實現(xiàn)火炬系統(tǒng)零碳排治理方法可行性研究

張彥鑫，李華朋，徐靚，張紹廣，黃焌淞

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重宣布，“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。“碳達峰、碳中和”目標(biāo)開啟了零碳發(fā)展新征程，需要社會各界共同努力，其中企業(yè)是實現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵主體。氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對生命系統(tǒng)形成威脅。各大石油公司堅持穩(wěn)油增氣，加快“綠色油田”建設(shè)，加強碳排放源頭管控，全面強化節(jié)能管理和技術(shù)改造，大力推動電力改造及清潔燃料替代，降低生產(chǎn)過程中二氧化碳排放，爭當(dāng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型生力軍。

石油行業(yè)開采過程中，產(chǎn)生大量的伴生氣體，一部分是不危險的氣體，不危險的氣體需要進行冷處理。還有一部分是油田伴生氣隨原油共生，屬于天然氣的一種，通常為富含甲烷等低分子烷烴的混合氣體[1]。這部分伴生氣絕大多數(shù)通過油氣分離、天然氣凈化流程被回收利用，但回收過程中排放的天然氣尾氣、廢氣是石油上游企業(yè)溫室氣體的一個主要排放源，也是最大的甲烷排放源，它們要通過火炬系統(tǒng)燃燒處理，轉(zhuǎn)化為以二氧化碳為主的危險性小的溫室氣體，保障人員安全及設(shè)備穩(wěn)定運行，降低環(huán)境污染，減小風(fēng)險發(fā)生。

1 火炬系統(tǒng)簡介

火炬系統(tǒng)燃燒的介質(zhì)由三大部分組成：第一部分為低壓天然氣，這部分天然氣壓力低于正常壓縮機入口要求，且供氣量不穩(wěn)定，很難通過現(xiàn)有設(shè)備加以回收；第二部分為長明燈供氣，可燃氣體24 h連續(xù)穩(wěn)定供給，保持火炬持續(xù)燃燒，以應(yīng)對事故工況下，大范圍天然氣釋放帶來的風(fēng)險；第三部分為應(yīng)急泄放天然氣，流程發(fā)生應(yīng)急、故障工況時，會在短時間內(nèi)往火炬系統(tǒng)泄放大量天然氣，以確保流程安全關(guān)停。

本文提及火炬系統(tǒng)，是由放空管匯、火炬分液罐、火炬筒及火炬頭等組成。它是通過火炬頭高空燃燒的方式，處理來自原油多級分離系統(tǒng)、天然氣凈化處理系統(tǒng)正常的生產(chǎn)工況和事故工況下(堵塞工況、火災(zāi)工況[2])設(shè)備設(shè)施在安全條件下泄壓過程中產(chǎn)生的天然氣及其凝液，經(jīng)火炬分液罐進行分離后，天然氣進入火炬燃燒，安全排放。凝液通過自流進入閉式排放罐進行回收利用。

火炬是高架懸臂塔火炬，按照GB 51029—2014火炬工程施工及驗收規(guī)范設(shè)計，日常使用要求24小時長明，保持隨時點燃火炬的小火[3]。點火流程是由處理合格燃料氣或壓縮丙烷氣體與來自空壓機系統(tǒng)壓縮空氣，按照一定比例混合后，通過火炬塔底部點火器或高空點火器，點燃長明燈，以便引燃火炬系統(tǒng)排放的放空氣體。

燃燒主要設(shè)備：長明燈、火炬頭、操作平臺、點火器控制盤、火炬分液罐、丙烷儲罐、供給管匯等。火炬系統(tǒng)燃燒流程如圖1所示。

圖1 火炬系統(tǒng)流程簡圖

2 主要問題解決方向

在節(jié)能減排技術(shù)研究與推廣和持續(xù)降低二氧化碳排放強度背景下，針對能否徹底熄滅火炬進行可行性研究，著重從以下三個方面進行解決，開展了如下實施與探索。

