長慶氣田處理廠放空火炬設計與應用

周艷杰，王瑛，郝麗，李金森，李增增，王浩，蔡會林，趙建軍

（1.中國石油長慶油田分公司規(guī)劃計劃處，陜西西安　710000；2.中國石油大學，山東東營　257000；3.中國石油長慶油田分公司礦區(qū)服務事業(yè)部興隆園物業(yè)服務處，陜西西安　710000；4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊　718500）

長慶氣田處理廠放空火炬設計與應用

周艷杰1，2，王瑛3，郝麗4，李金森4，李增增4，王浩4，蔡會林4，趙建軍4

（1.中國石油長慶油田分公司規(guī)劃計劃處，陜西西安710000；2.中國石油大學，山東東營257000；3.中國石油長慶油田分公司礦區(qū)服務事業(yè)部興隆園物業(yè)服務處，陜西西安710000；4.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊718500）

文章從放空系統(tǒng)放空管線的選取、放空系統(tǒng)設計壓力、音速火炬頭的原理、火炬塔架的設置等方面進行分析研究。特別是對于常規(guī)火炬，放空系統(tǒng)選擇的音速火炬關鍵的部件是火炬頭，獨特的噴嘴設計是由一定壓力的氣體通過文丘里噴嘴達到或接近音速，火炬頭利用燃氣高速流動，帶入足夠的空氣進行混合燃燒，通過這種有效的混合燃燒產(chǎn)生的火焰具有輻射低和燃燒亮度低的特點，火焰穩(wěn)定，使用壽命長，安全可靠，由于放空氣體高壓力、高流速，音速火炬筒直徑以及整個放空系統(tǒng)的管徑低于常規(guī)火炬，高度低于常規(guī)火炬，因此節(jié)約了投資；保障了處理廠的正常生產(chǎn)以及人員安全；音速火炬燃燒充分，減少了有害氣體排放，減少了環(huán)境污染。

天然氣處理廠；音速火炬；馬赫數(shù)；火炬頭

1　火炬應用背景

天然氣處理廠中，在開停車、日常運行特別是突發(fā)事故發(fā)生時，裝置將排放出較大量的火炬氣或排放氣，為保證生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，使排氣操作盡可能不影響裝置自身及周邊的正常生產(chǎn)運行，保護周邊生態(tài)環(huán)境，通常將排放氣體送到火炬中經(jīng)過燃燒處理后向大氣排放。按照《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》等規(guī)定，處理廠應設置火炬及放空系統(tǒng)［1-3］。

目前，國內(nèi)外成功應用于處理廠的火炬系統(tǒng)按壓力等級和馬赫數(shù)不同，分為音速火炬和常規(guī)火炬［4，5］。

長慶靖邊氣田凈化廠均采用常規(guī)火炬，常規(guī)火炬氣體流速低，放空管網(wǎng)龐大且投資較高；而新型的音速火炬出口氣體流速高、燃燒充分，熱輻射低，DN700、火炬筒高H=80 m的規(guī)格即能滿足放空要求，縮減了放空管網(wǎng)，降低了投資。

2　設計思路

2.1總體思路

音速火炬相對于常規(guī)火炬，具有天然氣流速高、放空管網(wǎng)管線震動大、火炬口背壓高、放空系統(tǒng)運行壓力高、對上游天然氣安全閥運行影響大等特點，因此本文從音速火炬頭的原理、放空管線的選取、放空管網(wǎng)管線應力分析、放空系統(tǒng)設計壓力、火炬塔架的設置以及安全閥的選型等方面進行分析研究。

2.2具體介紹

2.2.1音速火炬頭的原理音速火炬頭與常規(guī)火炬頭是不同的，主要特點敘述如下：

（1）火炬頭靠近頂部的位置設有阻火環(huán)。通過阻火環(huán)改變火炬氣流截面上的流速分布，通過火炬氣或吹掃氣變化的流速來阻止外部空氣倒入火炬頭內(nèi)部。

（2）火炬頭內(nèi)部設有動態(tài)密封裝置。采用一層動態(tài)密封形式，防止空氣侵入筒體內(nèi)部，形成可燃性混合物，造成不安全因素。為使密封裝置正常運行，連續(xù)引入小流量密封氣體，以保證筒體內(nèi)的微正壓，防止空氣侵入火炬系統(tǒng)。

