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      放空管網(wǎng)工藝流程改造論證

      2019-09-10 07:22:44顧磊李慶侯宗倫羅剛
      中國化工貿易·上旬刊 2019年3期
      關鍵詞:阻火器流程優(yōu)化風險

      顧磊 李慶 侯宗倫 羅剛

      摘要:雷三增壓集氣站主要擔負中壩氣田雷三氣藏的7口生產(chǎn)單井所產(chǎn)含硫天然氣的匯集、油水分離、計量及天然氣增壓輸送、地層水處理、輸送、回注等任務,天然氣通過壓縮機進行增壓輸送至凈化廠。本文依據(jù)雷三增壓集氣站的生產(chǎn)資料,應用流體力學基礎知識、流量的關系等進行了推導,并對雷三增壓集氣站的放空流程進行實例驗證,以消除隱患、滿足生產(chǎn)需要為前提,提出改造建議,為指導該站的后期生產(chǎn)提供一定的參考。

      關鍵詞:流程優(yōu)化;風險;阻火器;放空背壓

      雷三增壓集氣站是一具有集、輸、增壓功能為一體的集輸氣增壓站。該站天然氣壓縮機組于2001年投入運行,該站站內匯集的天然氣為雷三氣藏高含硫氣,H2S含量為107~109g/m3,CO2含量為4~5%,工藝介質惡劣。生產(chǎn)中產(chǎn)生的放空天然氣必須充分燃燒,以防止人員中毒及環(huán)境污染事故發(fā)生。

      1 雷三增壓集氣站的概況及開發(fā)現(xiàn)狀

      雷三增壓集氣站自1982年3月28日建成投產(chǎn)。在1982年至1999年由于進站壓力高,且凝析油含量高,站內采用低溫分離技術,因而在該階段稱為“低溫集氣站”。隨著開采時間的推移,氣藏進入后期開發(fā),地層壓力和井口壓力不斷降低,無法再進行低溫分離。1999年進行技改,變?yōu)椤俺丶瘹庹尽?。?000年新建天然氣壓縮機組并于2001年投入運行,因此改名為“雷三增壓集氣站”。

      目前該站有兩臺ZTY440MH9×9(2000年安裝)和一臺DPC2803 MH9×9(2003年安裝)天然氣壓縮機組,采用“兩用一備”方式進行增壓開采。機組運行時日產(chǎn)天然氣約15×104 m3(不增壓開采時產(chǎn)氣約10×104 m3/d)。

      1.1 雷三增壓集氣站工藝流程

      該站主要設備流程:所有氣井來氣在經(jīng)過一次重力分離后進行計量,匯集后進行二次重力分離,然后再經(jīng)過濾分離進入增壓機,增壓后輸送至凈化廠。分離后的油水通過計量罐計量,進入油罐區(qū)進行沉降分離,然后分別管輸(或泵輸)至各回注井。生產(chǎn)區(qū)放空氣與油罐區(qū)放空氣匯合后進入火炬(見附圖1)。

      1.2 生產(chǎn)工藝控制參數(shù)(見表1)

      2 該站存在問題的分析

      2.1 放空區(qū)流程現(xiàn)狀

      1982年至2012年放空流程分為高、中、低壓三根放空管線分別至火炬,火炬直徑Φ159×11。2012年火炬使用30年進行更換,進行流程改造,將中壓和低壓放空管線匯合后進入火炬,火炬直徑Φ108×10。

      目前放空區(qū)流程:生產(chǎn)區(qū)放空在距火炬60米處、兩級阻火器前端與油罐區(qū)放空管線T接在一起。油罐區(qū)放空進入火炬區(qū)放空分離器,然后經(jīng)過兩級阻火器,進入火炬燃燒(見附圖2)。

      油罐區(qū)在未進行操作時應保持常壓,放空總閥處于常開。油罐區(qū)油罐使用年限超過20年,壁厚減薄降壓使用,最高工作壓力由0.5MPa調整至0.25MPa。當站內生產(chǎn)過程中,在應急放空或放空帶液,需大氣量放空時,放空氣無法全部通過兩級阻火器進入火炬。超量放空時,會形成較高的背壓,對串接在中壓放空管路上的低壓系統(tǒng)將產(chǎn)生較高的安全風險,嚴重時會導致事故,存在重大安全隱患。

