流花油田群FPSO火炬消煙工藝方案研究與效果分析

劉人瑋 周曉紅 劉向東 郭 欣 張 倩

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1 問題的提出

流花油田群包括流花16-2、20-2和21-2等3個油田，分別采用3套水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行開發(fā)，水下井口的物流通過水下管匯匯集后，經(jīng)海底管道回接至HYSY119 FPSO進一步處理，脫水并穩(wěn)定后的原油在FPSO貨油艙中儲存，通過穿梭油輪定期外輸[1]。

該油田群原油為輕質(zhì)原油(密度756～802 kg/m3)，伴生氣組分重，正常低壓火炬連續(xù)泄放氣中的C3+摩爾含量在22%左右。而當(dāng)海上遭遇臺風(fēng)等惡劣天氣無法外輸時，LPG需通過火炬放空，此時C3+摩爾含量將高達90%以上，如不采取有效的消煙措施，將產(chǎn)生嚴(yán)重的火炬黑煙?；鹁婧跓熓翘亢诠腆w顆粒，不易擴散，容易沉積在甲板和設(shè)備表面，嚴(yán)重影響平臺操作人員的健康。此外，在2017年12月27日，國家海洋局發(fā)布了公告“海上石油開發(fā)大氣污染物排放已納入征稅范圍”[2]。因此，必須深入分析火炬黑煙產(chǎn)生的原因，優(yōu)化海上火炬系統(tǒng)消煙工藝，嚴(yán)格控制黑煙排放量，以保證平臺操作人員的健康以及保護海洋大氣環(huán)境。

據(jù)統(tǒng)計，錦州25-1S油田、墾利10-1油田、文昌“奮進號”FPSO、黃巖1-1氣田等都存在過不同程度的火炬黑煙問題。產(chǎn)生黑煙的原因可以概括為放空氣組分重、氧氣少。組分越重，碳?xì)滏I越容易斷裂；而氧氣供應(yīng)不足則更容易缺氧析碳。以下幾種情況均可能造成組分加重：分離器液相停留時間短，分離不充分；高壓分離壓差大，造成氣相攜帶重組分多；二、三級分離器壓力過低；分離器、火炬分液罐溫度過高等[3-6]。可能造成氧氣供應(yīng)不足的原因包括：火炬泄放量過低造成火炬頭出口流速低；平臺放空量超過火炬放空能力；火炬頭設(shè)計不合理；燃燒器霧化效果差等[3-6]。

目前，雖然對火炬黑煙產(chǎn)生的原因已經(jīng)達成共識，但是在工程設(shè)計階段始終沒有辦法來定量預(yù)測黑煙濃度。有文獻指出黑煙嚴(yán)重程度和天然氣中重組分C3+的含量密切相關(guān)， 認(rèn)為C3+含量超過5%～6%是黑煙生成的臨界值[7-9]。工程設(shè)計初期可以通過該判據(jù)來初步判斷是否會產(chǎn)生黑煙，但無法準(zhǔn)確預(yù)測黑煙生成濃度，由此造成消煙措施不足或冗余設(shè)計。事實上，火炬是否冒黑煙與出口流速、管徑、火炬頭結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系，單純根據(jù)組分來判定往往存在偏差。

本文針對流花油田群FPSO的火炬黑煙問題，對火炬泄放工況進行了全面分析，通過對比現(xiàn)有消煙技術(shù)，確定了火炬消煙工藝方案；在此基礎(chǔ)上，建立了火炬燃燒數(shù)值模型，綜合考慮了泄放量、火炬頭管徑、出口流速等因素，并基于數(shù)值模擬結(jié)果定量計算出火炬黑煙濃度，合理確定了消黑煙的設(shè)施及規(guī)模，從而為解決流花油田群的火炬黑煙問題提供了參考依據(jù)。

2 火炬消煙工藝方案研究

2.1 油氣工藝流程分析

由于流花油田群原油為輕質(zhì)原油，F(xiàn)PSO原油處理流程選擇四級處理流程：段塞流捕集器—一級分離器—二級分離器—三級分離器(圖1)。段塞流捕集器和一級分離器分離出的中壓伴生氣(500 kPaA)，經(jīng)中壓氣壓縮機增壓后用作燃料氣，供透平使用；二級和三級分離器分離出的低壓伴生氣(150 kPaA)，經(jīng)低壓壓縮機增壓后用作鍋爐燃料氣。低壓氣通過壓縮、冷卻、分離得到的凝液，主要組分是C3—C5。綜合考慮鍋爐燃料氣的熱值要求以及LPG(液化石油氣)和輕油的收率，低壓壓縮機出口壓力確定為2 500 kPaG。分離出的凝液則經(jīng)凝液增壓泵增壓后進入輕烴回收流程，通過2個精餾塔處理成輕油和LPG。輕油和原油一同下艙儲存，LPG則儲存在FPSO組塊上的壓力儲罐中。通過設(shè)置此套輕烴回收流程，可以減少火炬泄放氣中的重組分，使高峰火炬泄放量減小約50 000 m3/d，在一定程度上改善正常連續(xù)泄放工況下的黑煙問題，同時降低燃料氣熱值，滿足透平和熱站要求。同時，LPG最大產(chǎn)量約140 t/d，輕油產(chǎn)量約260 t/d，提高了油田開發(fā)的經(jīng)濟效益。

