放空點火系統的優化改造及應用*

殷建成，何云冰，楊 立，李 靜

(1 中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川 遂寧 629000；2 中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400020)

放空火炬是集輸場站上非常重要的安全環保設施[1-3]，其在事故工況或檢修維護時能夠實時、可靠的將放空天然氣進行燃燒[4]。高磨二期燈影組氣藏集輸場站放空火炬系統主要由PLC控制系統、火炬筒體、火炬頭、阻火設施、引火控制撬、壓力/流量開關、高能點火電極、火焰監測儀等組成，引火氣源采用燃料氣，點火方式采用獨立外傳焰火點火、高空高能電極點火，自動化控制系統采用獨立的可編程控制器(PLC)實現[5]。PLC控制系統執行對放空火炬的自動點火、遠程點火、就地點火、火焰監測、報警、與監視系統通訊等功能。該區塊天然氣場站火炬點火系統故障發生頻率高，在運行過程中存在點火成功率低下的問題。為消除隱患，減少損失，保障人身和財產安全，通過分析產生問題的根源，提出優化改進方案，形成有效提升放空火炬點火成功率的方案。

1 放空點火系統運行概況

高磨二期燈影組氣藏現有生產場站在用放空火炬系統36套，具備自控感應點火、遠程點火、就地點火功能，當主火點燃后自動關閉引火電磁閥，只燃燒放空氣源；獨立外傳火由外傳火電磁閥同步控制。各放空點火系統可將系統各項參數上傳至井站PLC柜，實現中心井站、監控中心對放空系統數據的監控功能。

在壓力/流量開關、點火電極、PLC控制系統、控制閥門、火焰監測儀完好的情況下，2019年11月至2020年4月場站放空時放空火炬無法正常點火已出現20多井次。定期點火測試發現各場站的點火系統在運行過程中極不穩定，低流量放空狀況下自動高空電點火、現場手動高空電點火以及外傳火一次點火成功率在40%～100%；大流量放空狀況下，流量感應開關可檢測并發出點火信號，但高能電點火引燃天然氣的一次成功率在20%～80%。不論是手動點火測試還是自動點火測試，其一次點火成功率都非常低。不經燃燒的易燃易爆有毒天然氣泄放對生產運行存在重大的安全環保隱患，特別是無人值守含硫場站的安全閥起跳其危害更甚。

2 點火系統失效分析

2.1 放空氣體擴散過程

由于天然氣場站放空在野外開闊地帶開展，是一種對流擴散過程，主要受風速和質量流速影響[6-9]。

高風速時，空氣具有強烈的流動性，空氣與放空天然氣能夠快速的進行對流擴散，供氧充足，易于燃燒，但火焰熱流也會在極短時間內跟隨著高風速帶走，使得火焰溫度場區域變小，其燃燒區域也會跟著極度縮小，導致無法點燃放空天然氣的狀況。

放空氣體出口端壓力越大其質量流速越大，質量流速越大其初始動量越大，氣體的擴散范圍和高度越大。初始動量越大，放空的高速氣流在火炬立管端口越易發生抽吸作用將引火管口處空氣、天然氣大量的抽走，在放空端口射流燃燒流場核心區產生負壓并形成過冷效應，放空天然氣在火炬立管端口極可能得不到燃燒。

2.2 燃氣射流燃燒流場理論

天然氣放空是由放空火炬立管管口在壓差推動下被噴射成一束，流動形式為高速射流。按照燃氣射流擴散燃燒模型[10]，射流場中的燃燒全部發生在內外邊界的混合區。在核心區內，由于沒有周圍助燃介質的“侵入”，氣流被認為保持在原來的狀態，沒有燃燒。

旋轉射流的旋轉作用使得射流介質獲得向四周擴散的離心力，其擴散角可達900以上，在射流內部軸線附近形成一個回流區。與普通射流相比，旋轉射流較一般射流其射程更短、湍流強度更大，更易促進射流介質與周圍介質的動量交換、熱量交換和物質交換，使氣體燃燒進一步完全和穩定。因此，目前燃燒技術廣泛應用旋轉射流來實現。

2.3 點火系統失效因素分析

放空火炬點火系統的失效會使得沒有燃燒的含硫天然氣直接向大氣放空，產生天然氣與空氣的混合體在爆炸臨界點發生爆炸的危險和威脅人的生命安全、設備設施損壞等后果[11-13]。火炬點火系統的安全運行直接影響著放空火炬的安全運行。此外，可能還有其他原因導致放空火炬點火失效，表1中列出了可能導致火炬系統點火失效的因素。