      2.2 存在的問題

      ①不符合《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》GB50183-2015中規(guī)定:“放空管道必須保持暢通,高壓、低壓放空管宜分別設置,并應直接與火炬或放空總管連接;不同排放壓力的放空管接入同一排放系統(tǒng)時,應確保不同壓力的放空點能同時安全排放?!庇凸迏^(qū)低壓放空管接入中壓放空管,大氣量放空時,產(chǎn)生的背壓通過低壓放空管路傳遞至油罐區(qū),造成憋壓;

      ②放空氣必須經(jīng)過兩級阻火器后才能進入火炬,存在很大的流動阻力,形成較高的背壓。應急處置時放空氣竄入低壓放空系統(tǒng),造成憋壓;

      ③新火炬直徑為Φ108,而場站放空管線為Φ159,為與之相匹配,在火炬前60米安裝了同心異徑大小頭Φ159×108。火焰的燃燒速度與管徑成正比關系。因此,火焰燃燒速度降低,回壓上升,導致放空速度降低,產(chǎn)生的背壓反串至低壓管路;

      ④本站生產(chǎn)的為高含硫天然氣,因腐蝕會形成大量硫化鐵粉末,易造成阻火器濾網(wǎng)(芯)堵塞,導致通過能力大幅下降。

      2014年5月28日出站至凈化廠輸氣管線積液,輸壓達到2.7MPa,通過出站手動放空閥進行放空帶液,導致油罐區(qū)超壓。壓力表顯示全部超量程(壓力表量程為0~0.6MPa)。

      2014年12月29日,由于停電造成凈化廠裝置停運,站內壓力超過2.8MPa,站內采取放空泄壓,油罐區(qū)超壓導致排污管線穿孔泄漏。

      2.3 火炬區(qū)放空背壓計算分析。

      2.3.1 相關計算數(shù)據(jù)的依據(jù)

      ①SH-3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》6.8.7的規(guī)定:“對場站發(fā)生事故,氣體需全部排放時,按最大排放量計算。馬赫數(shù)可取0.5”;

      ②GB/T 13347-2010《石油氣體管道阻火器》10.1的要求:廠家提供的《產(chǎn)品合格證》中包含“氣體流量—壓力降曲線”。本站阻火器廠家提供的數(shù)據(jù)顯示阻火器的通過能力為95%。

      2.3.2 計算由阻火器通過能力產(chǎn)生的背壓。

      兩級阻火器串聯(lián)的通過量:

      95%×95%=90.25%

      按場站應急放空瞬時流量10×104m3/d計算剩余氣量:

      100000×(1-0.9025)=0.975×104m3/d

      按應急放空10分鐘計算阻火器前的背壓,根據(jù)氣體狀態(tài)方程式:

      不考慮溫度、壓縮系數(shù)的影響。則:

      由放空管線規(guī)格Φ159×11,至阻火器的距離450m,得到:

      2.3.3 計算管線達到臨界放空量時的背壓(音速為340m/s):

      臨界放空量:

      放空10分鐘后的剩余氣量:

      153×10×(1-0.9025)=149.175m3。

      根據(jù)式(1)計算背壓:

      2.3.4 計算火炬臨界流量排放時產(chǎn)生的背壓:

      依據(jù)SH-3009-2013《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》管道摩阻損失計算公式(7.1.1-1):

      式中:

      f-水利摩擦系數(shù);

      L-管道長度,(m);

      d-管道內徑,(m);

      Ma-管道出口馬赫數(shù);

      P1-管道入口壓力,(絕壓)(kPa);

      P2-管道出口壓力,(絕壓)(kPa)

      從上式可以看出:放空管出口馬赫數(shù)一定的情況下,放空管直徑越大,造成的背壓越小。

      根據(jù)公式,將T接點作為入口計算背壓值,L取值60m,d取值108-(10×2)=88mm=0.088m,M取值0.5,P2取值101.325kPa,f水利摩擦系數(shù)取值0.08.求背壓P1值。

      公式計算思路以公式(2)左右平衡為基礎,根據(jù)對壓力、管徑等參數(shù)的設置,保障兩端平衡。

      計算以:

