海上油田火炬氣回收技術(shù)研究

張海兵，喬勝勇，孫海防，陳景峰，邱 爽，陳長欽

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300452)

火炬在燃燒過程中，向大氣排放二氧化碳和其他有害氣體，既對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，也是一種資源浪費(fèi)。隨著國家環(huán)境治理力度的加強(qiáng)，碳排放要求越來越嚴(yán)格，陸地石化企業(yè)一部分生產(chǎn)裝置已經(jīng)實(shí)施了火炬熄滅項(xiàng)目。與陸地石化企業(yè)相比，海上油氣田由于其地理位置和相對(duì)特殊的運(yùn)行環(huán)境，目前還無法實(shí)現(xiàn)火炬的“0排放”，因此針對(duì)海上油氣田火炬氣回收的可行性研究十分必要，也非常迫切。

本研究項(xiàng)目以渤海某油田為研究對(duì)象，將海上石油平臺(tái)排放的火炬低壓天然氣通過新增低壓壓縮機(jī)增壓，滿足其燃料氣壓縮機(jī)入口壓力要求后，與燃料氣一起經(jīng)燃料氣壓縮機(jī)再增壓，為燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)供氣，以補(bǔ)充燃料氣缺口。

1 研究概況

渤海某油田中心平臺(tái)CEPA 通過棧橋與井口平臺(tái)APP連接，處理來自WHPAⅠ、WHPAⅡ油氣混合來液，APP平臺(tái)生產(chǎn)物流通過棧橋進(jìn)入CEPA 生產(chǎn)系統(tǒng)。

APP平臺(tái)配備1臺(tái)天然氣壓縮機(jī)，增壓后的天然氣輸送到CEPA 平臺(tái)；兩平臺(tái)天然氣匯合后，作為燃料氣，供應(yīng)透平發(fā)電機(jī)；同時(shí)，因燃料氣存在缺口，需要從外部天然氣海管補(bǔ)充天然氣，平均補(bǔ)氣約3×104Sm3/d。

APP平臺(tái)產(chǎn)生低壓伴生氣通過火炬分液罐排放到火炬燃燒，約0.34×104Sm3/d；CEPA 平臺(tái)產(chǎn)生低壓伴生氣，經(jīng)閉排/火炬分液罐后，通過棧橋排放到APP平臺(tái)火炬燃燒，約1.46×104Sm3/d。兩平臺(tái)火炬放空低壓天然氣參數(shù)見表1。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，火炬排放低壓天然氣回收，可有效補(bǔ)充CEPA 平臺(tái)透平燃料氣缺口，具有比較現(xiàn)實(shí)的需求。

表1某油田火炬放空低壓天然氣參數(shù)Tab.1 Low pressure natural gas parameters of flare in an oilfield

APP平臺(tái)及CEPA 平臺(tái)放空氣分析結(jié)果如表2所示。

表2 APP/CEPA放空氣分析數(shù)據(jù)Tab.2 Analysis data of air release of APP/CEPA

2 火炬氣回收工藝流程及關(guān)鍵設(shè)備

在APP平臺(tái)火炬分液罐和火炬總管之間設(shè)置水封罐。在火炬分液罐前火炬總管上引一路氣體到新增壓縮機(jī)，將壓縮機(jī)組出口管線接至伴生氣洗滌罐，經(jīng)燃料氣冷卻器冷卻后，由APP平臺(tái)燃料氣壓縮機(jī)再次增壓后送入CEPA 平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)。

火炬氣回收工藝流程見圖1。

2.1 火炬水封罐

使用火炬水封罐的目的是通過一定高度的水封建立起一定的天然氣背壓，保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)起到確保防火炬回火的安全功能。

2.1.1 水封高度計(jì)算火炬設(shè)計(jì)最大流量41.3×104Sm3/d(數(shù)據(jù)取自平臺(tái)基設(shè)文件)，安全閥開啟最大背壓值236.767 kPaA，根據(jù)Flaresim 計(jì)算，此時(shí)火炬分液罐背壓值最高為167 kPaA。

