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 ?？?570312

近幾年，隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，需要全面落實低碳環(huán)保的相關(guān)要求。而海上天然氣處理平臺因火炬燃燒產(chǎn)生大量黑煙，不僅會對自然生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，同時還會造成天然氣的浪費和損耗，嚴(yán)重影響經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的穩(wěn)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(shù)量，同時還能增加天然氣的供應(yīng)總量，實現(xiàn)能源的節(jié)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(xiàn)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(gòu)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(huán)境下存在燃燒或者爆炸等風(fēng)險。以前在對海上天然氣進行開發(fā)的過程中，由于技術(shù)水平尚未達(dá)到當(dāng)前的階段，加上少部分火炬氣是通過設(shè)備儀器經(jīng)過處理后過濾出來的，本身數(shù)量偏少，回收處理并不方便，因此經(jīng)常會通過將其引入高空燃燒的方式來進行處理。結(jié)合丘陵聯(lián)合站火炬放空系統(tǒng)的成功處理案例，實現(xiàn)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(huán)開發(fā)與利用。

2 現(xiàn)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(shè)備儀器密封氣損耗、閥門內(nèi)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(dǎo)氣，為了確?；鹁鎯?nèi)氣體的穩(wěn)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(dǎo)作用，相較于裝置運行損耗氣來講，引導(dǎo)氣本身相對比較穩(wěn)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(tǒng)點火技術(shù)的優(yōu)化改造后進行回收處理。第三，開啟和關(guān)閉機器所產(chǎn)生的排放氣，相關(guān)工作人員在裝置開關(guān)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(chǎn)生大量氣體，由于本身是通過人為控制而產(chǎn)生，因此可以通過回收設(shè)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(xù)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(nèi)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(yīng)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(shù)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(yīng)用于裝置內(nèi)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(shù)量大約為設(shè)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(shù)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(xiàn)為原料型和燃料型，經(jīng)過反復(fù)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(shè)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(xù)的壓縮機器能夠保持穩(wěn)定的操作，實現(xiàn)回收效率高達(dá)95%的目標(biāo)。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(fā)生故障問題，則通常需要高昂的維修費用，對經(jīng)濟效益的增長產(chǎn)生一定影響。直接抽吸壓縮的回收工藝技術(shù)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(chǎn)生的回收效率會整體相對偏低，系統(tǒng)內(nèi)部管網(wǎng)的壓力波動更大，容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

2.3 明確關(guān)鍵設(shè)備的型號選擇和參數(shù)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(tǒng)的威金斯干式氣柜為代表，其主要以側(cè)板、頂架、立柱、活塞以及密封橡膠膜和活塞調(diào)平裝置等構(gòu)成，通過在外殼內(nèi)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(shù)量相對較少，施工難度也相對偏低，但是由于本身內(nèi)部設(shè)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(xiàn)銹蝕情況，導(dǎo)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(fā)海上火炬氣回收安全控制系統(tǒng)

參照三氣場火炬系統(tǒng)開發(fā)海上燃?xì)馓幚砥脚_火炬氣回收安全控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)內(nèi)具備緊急放空設(shè)備、應(yīng)急點火技術(shù)以及防回火技術(shù)，以確?；鹁嫦到y(tǒng)正常運行，同時高質(zhì)量完成火炬氣回收工作[3]。

第一，具備緊急放空設(shè)施。緊急放空設(shè)備已經(jīng)成為重要內(nèi)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(wěn)定性。通過分析三氣場火炬氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在緊急設(shè)施設(shè)計中需要具備以下幾點內(nèi)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(yōu)點，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，能夠滿足設(shè)備緊急狀態(tài)下的切換需求；其次，需要具備水封設(shè)施，一般情況下會選擇使用水封罐作為水封設(shè)施，其具備防止回火的優(yōu)點，并且能夠?qū)⑵渥鳛閴毫υO(shè)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(dāng)預(yù)定值達(dá)到一定數(shù)值后及時泄放出特定氣體。

第二，具備應(yīng)急點火技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)急點火系統(tǒng)需要具備3個部分：（1）火炬長明燈需要優(yōu)選節(jié)能型長明燈，并確保長明燈以最佳的狀態(tài)運行，其中節(jié)能型長明燈具備使用壽命長、低污染等優(yōu)勢；（2）高空高壓點火裝置將高壓發(fā)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(tǒng)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(shù)，主要是為了避免空氣進入放空氣系統(tǒng)中引發(fā)爆炸問題，如在火炬頭前設(shè)置阻火器等設(shè)備，避免火焰熄滅等問題。除此之外，需要確?；貧饬康淖钚』?，盡可能地避免空氣流入。

2.5 結(jié)合實際情況確定最終回收方案

（1）確定科學(xué)的工藝方案。當(dāng)裝置正常運行時保障設(shè)備內(nèi)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(jīng)達(dá)到了一定閾值，則要及時啟動氣體壓縮設(shè)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(chǎn)生的不良影響。當(dāng)裝置處于緊急狀態(tài)時，要及時關(guān)閉閥門，確定放空的火炬氣進入到筒體內(nèi)部后將長明燈點燃，利用專門的儀器設(shè)備進行檢測，若檢測到對應(yīng)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(tài)，而另一套用于緊急狀態(tài)。正常運行狀態(tài)下的控制方案需要明確控制的主要內(nèi)容，對于橡膠薄膜干式氣柜，主要的控制內(nèi)容是對氣柜內(nèi)部活塞板高度的有效控制，采用的主要控制方法是通過調(diào)整電機頻率實現(xiàn)活塞高度的控制[4]。緊急狀態(tài)下控制方案的關(guān)鍵內(nèi)容在于系統(tǒng)的切換，必要時以手動的方式控制開關(guān)；應(yīng)急點火的控制方案主要是為了能夠確保處于緊急狀態(tài)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(xiàn)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(yōu)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(dá)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(tǒng)的增壓泵，幫助有效提高二級分離系統(tǒng)和凝析油閃蒸罐的總體壓力數(shù)值，確保其始終處于2000kpa(G)以上，并且經(jīng)過持續(xù)增壓達(dá)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(tǒng)和閃蒸罐內(nèi)部壓力的持續(xù)上升，確保其壓力處于2500kpa(G)以上，并通過設(shè)置新增管線的方式，把凝析油閃蒸罐內(nèi)的蒸汽引導(dǎo)進濕氣壓縮機的入口周邊，從而有效達(dá)到火炬氣回收的主體目標(biāo)。

3.2 低壓火炬氣回收方案的優(yōu)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(tǒng)汽提氣和乙二醇再生系統(tǒng)的放空氣，其中前者占據(jù)總比例的60%以上，且最高溫度能夠達(dá)到90℃，后者單日的放空氣量大約在5000Sm3。為了有效實現(xiàn)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(tǒng)，經(jīng)常被應(yīng)用于陸地的油田開發(fā)工作，具有更高的安全系數(shù)。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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，在爆破片出現(xiàn)不同程度的損壞后，必須立即對其進行更換。

4 結(jié)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(jié)合目標(biāo)區(qū)域的實際情況，實時調(diào)整各項應(yīng)用設(shè)備的具體工作參數(shù)，可以有效實現(xiàn)天然氣資源的循環(huán)利用，促進能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。加上做好火炬氣回收處理工作，可以減少對自然生態(tài)環(huán)境平衡的破壞，帶動社會經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的同步增長，深入發(fā)掘低碳節(jié)能環(huán)保的內(nèi)在潛力，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有機達(dá)成奠定基礎(chǔ)。