）放空量超過火炬放空設計能力導致攜液量增大。

1 放空火炬冒黑煙常用解決方法

1.1 增設液烴回收流程

從前期設計角度出發，如果油田伴生氣中重組分含量高，流程分離效果不佳，火炬放空罐中積液太多，都會造成天然氣攜帶原油和重烴液滴進入火炬放空系統從而造成黑煙現象，其本質原因來自于液烴的累計，為此可設置液烴回收流程來將氣體中夾帶的液烴分離出來。液體回收流程主要是單獨回收液烴的壓力容器及轉液系統。

液烴的主要來源為天然氣低壓、中壓、高壓壓縮機、天然氣外輸洗滌器、天然氣生產分離器、燃料氣洗滌器、燃料氣過濾器、高壓火炬分液罐以及氣系統各流量計低點集液管。將上述容器、設備至閉排的排放點匯集成另一條總管線至液烴回收系統，進而通過轉輸泵轉液至海管輸進行外輸，或者容器罐儲存再由船舶送至陸地[3]。

1.2 增設配套火炬輔助設備

從處理角度考慮，可以通過改進火炬頭，提高火炬頭供氧能力，或者采取措施提高火炬頭除煙能力來解決火炬燃冒黑煙問題[2]。實踐中可利用消煙風機或者來文丘里引射器消煙，或設置預混火炬頭，利用火炬氣的壓力引入空氣混合后實現無煙燃燒，預混火炬頭需根據火炬氣的排放壓力專門設計。高壓火炬可以選用音速火炬頭實現無煙燃燒，高壓火炬無煙燃燒范圍是0～100%[2]。

1.3 蒸汽消煙

蒸汽消煙的主要原理是利用蒸汽與游離碳發生水煤反應：

蒸汽消煙火炬頭主要由穩焰器、火炬中心蒸汽噴嘴以及頂部環形消煙噴嘴三部分構成。火炬中心蒸汽噴嘴將蒸汽噴射至火焰中部，在表面附著力的作用下將自身10～30倍的空氣引入放空氣體中使之充分混合。中心蒸汽噴嘴的具體作用主要有兩點，一是通過噴射作用增大了易產生黑煙的重組分氣體的擾動，使可燃氣和空氣充分接觸，促進燃燒充分；二是蒸汽可以使火焰的燃燒溫度維持在一個較低的溫度，不僅可以降低火炬頭溫度，提高其使用壽命，同時也降低了重組分氣體裂解成碳的可能性。頂部環形消煙噴嘴噴射蒸汽的主要作用是卷吸周圍的空氣，從而提高放空氣體的燃燼率，與此同時，環形噴射的蒸汽可以攪拌并提高火焰高度、降低火炬頭溫度，延長火炬頭使用壽命[4]。

1.4 補充燃料提高反應熱值

實際生產中發現在放空量低的情況下也會發生燃冒黑煙現象。對這個現象，一種解釋是因為放空氣量小、流速慢，導致放空氣與空氣混合不充分，導致不充分燃燒；文獻[5]提到的充分燃燒所需“熱值”問題也是一個重要理由。對于熱值不夠的問題，通常可以設置長明燈等手段提高燃燒充分性。

2 案例分析

2.1 研究背景

渤海某油田的天然氣處理系統主要分為伴生氣處理和天然氣處理兩部分。該油田在燃料氣系統和天然氣壓縮機系統相繼啟動后，有大量的液烴從天然氣系統中析出。該油田液烴回收系統未投用之前，大量液烴產出后，全部排放至閉排，同流程其他排放液體混合，通過離心泵轉運至原油處理流程。由于液烴易揮發，閉排泵轉液過程中不能建立壓力，氣蝕嚴重，影響了液烴收集和轉液；其中一部分揮發至火炬系統燃燒，產生黑煙，造成環境污染；另一部分進入原油處理系統轉運至終端，給下游終端處理廠的生產增加了安全隱患，同時無法對其合理利用也勢必造成液烴的浪費。

2.2 設計思路與方案

針對伴生氣中壓壓縮機兩級壓力體系，制作兩組由兩條豎直管段組成的油水兩相分離裝置。增加單獨回收液烴的壓力容器及轉液系統。液體主要來源于天然氣低壓、中壓、高壓壓縮機、天然氣外輸洗滌器、天然氣生產分離器、燃料氣洗滌器、燃料氣過濾器、高壓火炬分液罐以及氣系統各流量計低點集液管。將上述容器、設備至閉排的排放點匯集成另一條總管線至液烴回收系統，進而通過轉輸泵轉液至輸氣海管，輸送至陸地天然氣處理終端。

其設計原則：

（1）為防止因不同的壓力體系造成液烴的相態變化，產生氣液相態轉換的死循環，將中壓壓縮機一級進口洗滌器和中壓壓縮機二級進口洗滌器設計為兩套回收體系[6]。

（2）為液烴的油水沉降分離提供足夠時間，防止轉液時將水轉入氣海管。

（3）結合現場實際，選擇合理空間進行改造。

2.3 設計方案

液烴回收系統由操作壓力分別為450 kPaG（低壓系統）和1 200 kPaG（高壓系統）兩組集液管組成，每組集液管分別由混合室與油室組成。液烴從集液管混合室中部進入，經過油水分離，凝析油從頂部連通管線溢流至油室，沉降水手動排液至閉排。油室收集到的凝析油通過高壓隔膜泵增壓至6 100 kPaG后輸送至天然氣外輸海管，隨外輸天然氣外輸至陸地處理廠處理。

450 kPaG集液管收集中壓機入口滌氣器液烴和原油一級分離器流量計低點排液，油室頂部與中壓壓縮機入口洗滌器相連；1 200 kPaG集液管收集高壓機入口滌氣器液烴，油室頂部與中壓壓縮機二級洗滌器頂部相連，確保液烴收集過程中壓力保持一致，避免液烴因壓力變化造成氣液相態轉換。對伴生氣外輸流量計、天然氣生產分離器、天然氣外輸洗滌器排液管線排液連接管線至1 200 kPaG集液管。方案流程簡圖（見圖 1）。

通過液烴回收系統改造，已經成功完成了對中壓壓縮機機組及入口流量計低點排放處液烴回收處理，每天液烴產量約3 m3，有效解決了中壓壓縮機液烴回收利用問題，消除了流程生產安全隱患。

2.4 應用效果

系統投用后，壓縮機排放由閉排轉至集液系統，而集液系統氣相與分離器進行連通，能夠將凝析油再次回收，避免了揮發性重組分揮發至火炬造成火炬黑煙問題；同時凝析油進入集液系統隨轉輸泵輸送至氣海管，避免了閉排泵轉液困難及對流程和下游的影響。

該油田液烴回收裝置年回收液烴1 044 m3，按照能耗折算標準，1 t原油=1.428 6 t標準煤，液烴回收量相當于 1 044 m3×0.7 t/m3×1.714 3 t標準煤×800 元人民幣=100.2萬元人民幣，實現可觀經濟效益。液烴回收系統投用以來，年轉液烴量達1 044 m3，轉液前經化驗含水為0%，氣海管上下游壓差未見異常，為陸地終端銷售帶來了經濟效益。

圖1 油田液烴回收改造流程示意圖

3 小結

黑煙問題是天然氣放空火炬面臨的一個普遍現象，通過理論以及現場實踐綜合收集出可能造成黑煙的可能，根據原因提出合理治理措施，并且通過海上平臺實際案例分析，有效解決前期液烴未能合理處理帶來的隱患與問題，為油田現場治理黑煙現象提供了有用的參考，對于其他同類油氣田引入液烴回收技術具有一定的參考意義。