（3）火炬頭和穩(wěn)焰器等火炬頭主體上部的材質(zhì)為310SS，保證其高溫強度和抗腐蝕性能。

2.2.2高低壓放空系統(tǒng)的確定根據(jù)放空氣點排氣壓力差異情況，火炬及放空系統(tǒng)設置有高壓放空系統(tǒng)和低壓放空系統(tǒng)。高壓放空系統(tǒng)用于處理廠及來氣干線緊急事故狀態(tài)的天然氣放空（包括集氣總站、脫水脫油裝置的原料氣、脫水脫油裝置凈化氣、外輸產(chǎn)品氣、脫水脫油裝置三相分離器放空氣），低壓放空系統(tǒng)用于停工檢修時系統(tǒng)內(nèi)的余氣和工廠事故狀態(tài)低壓氣放空（包括丙烷制冷系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)，凝析油穩(wěn)定裝置的閃蒸氣，甲醇污水處理的閃蒸氣和不凝氣）（見圖1）。

2.2.3放空系統(tǒng)壓力的確定根據(jù)音速火炬的特性，天然氣放空時火炬口的背壓為0.6 MPa，根據(jù)處理廠各放空點的相對位置，考慮到管網(wǎng)壓力損失，經(jīng)過HYSYS軟件模擬可知，最遠端的放空閥背壓可達0.95 MPa。根據(jù)《油氣集輸管子及管路附件選用標準》規(guī)范要求：B類（天然氣屬于此類物質(zhì)）管路的最低公稱壓力取1.6 MPa。因此高壓放空管線的設計為1.6 MPa。

2.2.4氣體排放量火炬氣最大排放量確定，一般按停電、停水、儀表空氣事故、設備事故等工況進行分析、組合，各種火炬氣排放系統(tǒng)必須滿足最大工況下事故排放量的需要，以保證排放暢通，不使排放系統(tǒng)出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，影響生產(chǎn)裝置的安全。

按照國內(nèi)外規(guī)范及大型工程公司論證，最大火炬氣排放量可按以下幾種方法計算：（1）全部疊加（按事故工況涉及面考慮）；（2）單一最大事故排放量+正常排放量；（3）單一最大事故排放量+30％可能同時發(fā)生事故量；（4）單一最大事故排放量×1.1安全系數(shù)。本工程按照第一種方法計算排放量，即全量放空，高壓放空量為63.1×104m3/h，低壓放空量按333 m3/h。

2.2.5放空管線的選取管徑計算采用《石油地面工程設計手冊第三冊》中推薦的強度計算公式：

圖1　天然氣處理廠高壓放空流程圖

經(jīng)計算，高壓放空管線管徑為DN700，低壓放空管線管徑為DN200。

強度計算公式采用《氣田集氣工程設計規(guī)范》中推薦的強度計算公式：

經(jīng)計算，DN700高壓管線壁厚為10，DN200低壓管線壁厚為5，考慮一定的余量，高低壓管線規(guī)格分別為：φ711×11、φ219×6。2.2.6火炬塔架火炬塔架結構方法采用先進的有限元方法，計算結果精確可靠。結構設計采取多項措施提高鋼結構耐低溫脆斷破壞能力和結構抗疲勞性能，結構鋼材采用低溫Q345-E無縫鋼管和鋼板，節(jié)點板采用過渡弧構造，設計滿足沙漠寒冷環(huán)境的特殊要求。

3　與當前國內(nèi)外同類研究、同類技術的綜合比較

以放空量為63.1×104m3/h的火炬設計為例進行技術經(jīng)濟性對比（見表1）。

因此，音速火炬較之同樣放空量的常規(guī)火炬具有更優(yōu)越的性能、更大的處理能力、更好的無煙燃燒效果、更低的熱輻射以及更小的初期投資和低的運行費用。

4　應用情況

4.1應用范圍

長慶氣田某處理廠高壓放空火炬均采用音速火炬，音速火炬管徑小、燃燒完全，公用消耗低，優(yōu)勢顯著，節(jié)約了投資成本和運行費用，有效保證了處理廠的正常生產(chǎn)和緊急放空的需要，減少了環(huán)境污染。

4.2經(jīng)濟社會效益

4.2.1經(jīng)濟效益

（1）如果是規(guī)模50×108m3/a處理廠，則需要DN1000常規(guī)火炬，而DN700音速火炬即能滿足要求。DN1000常規(guī)火炬，單套價格為340萬元；而采用DN700音速火炬，單套價格為245萬元，節(jié)約設備投資95萬元。