2.1 解決低壓氣充分回收的問題。

以某A區(qū)塊為例，其下轄6個生產(chǎn)單元1座陸地終端，6個生產(chǎn)單元共計日均火炬放空氣量2.15萬立方米/天，1座陸地終端日均火炬放空氣量0.8萬立方米/天，均通過火炬燃燒來保證油田安全生產(chǎn)。正常的生產(chǎn)工況，火炬放空氣主要來源為二級分離器低壓放空氣，上游海底管道段塞流現(xiàn)象造成的放空氣，自身流程波動造成的放空氣，天然氣洗滌器排液輕烴揮發(fā)造成的放空氣等如表1所示。

表1 各生產(chǎn)單元火炬放空氣量統(tǒng)計表

2.2 解決長明燈清潔能源替代問題。

火炬系統(tǒng)依靠長明燈流程維持燃燒工況，以應(yīng)對事故工況下，大范圍天然氣釋放帶來的風(fēng)險，各生產(chǎn)單元長明燈日用氣量如表2所示。

表2 各生產(chǎn)單元火炬長明燈用氣量統(tǒng)計表

2.3 區(qū)域化火炬放空氣管網(wǎng)布置，滿足高壓氣泄放、回收安全要求。

各生產(chǎn)單元火炬放空氣需應(yīng)對流程出現(xiàn)應(yīng)急關(guān)斷造成的氣體緊急泄放。此部分氣體按照壓力等級可以分為低壓氣體(0～1 MPaG)，中壓氣體(1～3 MPaG)，高壓氣體三部分(3 MPaG以上)。為了減少二氧化碳排放，最大限度回收緊急放空氣體，達到節(jié)能減排目標(biāo)，布置區(qū)域化火炬放空氣管網(wǎng)。

3 方案實施與論證

3.1 低壓射流回收技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合現(xiàn)階段天然氣區(qū)塊反輸調(diào)整回收項目、輕烴回收項目的落實，對各海底管道供氣方向、設(shè)備設(shè)施輕烴洗滌器排液流程改造，已實現(xiàn)富余天然氣區(qū)域共享、輕烴進入天然氣海底管道直輸陸地終端目標(biāo)，大量減少火炬放空氣量，現(xiàn)階段各生產(chǎn)單元利用低壓射流技術(shù)，開展對二級分離器低壓放空氣回收工作，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的零排放，保證平臺安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

本文所提及的低壓射流技術(shù)，來源于文丘里效應(yīng)原理。文丘里效應(yīng)，也稱文氏效應(yīng)，它是指在高速流動的氣體附近會產(chǎn)生低壓，從而產(chǎn)生吸附作用，如圖2和圖3所示。

圖2 射流裝置簡圖

圖3 射流裝置工作示意圖

目前的回收技術(shù)以增壓壓縮機回收為主，該技術(shù)應(yīng)用成熟，可選擇的壓縮機形式較多，但前期投資較大，平臺改造工作量大，后期操作維護成本較高。

射流裝置應(yīng)用于低壓天然氣增壓項目，具有比較明顯的優(yōu)勢如表3所示。

表3 射流增壓裝置與壓縮機增壓對比表

低壓射流技術(shù)應(yīng)用成功解決了低壓氣回收問題，對于一些低壓無法利用的天然氣，利用此項技術(shù)可以完全回收，提高天然氣利用率，實現(xiàn)了在生產(chǎn)油田正常工況下火炬頭熄滅目標(biāo)(不含長明燈)。

3.2 清潔能源替代傳統(tǒng)火炬燃氣能源

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，合適清潔能源替代傳統(tǒng)石化能源，保持火炬清潔燃燒，可杜絕二氧化碳排放。其中海水和天然氣作為海上最普遍的能源，也是清潔能源轉(zhuǎn)化的重要資源。