      并擬定管徑為定值,兩根放空管線接入點距離L為變量,計算接入點背壓進行對比。計算結果(見附表2):

      以上數(shù)據(jù)分析可見:場站應急超量放空時,因達到臨界流量產(chǎn)生的背壓為1~2MPa,加之因氣質原因造成阻火器濾網(wǎng)堵塞會加劇背壓升高。背壓已遠超油罐區(qū)0.25MPa的操作壓力,存在重大安全隱患。

      3 解決安全隱患的方法

      以上分析和計算表明:放空時產(chǎn)生的背壓主要有兩方面的因素:一是阻火器流通能力的影響;二是放空管直徑的影響。其中阻火器流通能力的影響最為明顯,阻火器流通能力越小、放空氣量越大產(chǎn)生的背壓會成倍增加。

      3.1 解決方案

      ①更換較大直徑的火炬,中、低壓放空管線分別鋪設至火炬口,并單獨使用阻火器。

      優(yōu)點:符合設計規(guī)范要求,消除了安全風險。

      缺點:費用高(拆除舊火炬,購買、安裝新火炬),施工難度大、周期長。

      ②利用現(xiàn)有兩只阻火器,分別設置于中壓和低壓放空管路上,變串聯(lián)為并聯(lián),將中、低壓放空管路的T接點移到距離火炬5m以內,有效降低放空背壓。(見附圖3)

      優(yōu)點:費用低,操作簡單,施工容易。只需少量管子、管件就可完成。

      缺點:火炬的直徑限定了臨界燃燒速度,大氣量放空時仍然存在一定的背壓。

      3.2 方案對比與論證

      將火炬直徑更換為Φ159,根據(jù)公式(2),計算結果對比(見附表3):

      附表2、附表3顯示,當接入點距離L<5m時,得到背壓低于0.16MPa(絕壓)。在油罐區(qū)操作壓力0.25MPa以下,不會導致油罐區(qū)超壓。

      單只阻火器的通過量為95%,剩余氣量:

      100000×(1-0.95)=0.5×104m3/d

      根據(jù)式(1)得:

      阻火器并聯(lián)后,阻火器產(chǎn)生的背壓大幅度降低,且超量放空時產(chǎn)生的背壓只與中壓管路有關。

      兩種方案實施所需費用及周期(見附表4):

      對比兩種方案,方案一更換火炬的效果更好,但產(chǎn)生的施工費用高,周期長。方案二雖然會產(chǎn)生一定背壓,但遠低于操作壓力,不會影響生產(chǎn),且施工費用低,周期短。

      根據(jù)該站實際生產(chǎn)情況,本人建議采取第二種解決方案。

      3.3 優(yōu)化后的地面工藝適應性分析

      ①該站正常生產(chǎn)時,油水計量罐壓力調節(jié)閥動作和油罐區(qū)操作,會產(chǎn)生少量放空氣,火炬設計的臨界放空量能夠滿足需要;

      ②當出現(xiàn)應急放空或放空帶液時,因超量放空產(chǎn)生的背壓,不會對油罐區(qū)造成影響。

      ③方案二被氣礦、作業(yè)區(qū)采納,于2015年11月大修中實施。至今未出現(xiàn)油罐區(qū)憋壓的情況。2016年5月的應急處置中生產(chǎn)區(qū)放空正常,油罐區(qū)未見壓力上升。

      以上情況證明:優(yōu)化后的放空區(qū)工藝流程對該站的正常生產(chǎn)無不利的影響,完全能夠滿足該站的生產(chǎn)需要,對低壓設備也無不利影響。

      4 結論及建議

      通過對解決雷三增壓集氣站放空工藝流程隱患整改的方案對比分析,和采取在現(xiàn)有工藝流程基礎上進行優(yōu)化改造的效果。在放空系統(tǒng)設計或改造時,應考慮高壓、低壓放空管分別設置阻火器,并單獨連接至火炬。不具備單獨連接條件的,應在阻火器下游端,靠近火炬底部進行連接,確保低壓系統(tǒng)不超壓。同時,建議放空火炬的直徑,應按場站臨界放空量進行選擇。阻火器的類型,宜在滿足防火設計要求的條件下,選擇較大通過能力的阻火器。

      參考文獻:

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