模擬最大火區(qū)泄放時(shí)管線背壓，計(jì)算結(jié)果見圖2。

本方案擬新增臥式可調(diào)水封罐1套，在原來已有分液罐和火炬之間增設(shè)水封罐，考慮設(shè)置不同高度的水封，用以滿足回收火炬低壓氣建立不同背壓的需求，水封罐背壓最大值Pmax應(yīng)滿足：Pmax≤(安全閥設(shè)定值×0.21-火災(zāi)工況下安全閥壓力值)，即：

因此火炬水封罐背壓區(qū)間0～15.3 kPa，即水封高度必須在0～1530 mm，本次研究確定水封高度500～1000 mm(火炬氣背壓5～10 kPaG)。

根據(jù)計(jì)算選用水封罐尺寸為2000 mm(ID)×5000 mm(T/T)。罐內(nèi)設(shè)置堰板、撇油槽及撇油泵，采用定期增加水封液位和撇油泵排放的方法撇油。

2.1.2 火炬氣回收在設(shè)定水封高度時(shí)(火炬氣背壓5～10 kPaG)，通過壓縮機(jī)入口分液罐壓力變送器控制變頻器及回流閥(設(shè)定壓力8 kPaG)，實(shí)現(xiàn)火炬氣回收；當(dāng)火炬氣低于3 kPaG 或高于45 kPaG 時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行，回收系統(tǒng)關(guān)停。

圖1火炬氣回收工藝流程圖Fig.1 Flow chart of flare gas recovery process

圖2天然氣背壓計(jì)算Fig.2 Calculation of natural gas back pressure

2.2 回收壓縮機(jī)

根據(jù)放空氣特點(diǎn)、平臺(tái)現(xiàn)狀及后期維護(hù)等方面考慮擬選用滑片壓縮機(jī)，采用變頻+回流控制，壓縮機(jī)入口分液罐上設(shè)置壓力變送器，用壓力控制變頻及回流。對(duì)逐年放空氣量進(jìn)行模擬，確定本次研究回收火炬低壓氣量波動(dòng)范圍為500～20000 Sm3/d，回收量最初按500 Sm3/d，系統(tǒng)穩(wěn)定后逐步調(diào)高回收氣量，最終實(shí)現(xiàn)全回收。

除了上述壓力保護(hù)關(guān)斷功能之外，同時(shí)在火炬主管設(shè)置超聲波流量計(jì)。當(dāng)氣量小于1200 Sm3/d 并且持續(xù)時(shí)間達(dá)到10 s時(shí)，關(guān)?；厥障到y(tǒng)；當(dāng)氣量回升，火炬總管流量持續(xù)10 s 以上大于1200 Sm3/d，可重新啟動(dòng)回收系統(tǒng)。

2.3 火炬改造

更換現(xiàn)有長明燈為高能電點(diǎn)火器的長明燈，通過高壓導(dǎo)線及發(fā)弧裝置點(diǎn)燃長明燈?；鹁骈L明燈長期點(diǎn)燃，確保出現(xiàn)火炬總管排放時(shí)能夠隨時(shí)點(diǎn)燃火炬。長明燈配套自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，一旦長明燈熄滅，控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電點(diǎn)火裝置，重新點(diǎn)燃長明燈。選用氮?dú)庾鳛榛鹁嫱泊祾邭?，以避免空氣進(jìn)入火炬筒發(fā)生回火爆燃。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)平臺(tái)資料，火炬低壓氣回收再利用改造，2020—2035年的總節(jié)氣量為4444.82×104m3，回收氣總價(jià)值為8889.65萬元。按照決策氣價(jià)參數(shù)評(píng)價(jià)，經(jīng)濟(jì)年限至2021年收回成本，投資回收期1.44年，可減少二氧化碳總排放量為164014 t。

4 結(jié)論

通過對(duì)火炬氣的回收利用，可減少平臺(tái)的放空，降低有毒氣體和溫室氣體的排放量，減少資源浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。本次研究分析得出如下結(jié)論：

①從火炬氣回收再利用的工藝流程、設(shè)備、控制儀表等方面分析本方案在技術(shù)上是可行的。

②通過火炬氣回收，補(bǔ)充燃料氣缺口可減少天然氣海管補(bǔ)氣量，提高經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)2020—2035年可回收氣量4444.82×104m3，回收氣總價(jià)值為8889.65萬元。

③2020—2035年可減少二氧化碳總排放量為164014 t，有效減少溫室氣體的排放和對(duì)大氣的污染，具有一定的環(huán)境社會(huì)效益。