表1 火炬系統點火失效因素表

考慮到高磨二期燈影組氣藏放空火炬系統建設時間不長，PLC控制系統、壓力/流量開關、點火電極、火焰監測儀完好，閥門、管線不存在堵塞和損壞的情況下，點火失效的原因在于：

(1)引火燃料氣通過DN25管線從水套爐分流到點火裝置，距離至少50 m以上，遠的達到300～400 m；管路上無定壓/流量調壓閥，壓力/流量需通過燃料氣撬裝上最后1級截止閥進行調節，無法達到放空火炬要求的壓力/流量；據流體力學理論可知，由于傳火引火管氣嘴直接與大氣連通，引火管內氣體壓降梯度極大，且受前端壓力波動、引火氣源管線小、氣量供應不足等因素影響，存在獨立外傳火燃燒到放空火炬立管中途無法繼續傳火的現象，使得外傳火一次點火測試成功率較低。

(2)小流量放空狀態下，①火炬口高度20 m，風速可達20 m/s，電點火電極僅1處，如位置處于風向的上風側，天然氣氣云從噴放口上方往下風向偏斜；②風速較大時，電點火引火燃燒器產生的熱流、部分燃料被風快速帶走，火焰的燃燒范圍變小，存在引火點不燃的現象。

(3)大流量放空狀態下，放空的高速可壓氣體在燃燒流場結構核心區的火炬口處其密度、壓降、溫度降低，隨著流速的增加，氣體發生膨脹，將放空立管端口處的空氣、燃料氣部分抽走，使得燃燒流場結構的核心區范圍擴大，火炬口的氣體不能得到燃燒。同時，電點火極位于火炬頭頂部，受風、雨等外部復雜天氣環境影響時常伴發故障，導致高空電點火極非常難以點燃大流量的放空氣體。

3 點火系統改進方案

針對高磨二期燈影組氣藏集輸場站放空點火系統一次點火成功率低下的現狀，優化改進方法[14-20]如下：

(1)雙引火燃燒器點火

為降低單獨1只高空高能電點火極受高風速、風向燃燒區域變小而點不燃引火和點火電極本體失效的概率，增設1只高空高能電點火極形成高空雙引火燃燒器點火技術。

(2)高空分布式接入外傳雙引火氣源

在火炬頭位置下分布式設置2根約 1 m長高空外傳火取氣引火管線，同時將位于火炬頭頂部的高空高能電點火極移到火炬頭下端新增加的高空外傳火引火取氣管線上[21]。一可解決因引火氣源壓力波動大、引火氣量小、供氣不足使得引火火焰不能傳到放空火炬放空口的問題；二可避免引火火焰受高風速、風向的影響沒有效進入放空射流氣體擴散燃燒結構的內外邊界交混區，導致不燃燒狀況；三可以減少點火電極在火炬頭一直受放空氣體高溫火焰灼燒本體發生故障的概率。

4 應用實例

圖1 高磨區塊在用放空火炬高空單電極點火裝置

西南油氣田川中油氣礦在2020年6-7月對磨溪022-X24等5口產能井的放空系統高空電點火由常規的單電極點火(見圖1)，改造為高空分布式接入外傳火引火氣源+雙引火燃燒器點火(見圖2)。

圖2 高空分布式接入外傳火引火氣源+雙引火燃燒器點火裝置

在技術改造后，對放空火炬點火系統進行現場點火試驗，測試結果見表2。由表2的測試可知，在大、小流量工況下的天然氣放空一次點火測試成功率得到了有效提升，分別是92%、100%。

表2 放空火炬點火測試成功次數統計表

5 結論與建議

(1)高磨二期集輸場站放空系統通過采用高空分布式接入外傳火引火氣源+雙引火燃燒器點火，放空火炬一次點火成功率達到了92%以上，有效降低了因天然氣場站放空過程中一次點火成功率低下而長期影響天然氣生產的安全環保隱患問題，表明這是一種能有效提升放空火炬點火成功率的方法。

(2)本次技改未對放空火炬的燃燒器結構進行改造，在大流量放空時高速放空射流燃燒流場核心區較大，存在引火火焰未進入內外邊界混合區導致放空氣沒點燃的情況，而使得大流量放空自動點火的一次成功率未達到100%。

(3)針對集輸場站放空火炬點火系統的后續技術改造，可通過優化改造火炬頭燃燒器結構形成易于天然氣與空氣充分混合的導流通道且具備湍流射流擴散燃燒模型、在引火控制閥組前端增設一段引火氣源儲氣裝置并優化外傳火引火氣源氣嘴間的距離等方式，進一步提升放空火炬在各工況下的一次點火成功率，確切降低天然氣場站放空存在的安全環保隱患。