目前國內(nèi)外海水電解制氫技術(shù)可分為三種：海水光電催化制氫技術(shù)、海水光催化制氫技術(shù)和海水電催化制氫技術(shù)。三類技術(shù)雖然實現(xiàn)了海水制氫，但存在各自的問題。比如海水光電催化制氫技術(shù)，是在光照下通過電解水生產(chǎn)氫氣，該技術(shù)發(fā)展較慢且太陽能轉(zhuǎn)化利用效率偏低，難以實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用；又如海水光催化制氫技術(shù)，目前仍局限于實驗室淡水制氫研究階段，技術(shù)不夠成熟且受鹽離子影響嚴重，導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化利用率過低；而傳統(tǒng)海水電催化制氫技術(shù)則面臨淡化成本高、工藝流程復(fù)雜等瓶頸。目前，謝和平院士團隊在大規(guī)模水制氫技術(shù)基礎(chǔ)上，重點布局海水制氫的顛覆性探索性技術(shù)，包括解耦式海水直接制氫技術(shù)、微流體海水制氫以及海水制氫催化劑原理與開發(fā)等領(lǐng)域，將豐富的海水資源轉(zhuǎn)化為海水能源，賦予氫能產(chǎn)業(yè)新格局，使氫能技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得突破性進展，為海上設(shè)施火炬長明燈清潔能源替代提供了指導(dǎo)性綱領(lǐng)。

我國對天然氣制氫催化劑的探究取得了非常突出的成績。經(jīng)過我國變換以及PSA工藝技術(shù)的探究已經(jīng)有了工業(yè)應(yīng)用的條件[4]。針對中型以及小型規(guī)模的天然氣制氫裝置，也做出了進一步的建設(shè)。對于間歇式天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化等相關(guān)方式的應(yīng)用，在該領(lǐng)域當(dāng)中占有了一定的優(yōu)勢，工藝比較成熟，并在我國各規(guī)模的多套工業(yè)化裝置當(dāng)中得到了高效運轉(zhuǎn)，最終獲得的純度可以達到99.9%[5]。

清潔能源替代傳統(tǒng)火炬燃氣能源后，能夠保證火炬長明燈持續(xù)穩(wěn)定點燃，實現(xiàn)清潔燃燒，降低二氧化碳排放，其達到效果是，流程出現(xiàn)任何緊急泄放情況，均能保證可燃氣體快速燃燒，本質(zhì)滿足安全生產(chǎn)要求，實現(xiàn)在生產(chǎn)油田正常工況下火炬系統(tǒng)可以完全熄滅，徹底實現(xiàn)碳的零排放。

3.3 建造區(qū)域化放空氣回收大管網(wǎng)，回收各單元火炬放空氣

為了進一步減少火炬系統(tǒng)二氧化碳排放，并最大可能對應(yīng)急關(guān)斷造成的緊急泄放氣體進行回收，計劃對火炬系統(tǒng)進行系列改造：將現(xiàn)有的火炬放空系統(tǒng)放空氣來源進行分類，保持現(xiàn)有的低壓放空氣前往現(xiàn)有火炬系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)急排放；其次將高壓設(shè)備的放空流程增設(shè)一套流程，設(shè)計建造一套區(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)。

考慮到流程應(yīng)急關(guān)斷氣體緊急泄放仍然會產(chǎn)生大量天然氣燃燒，不但造成資源浪費，還會產(chǎn)生大量二氧化碳氣體，計劃再建造一套區(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)將各設(shè)施火炬系統(tǒng)放空氣體通過長輸管道進行集中回收。為了保證各生產(chǎn)單元本質(zhì)安全生產(chǎn)，緊急泄放情況下，各分離器和洗滌器產(chǎn)生的低壓氣體仍通過區(qū)域化火炬放空氣低壓管網(wǎng)進入火炬系統(tǒng)燃燒，各生產(chǎn)單元依托各自子管網(wǎng)將中、高壓氣體全部輸送至放空氣高壓回收管網(wǎng)，最終輸送至陸地終端，通過低壓壓縮機增壓后外輸處理，可大量回收火炬系統(tǒng)放空氣，實現(xiàn)二氧化碳減排。

管網(wǎng)布局如圖4所示，黑色為區(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)。

圖4 區(qū)域化放空氣回收大管網(wǎng)

堵塞工況、火災(zāi)工況等極端工況下，大量中、高壓放空天然氣進入?yún)^(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)進行緩沖，管網(wǎng)采用單層不保溫海管，海管長度約100 km，尺寸12英寸，需滿足瞬時天然氣存儲要求(海管尺寸、長度可根據(jù)實際需要設(shè)置)，數(shù)據(jù)見表4。低壓氣回收工況大管網(wǎng)操作壓力20 kPaG，海管出口超過此壓力低壓壓縮機加載運行，大管網(wǎng)最高操作壓力500 kPaG。大管網(wǎng)壓力從20 kPaG上漲至500 kPaG整個階段，我們可以根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT求出海管內(nèi)壓縮氣體標(biāo)方體積變化范圍[6]。

