HYSY162平臺火炬冒黑煙問題剖析及對策探究

陳 陽

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

海洋石油 HYSY162試采平臺是為獲得準確的油藏地質(zhì)資料對油田進行前期勘探測試的主體設施，具有試采、油氣處理、原油儲存、修井/棄井等功能[1]。曹妃甸 11-6油田臨時生產(chǎn)是由 WHPD平臺與HYSY162聯(lián)合進行生產(chǎn)作業(yè)，井口來液由WHPD平臺新增調(diào)節(jié)閥降壓至1.3MPa后，通過平臺間臨時連接的管線輸送至 HYSY162平臺的生產(chǎn)管匯進行油氣處理。

自投產(chǎn)以來，該平臺天然氣放空燃燒時伴有冒黑煙現(xiàn)象，造成了環(huán)境嚴重污染和安全隱患。為此，經(jīng)多次探究，深入剖析火炬燃燒冒黑煙的原因，進而從根本上予以解決，為平臺降本增效、守護藍天貢獻了力量。

1 生產(chǎn)概況與存在問題

曹妃甸 11-6油田可采溶解氣儲量為 2.45×108m3，可采天然氣儲量為 5.84×108m3，此次臨時生產(chǎn)實際啟井 17口，日產(chǎn)溶解氣約為 20000m3，日產(chǎn)游離氣約為 5000m3。井口來液經(jīng)由 WHPD 平臺一級油氣分離器(FWKO)處理后，游離氣已基本脫除干凈，井口流體經(jīng)減壓閥減壓后輸送到 HYSY162平臺工藝流程的大部分為溶解氣。HYSY162平臺一級處理放空氣量約為 5000m3，二級處理放空氣量約為20000m3。

流體進入HYSY162生產(chǎn)管匯，經(jīng)原油/合格原油換熱器后進入氣液分離器進行初步氣液分離，液體進入高效分離器進行連續(xù)分離，高效分離器內(nèi)置加熱盤管，出口含水＜25%的原油增壓后進入電脫加熱器，再進入電脫水器進行油水分離。天然氣分離主要依靠一級氣液分離器和二級高效分離器，天然氣處理依靠燃料氣冷卻器和燃料氣洗滌器再進入火炬分液灌(閉排)直接放空燃燒。在投產(chǎn)初期，HYSY162平臺產(chǎn)氣量約 25000m3/d，火炬充分燃燒約 18000m3/d，不充分燃燒約 7000m3/d，占總氣量約 30%，火炬燃燒冒黑煙嚴重，經(jīng)檢測濃度約 850mg/m3以上，而我國天然氣燃燒排放標準為 80～240mg/m3[2]，顯然排放超標。

2 探究分析，確定要因

黑煙是燃料燃燒不充分時產(chǎn)生的固態(tài)碳顆粒的宏觀表現(xiàn)形式[3]。針對火炬冒黑煙問題，從“人機料法環(huán)”5個層面查找原因，分析存在的問題，主要分析結(jié)果歸納整理如圖1所示。

圖1 探究分析圖Fig.1 Inquiry analysis

2.1 人員操作

工藝、設備操作方面員工技術水平差、操作失誤，造成放空氣成分含輕烴。投產(chǎn)初期，HYSY162平臺考慮流程不確定因素較多而采取雙崗制，各崗位均安排雙人到崗，并通過嚴格理論及技能培訓。

2.2 天然氣放空量

天然氣放空量超過平臺火炬放空能力。

2.3 火炬設計

火炬頭設計與實際油田放空天然氣組分不匹配，導致天然氣燃燒不充分。經(jīng)項目組、船廠、廠家多方溝通，現(xiàn)場檢查并確認火炬頭制造完全滿足中國船級社頒發(fā)的現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則、火炬系統(tǒng)現(xiàn)行標準和規(guī)范、環(huán)保質(zhì)量標準。

2.4 天然氣洗滌器

天然氣洗滌器處理效果差，導致氣液分離器放空氣體油滴未處理徹底即進入閉排分液罐。

氣液分離器的伴生氣經(jīng)燃料氣冷卻器冷卻至40℃，進入燃料氣洗滌器(MPTU-V-3101)，在洗滌器中燃料氣夾帶的液體(直徑大于100μm的霧滴)被除去，經(jīng)分離后的天然氣直接進入火炬放空系統(tǒng)。洗滌器設計處理量為 20×104m3，遠大于實際處理量，基本排除洗滌器因素(圖2)。

2.5 氣液分離器

一級氣液分離器氣相閥門開度基本保持在 0～1%，懷疑氣液分離器除氣效果差，造成二級高效分離器處理負荷大，導致其氣處理不合格。查閱設備設計圖紙，并與廠家專家進行分析論證，氣液分離器完全符合規(guī)范，設計氣處理量為 20×104m3/d，閥門開度小的原因為上游氣量小。

圖2 162平臺燃氣流程簡圖Fig.2 Diagram of 162platform gas flow

2.6 高效分離器

高效分離器罐體氣相空間小，天然氣滯留時間短，氣處理不合格。采取降低高效分離器液相液位的措施，增大氣相空間，延長天然氣滯留時間，但火炬黑煙未明顯改善。

2.7 天然氣攜液

二級處理器壓降大，溶解氣析出過快，產(chǎn)生泡沫過多，導致天然氣攜液。

從WHPD平臺來液經(jīng)減壓閥將壓力從2MPa減至0.5MPa，又經(jīng)氣液分離器到高效分離器從500kPa減至50kPa，減壓過大造成溶解氣析出較快并產(chǎn)生大量泡沫，進入閉排火炬分液罐。通過調(diào)取閉排火炬分液罐壓力、液位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，分液罐液位在未開閉排期間依然緩慢持續(xù)上漲，并始終保持 10～35kPa的壓力。另外經(jīng)過對火炬管線低點放空，發(fā)現(xiàn)管線內(nèi)積液太多，以至于形成液封，說明放空至閉排火炬分液罐的天然氣中確實攜帶油滴。

