海上天然氣處理平臺火炬氣回收的研究

李曉旭

中海石油（中國）有限公司海南分公司 海南 海口 570312

近幾年，隨著可持續發展戰略的提出，需要全面落實低碳環保的相關要求。而海上天然氣處理平臺因火炬燃燒產生大量黑煙，不僅會對自然生態環境造成污染和破壞，同時還會造成天然氣的浪費和損耗，嚴重影響經濟效益和生態效益的穩步提升。通過開展火炬氣回收處理，能夠有效減少溫室氣體的排放數量，同時還能增加天然氣的供應總量，實現能源的節約利用的，推動人與自然的和諧共生。

1 海上天然氣處理平臺火炬氣回收的現實意義

火炬氣本身其實是天然氣的其中一種叫法，主要由烷烴所構成，另外還有硫化氫、二氧化碳，以及氮氣、水分和少量的惰性氣體，在特定環境下存在燃燒或者爆炸等風險。以前在對海上天然氣進行開發的過程中，由于技術水平尚未達到當前的階段，加上少部分火炬氣是通過設備儀器經過處理后過濾出來的，本身數量偏少，回收處理并不方便，因此經常會通過將其引入高空燃燒的方式來進行處理。結合丘陵聯合站火炬放空系統的成功處理案例，實現海上天然氣處理平臺的火炬氣回收，促進天然氣能源的循環開發與利用。

2 現階段海上天然氣處理平臺火炬氣回收工藝

2.1 可回收氣來源與氣量分析

第一，是裝置運行損耗氣，例如設備儀器密封氣損耗、閥門內漏、不凝氣排放等，由于后兩者本身具有不確定性，所以無法對其進行完全掌控，且本身其總體流量相對較少，可以在其進入到火炬匯管之后再對其進行回收處理。第二，是火炬筒體的引導氣，為了確保火炬內氣體的穩定高效燃燒，以及完成廢氣的全面分解，需要適度引進干氣來為燃燒提供引導作用，相較于裝置運行損耗氣來講，引導氣本身相對比較穩定，且能夠通過人工操作的方式進行掌控，可以完成火炬系統點火技術的優化改造后進行回收處理。第三，開啟和關閉機器所產生的排放氣，相關工作人員在裝置開關機時，會按照固定的操作程序來對各個單元具體裝置實施高效有序且能夠掌控的沖壓和泄壓操作，在這過程中往往會產生大量氣體，由于本身是通過人為控制而產生，因此可以通過回收設備來對其進行處理。

實驗證明，放空火炬的氣體具有流速低、壓力小、瞬間放空以及持續放空變化極差大等特點，因此可選擇使用火焰高度法和累積氣量差值法來進行評估和計算，前者主要是按照火炬內部火焰的高度來對火炬氣體流速和釋放熱量等工作原理進行計算，應用范圍相對比較廣泛。

需要注意的是，該公司僅僅適用于天然氣處理平臺火炬頭出口氣體馬赫數Ma≤0.06；L代表火焰高度，D代表火炬頭出口的總體直徑大小。而累積氣量插值法通常被應用于裝置內部消耗的氣體總量和燃料氣體總量的分析中，通常放空火炬的氣體數量大約為設備裝置本身消耗和燃料氣體總量之間差額的95%，另外5%則是跑冒滴漏的平均數值[1]。

2.2 分析和確定火炬氣回收工藝的路線

以回收利用的主要方式進行劃分，通常表現為原料型和燃料型，經過反復實驗和綜合分析，最終在對海上天然氣處理平臺火炬氣回收時，選擇運用原料型回收火炬氣的工作方案，其主要的運行路線以氣柜儲存加壓回收和直接抽吸壓縮回收為代表。在氣柜存儲加壓回收的工藝中，火炬氣的放空氣體可以得到一定緩沖和滯留，加上不同儀器設備的火炬氣在氣柜中進行混合，能夠在一定程度上降低總體組合的實際波動范圍，使后續的壓縮機器能夠保持穩定的操作，實現回收效率高達95%的目標。但由于額外增加了氣柜裝置，投資成本相對偏大，還會消耗更多的占地面積，一旦發生故障問題，則通常需要高昂的維修費用，對經濟效益的增長產生一定影響。直接抽吸壓縮的回收工藝技術雖然投入的資金相對較少，但是由于沒有氣柜來進行緩沖，所以產生的回收效率會整體相對偏低，系統內部管網的壓力波動更大，容易出現不穩定的情況。

2.3 明確關鍵設備的型號選擇和參數要求

首先，對于氣柜儲存加壓回收工藝而言，氣柜的選擇必不可少，目前主要分為干式氣柜、濕式氣柜和膜式氣柜等3種類型，其中，干式氣柜通常以傳統的威金斯干式氣柜為代表，其主要以側板、頂架、立柱、活塞以及密封橡膠膜和活塞調平裝置等構成，通過在外殼內形成可活動的活塞，并使用合成橡膠來制作密封的薄膜，使其形成儲存氣體的實際空間。濕式氣柜本身鋼材料的使用數量相對較少，施工難度也相對偏低，但是由于本身內部設置水封裝置，因此其柜體相對于干式氣柜來講會更加容易出現銹蝕情況，導致其總體使用壽命相對偏短，需要耗費大量的資金來進行維護[2]。

2.4 開發海上火炬氣回收安全控制系統

參照三氣場火炬系統開發海上燃氣處理平臺火炬氣回收安全控制系統，要求系統內具備緊急放空設備、應急點火技術以及防回火技術，以確保火炬系統正常運行，同時高質量完成火炬氣回收工作[3]。