（2）采用音速火炬，天然氣處理廠的整個放空系統(tǒng)的管徑均縮小，DN700管線比DN1000管線節(jié)省投資約40萬元（以處理廠1 km放空總管計算）。

（3）音速火炬不消耗蒸汽和氮氣，相應每年節(jié)約投資約5萬元。

4.2.2社會效益天然氣燃燒完全，減少了有害氣體的排放，降低了環(huán)境污染，減輕了天然氣處理廠的環(huán)保壓力，火焰穩(wěn)定，抵御大風能力強，且音速火炬操作彈性大，有效保障了某天然氣處理廠的安全生產(chǎn)。

表1　音速火炬與常規(guī)火炬技術經(jīng)濟性比較表

5　結論

在長慶氣田范圍內(nèi)，蘇里格某天然氣處理廠首次應用音速火炬，解決了以下關鍵技術：

（1）安全閥的選型：音速火炬由于高的排放壓力，導致放空管線安全閥的背壓升高，用于常規(guī)火炬的安全閥不再適用，因此安全閥重新計算選型。

（2）縮減了處理廠整個放空管網(wǎng)尺寸：在天然氣處理廠管網(wǎng)設計中，由于涉及到轉(zhuǎn)向及上管架等問題，大管徑的管線走向布置問題是比較棘手的。采用音速火炬后，放空總管由DN1000變?yōu)镈N700，放空管徑變小，管線走向布置問題簡單化。

（3）音速火炬高度降低，由106 m變?yōu)?0 m，解決了火炬及火炬塔架的吊裝、施工困難的問題。

（4）實現(xiàn)了高壓與低壓兩套火炬共用一個塔架，節(jié)約了投資。

［1］中華人民共和國建設部.GB50183-2004：石油天然氣工程設計防火規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2004.

［2］國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.SY/T 10043-2002：卸壓和減壓系統(tǒng)指南［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2002.

［3］石油和化工工程設計工作手冊編委會.石油和化工工程設計工作手冊第五冊輸氣管道工程設計［M］.山東東營：中國石油大學出版社，2010.

［4］薛茂梅，系文杰，曹楓，等.ASPEN在火炬排放系統(tǒng)設計的應用［J］.廣州化工，2010，38（6）：203-204.

［5］署恒木，魏升龍，楊遠，等.天然氣處理廠放空火炬系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2013，37 （1）：114-118.

Changqing gasfield treatment plant design and application of the torch vent

ZHOU Yanjie1，2，WANG Ying3，HAO Li4，LI Jinsen4，LI Zengzeng4，WANG Hao4，CAI Huilin4，ZHAO Jianjun4

（1.Planning Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710000，China；2.China University of Petroleum，Dongying Shandong 257000，China；3.Company Logisticadministration Business Booming Garden Property Service of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710000，China；4.Gas Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Jingbian Shanxi 718500，China）

The selection of articles from vent pipe emptying system，vent system design principle of the torch head pressure，the speed of sound，the torch tower settings to analysis.Especially for regular torch，blowdown system choice of sound the torch of the key components is the torch head，yes have certain unique nozzle design pressure of the gas through a venturi nozzle at or near the speed of sound，the torch head using high-speed gas flow，into enough combustion air mixed，produced by the effective mixing combustion flame has the characteristics of low radiation and low combustion intensity，flame stability，long service life，safe andreliable，because of vent gas high pressure，high flow velocity，the speed of sound flame tube diameter and the blowdown system pipe diameter less than conventional torch，the torch height is lower than the conventional，so to save the investment.Guaranteeing the normal production of the plant and personnel safety.Sound the torch burning full，reducing the harmful gas emissions，reduce the pollution of the environment.

gas processing plant；sonic torch；mach number；flare header

TE687

A

1673-5285（2016）08-0142-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.033

2016-07-10

周艷杰，男（1985-），河南安陽人，工程師，學士；2007年畢業(yè)于西南石油大學建環(huán)專業(yè)，現(xiàn)在長慶油田分公司規(guī)劃計劃處從事規(guī)劃計劃工作，中國石油大學（華東）在讀工程碩士，郵箱：zyjie5_cq@petrochina.com.cn。