2.8 水蒸氣

管線中水蒸氣較多，造成燃燒不充分。

經(jīng)過對工藝流程認真分析發(fā)現(xiàn)高效分離器加熱盤管處于 800mm位置，而油水界面設計設定值為1600mm、溫控閥設定溫度為96℃，這就造成生產(chǎn)水一直處于加熱狀態(tài)，因此產(chǎn)生大量水蒸氣隨天然氣進入閉排火炬分液罐，進而造成天然氣不充分燃燒。

2.9 低放空量

低放空量，排量低導致氣出口速度低，因此與空氣混合速度慢，達不到充分燃燒的熱值，導致黑煙產(chǎn)生。

天然氣充分燃燒方程式：

按照 HYSY162平臺氣體取樣化驗分析 m＝1.12，n＝4.36，故每燃燒 1m3天然氣需要 2.21m3氧氣，即需要配比 11.05m3空氣。而平臺火炬放空速度為0.289m3/s，其噴射速度僅能混合2.235m3/s空氣，達不到所需配比空氣量，造成不充分燃燒。

平臺火炬放空量是由油藏特征與油氣處理工藝共同決定，導致放空量難以控制。只有通過補充燃料或助燃物提高熱值，才能達到消除黑煙效果。

2.10 天然氣組分

天然氣中重組分過多，導致燃燒不充分。

據(jù)所查文獻，較輕的燃料由于噴射速度高，與空氣混合劇烈，在離開噴口不遠處就完成了燃燒，火焰較短，燃燒充分。較重的燃料由于噴射速度低，與空氣混合較慢，燃燒較慢，離開噴口很長的距離還沒有燃燒，火焰變長。這表明同等狀況下，重烴燃燒余料更多，產(chǎn)生的不定型碳黑停留時間更長，轉(zhuǎn)化為碳黑更多，黑煙越多(圖3—圖5)。

圖3 不同燃料在一起燃燒時中心界面分布Fig.3 Distribution of central interface when different fuels are burned together

圖4 碳黑產(chǎn)率、表面增長率與丙烷/氧氣物質(zhì)的量比關系Fig.4 Volume ratio of carbon black yield and surface growth rate to propane/oxygen

圖5 丙烷/氧氣量比對碳黑產(chǎn)生速率的影響Fig.5 Effect of propane/oxygen ratio on carbon black production rate

3 主要技術對策與實施效果

主要對策見表1。

增加消泡劑使用量后，可使天然氣放空不充分燃燒控制在 8%以內(nèi)，燃燒效果較之前大為好轉(zhuǎn)，燃燒后碳顆粒排放降為 240mg/m3，基本達到國家標準。但消泡劑用量較大，月累計消耗增加1.94m3。

降低高效分離器操作溫度，減少輕質(zhì)油和水蒸氣的產(chǎn)生，消煙效果不明顯，不充分燃燒率僅從 28%降至 22%，碳顆粒排放從 850mg/m3降為 670mg/m3，未達到國家標準。

通過調(diào)整流程，減少了火炬管線積液，降低了閉排分液罐壓力，加強了高效分離器氣相放空能力，從而解決了高效分離器壓力泄放受阻頻繁高壓報警問題，避免了高效分離器高壓三級關斷風險產(chǎn)生的產(chǎn)量損失。

表1 黑煙治理對策Tab.1 Black smoke control countermeasures

優(yōu)化流程后閉排罐壓力保持微正壓0～1kPa，高效分離器壓力保持在操作壓力，避免了因憋壓造成的高壓情況。另外，降低高效分離器操作溫度，也減小了鍋爐負荷。使鍋爐設定溫度從 180℃降為 170℃，每天節(jié)省原油 1.21m3，月累計節(jié)省原油 36.5m3。防風罩底板打開后與其他平臺火炬頭結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)一致，但冒黑煙情況基本沒有好轉(zhuǎn)，說明火炬冒黑煙確實是因為排放氣平均分子量大的原因所致。通過噴入一定量壓縮空氣消煙效果良好，火炬的碳顆粒排放降為165mg/m3，達到國家標準(圖6)，同時可以減少使用消泡劑而節(jié)約成本。

改造后效果明顯，黑煙現(xiàn)象消失(圖7—圖8)，火焰從原來不充分燃燒的黑紅色變?yōu)楝F(xiàn)在完全燃燒的清澈透亮。黑煙問題也曾收到海監(jiān)部門限期整改通知，整改后海監(jiān)環(huán)保部門到平臺檢查，對火炬消除黑煙改造成果給予充分肯定，避免了因火炬黑煙產(chǎn)生環(huán)境污染受到海監(jiān)環(huán)保部門的處罰。

圖6 改造前后碳顆粒值柱狀圖Fig.6 Carbon particle value histogram before and after transformation

圖7 改造前黑煙明顯Fig.7 Obvious black smoke before transformation

圖8 改造后黑煙消失Fig.8 Black smoke disappears after transformation

4 結(jié) 語

黑煙問題是天然氣放空火炬面臨的一個普遍現(xiàn)象，只有準確把握其產(chǎn)生原因，才能找到根本性的治理措施。通過本次生產(chǎn)工藝難題的解決，摸索出了一套分析問題和解決問題的技術思路和方法，對類似生產(chǎn)工藝的優(yōu)化具有一定的指導和借鑒意義，為今后工作奠定了基礎，有助于實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟效益的雙贏。