第一，具備緊急放空設施。緊急放空設備已經成為重要內容之一，主要是為了保障裝置在異常情況下也能夠正常運行，能夠順利回收火炬氣，同時也要保障回收工作的安全性以及穩定性。通過分析三氣場火炬氣系統，發現在緊急設施設計中需要具備以下幾點內容。首先，需要具備緊急放空閥，啟動快速球閥具備靈敏性的優點，同時結構設計相對簡單，能夠滿足設備緊急狀態下的切換需求；其次，需要具備水封設施，一般情況下會選擇使用水封罐作為水封設施，其具備防止回火的優點，并且能夠將其作為壓力設備進行使用，使用價值相對較大；最后，需要具備非重閉式壓力泄放裝置，確保當預定值達到一定數值后及時泄放出特定氣體。

第二，具備應急點火技術。標準的應急點火系統需要具備3個部分：（1）火炬長明燈需要優選節能型長明燈，并確保長明燈以最佳的狀態運行，其中節能型長明燈具備使用壽命長、低污染等優勢；（2）高空高壓點火裝置將高壓發生器放在地面，主要用于長明燈以及火炬的點火；（3）地面爆燃系統對于氣密性具有極高的要求。另外還需靈活使用防回火技術，主要是為了避免空氣進入放空氣系統中引發爆炸問題，如在火炬頭前設置阻火器等設備，避免火焰熄滅等問題。除此之外，需要確保回氣量的最小化，盡可能地避免空氣流入。

2.5 結合實際情況確定最終回收方案

（1）確定科學的工藝方案。當裝置正常運行時保障設備內部水封高度的合理性，同時借助背壓將火炬氣放空。若氣柜中存儲的氣體總量已經達到了一定閾值，則要及時啟動氣體壓縮設備，將氣體借助機器壓強進行回收。在這個過程中需要注意的一點是，盡可能地降低原料氣壓上升對機器運行產生的不良影響。當裝置處于緊急狀態時，要及時關閉閥門，確定放空的火炬氣進入到筒體內部后將長明燈點燃，利用專門的儀器設備進行檢測，若檢測到對應的信號，則重新打開閥門，正常進行火炬氣回收。

（2）確定合理的控制方案。為了保障火炬氣回收工作的正常運行，要求制定出兩套控制方案，一套運用正常運行狀態，而另一套用于緊急狀態。正常運行狀態下的控制方案需要明確控制的主要內容，對于橡膠薄膜干式氣柜，主要的控制內容是對氣柜內部活塞板高度的有效控制，采用的主要控制方法是通過調整電機頻率實現活塞高度的控制[4]。緊急狀態下控制方案的關鍵內容在于系統的切換，必要時以手動的方式控制開關；應急點火的控制方案主要是為了能夠確保處于緊急狀態的裝置能夠在火炬氣進入到筒體后，孔明燈能夠順利點火，其中若是點火裝置出現異常則會啟動自動式點火模式。

3 高壓火炬氣與低壓火炬氣的不同回收方案選擇

3.1 高壓火炬氣回收方案的優化選擇

由于海上天然氣處理平臺火炬氣回收工作的特殊性，在高壓火炬氣回收處理的過程中，初步確定兩種工作方案，以期達到火炬氣回收的理想效果。第一個方案是通過新增加一臺凝析油處理系統的增壓泵，幫助有效提高二級分離系統和凝析油閃蒸罐的總體壓力數值，確保其始終處于2000kpa(G)以上，并且經過持續增壓達到2500kpa(G)，進而通過使其壓縮機來對其進行有序回收處理。而第二個方案同樣是新增加一臺增壓泵，帶動二級分離系統和閃蒸罐內部壓力的持續上升，確保其壓力處于2500kpa(G)以上，并通過設置新增管線的方式，把凝析油閃蒸罐內的蒸汽引導進濕氣壓縮機的入口周邊，從而有效達到火炬氣回收的主體目標。

3.2 低壓火炬氣回收方案的優化選擇

通常海上天然氣處理平臺火炬氣回收的過程中，低壓火炬氣主要來源于三甘醇再生系統汽提氣和乙二醇再生系統的放空氣，其中前者占據總比例的60%以上，且最高溫度能夠達到90℃，后者單日的放空氣量大約在5000Sm3。為了有效實現對低壓火炬氣的有效回收，通過對水封罐回收和壓力控制回收兩種不同的方案進行對比。前者主要適用水封罐、低氣壓回收壓縮機和補水系統，經常被應用于陸地的油田開發工作，具有更高的安全系數。但是因本身占地面積相對較大，在海上操作比較困難，對于海上天然氣處理平臺火炬氣回收工作存在一定限制和阻礙[5]。而后者出現意外事故的情況下，對閥門的總體性能具有更高的要求和標準，在爆破片出現不同程度的損壞后，必須立即對其進行更換。

4 結束語

綜上所述，在對海上天然氣處理平臺進行火炬氣回收處理的過程中，需要充分結合目標區域的實際情況，實時調整各項應用設備的具體工作參數，可以有效實現天然氣資源的循環利用，促進能源結構的優化調整。加上做好火炬氣回收處理工作，可以減少對自然生態環境平衡的破壞，帶動社會經濟效益和生態效益的同步增長，深入發掘低碳節能環保的內在潛力，為可持續發展戰略的有機達成奠定基礎。