表4 大管網(wǎng)相關(guān)參數(shù)

當(dāng)大管網(wǎng)在20 kPaG運行時，海管最大儲氣、緩沖能力(標(biāo)方)：

式中：P1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P1=100 kPaA；V2為大管網(wǎng)容積，V2=6 994.4 m3；P2為大管網(wǎng)操作壓力，P2=120 kPaA；T1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度，T1=273.15 K；T2為工況溫度，T2=20+273.15=293.15 K。

當(dāng)大管網(wǎng)在500 kPaG運行時，海管最大儲氣、緩沖能力(標(biāo)方)：

式中：P3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P3=100 kPaA；V4為大管網(wǎng)容積，V4=6 994.4 m3；P4為大管網(wǎng)操作壓力，P4=600 kPaA；T3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度，T3=273.15 K；T4為工況溫度，T4=20+273.15=293.15 K。

由以上計算結(jié)果可知，大管網(wǎng)壓力從20 kPaG上漲至500 kPaG整個階段，海管可緩沖容積(標(biāo)方)為：

流程關(guān)斷、火災(zāi)工況等極端工況下，各生產(chǎn)單元中、高壓天然氣瞬時放空總量需滿足海管可緩沖容積，即可實現(xiàn)氣體回收，減少二氧化碳排放。

為進一步確保中、高壓設(shè)備在事故工況下的徹底泄放，保證設(shè)備設(shè)施的本質(zhì)安全，需對中、高壓設(shè)備泄放流程進一步改造，如下圖5所示，以實現(xiàn)設(shè)備泄放過程氣體的回收和完全泄放雙重目標(biāo)。

圖5 中、高壓設(shè)備事故工況下泄放流程

當(dāng)出現(xiàn)事故工況，中、高壓設(shè)備需要緊急泄放時，首先打開閥1，中、高壓氣體進入?yún)^(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)，對放空氣體進行回收；設(shè)備壓力泄放至500 kPaG后，閥1關(guān)閉，閥2打開，氣體進入?yún)^(qū)域化火炬放空氣低壓管網(wǎng)進行燃燒。最大限度回收中、高壓氣體，同時保證事故工況下，設(shè)備能夠泄壓充分。

通過大管網(wǎng)設(shè)計，火炬系統(tǒng)通過一套區(qū)域化火炬放空氣低壓管網(wǎng)進行并聯(lián)，流程出現(xiàn)緊急泄放情況下能夠保證各生產(chǎn)單元低壓氣快速燃燒，對各分離器和洗滌器有很好的保護作用；區(qū)域化火炬放空氣高壓回收管網(wǎng)的建造，將實現(xiàn)中、高壓設(shè)備的緊急泄放，同時滿足對放空氣體的最大限度回收。

4 優(yōu)缺點分析

總結(jié)方案優(yōu)缺點，不難發(fā)現(xiàn)增設(shè)低壓射流回收技術(shù)及清潔能源替代傳統(tǒng)火炬燃氣能源，可實施改造項目工作量小，可行性高。建造區(qū)域化放空氣回收大管網(wǎng)，優(yōu)點是可實現(xiàn)徹底熄滅火炬，缺點是整體造價比較高；結(jié)合油田群生產(chǎn)特點，區(qū)域開發(fā)程度高，管網(wǎng)豐富，可利用現(xiàn)有管網(wǎng)改造，從而達到回收功能。

5 結(jié)語

以上探索性研究基于火炬系統(tǒng)零碳排的治理為目標(biāo)導(dǎo)向，低壓射流回收技術(shù)成功應(yīng)用，清潔能源替代傳統(tǒng)火炬燃氣能源，區(qū)域化天然氣回收大管網(wǎng)設(shè)計回收中、高壓放空天然氣，三步環(huán)環(huán)相扣可最大限度實現(xiàn)二氧化碳減排，引領(lǐng)低碳化，推動海上油田綠色發(fā)展。為了便于計算，區(qū)域化天然氣回收大管網(wǎng)模型相對簡單，但具備一定的參考意義。