圖1 流花油田群FPSO油氣工藝流程Fig .1 Process flow of oil and gas treatment system in Liuhua oilfields FPSO

2.2 火炬泄放工況分析

該油田的火炬泄放重點分析以下3種工況：正常連續(xù)泄放工況、火災(zāi)工況、LPG無法外輸工況，3種工況下的具體參數(shù)見表1。其中LPG無法外輸工況是海上輕質(zhì)油田的特殊工況，該工況考慮當(dāng)海上遭遇連續(xù)惡劣天氣時，無法進行外輸作業(yè)，又由于LPG儲罐容積有限(共4個LPG儲罐，總儲存能力約3 040 m3)，此時只回收脫丁烷塔底產(chǎn)出的C5+，塔頂產(chǎn)出的LPG經(jīng)緊急加熱蒸發(fā)器加熱成氣相，通過放空管線去火炬泄放。

表1 流花油田群FPSO火炬泄放工況Table 1 Flare release cases of Liuhua oilfields FPSO

由表1可知，不同工況下泄放量差異較大[10]。其中，火災(zāi)工況的泄放量最大，為42 300 Sm3/h。該工況是位于同一火區(qū)的2個LPG儲罐發(fā)生火災(zāi)時PSV的泄放量，此時泄放氣組分較重，C3+摩爾含量約為95%。LPG無法外輸工況下，泄放氣主要是脫丁烷塔塔頂LPG汽化氣，組分較重，C3+摩爾含量達到97%，但泄放量相比火災(zāi)工況小很多，只有3 000 Sm3/h。連續(xù)泄放工況下，C3+摩爾含量則約22%，高峰泄放量為1 700 Sm3/h。

2.3 消煙技術(shù)比選

目前常見的火炬消煙技術(shù)有：固定開口音速火炬、自調(diào)節(jié)間隙音速火炬、鼓風(fēng)消煙以及蒸汽消煙技術(shù)。其中，固定開口音速火炬較為常見。而國內(nèi)的海上油氣田中，只有黃巖1-1氣田改造后應(yīng)用過可變間隙音速火炬，也有文獻稱其為卡溫達或孔達火炬[11-12]。鼓風(fēng)消煙和蒸汽消煙技術(shù)尚無海上工程應(yīng)用實例。另外，陸上油田常用的地面火炬，因平臺空間受限，在海上也較難推廣應(yīng)用。

HYSY119 FPSO的火炬系統(tǒng)包括高、低壓2套火炬，火炬臂長度85 m，高壓火炬頭管徑304.8 mm，低壓火炬頭管徑152.4 mm 。設(shè)置高、低壓2套火炬是為了適應(yīng)不同的泄放背壓，高壓火炬背壓范圍為100～400 kPaG，低壓火炬背壓范圍為0～20 kPaG。

基于以上火炬泄放工況的分析以及該火炬系統(tǒng)的特點，對現(xiàn)有的幾種火炬消煙技術(shù)進行了對比，通過文獻調(diào)研和廠家交流，總結(jié)出了幾種火炬消煙技術(shù)需要的條件、原理和優(yōu)劣勢[12]，詳見表2。

表2 幾種火炬消煙技術(shù)對比Table 2 Comparison of some flare black soot abatement techniques

由于流花油田群FPSO未設(shè)置蒸汽系統(tǒng)，因此無法采用蒸汽消煙工藝。另外，高壓火炬泄放量范圍較大(3 000～42 300 Sm3/h)，如采用固定開口音速火炬，為滿足最大泄放量時馬赫數(shù)的限制(≤ 0.5 Ma)，火炬頭直徑需選擇304.8 mm。但LPG無法外輸工況下，高壓火炬泄放流速只能達到13 m/s，噴射速度過低，氣體將無法完全燃燒并產(chǎn)生黑煙。所以高壓火炬需采用自調(diào)節(jié)間隙音速火炬，可以根據(jù)泄放量(背壓)變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)開度，在低流量泄放時，仍能保持較大的泄放流速，使燃燒更充分。而低壓火炬由于背壓較低，無法滿足自調(diào)節(jié)間隙音速火炬的壓力需求，綜上分析，本項目擬采用鼓風(fēng)消煙工藝進行消煙。

3 火炬消煙數(shù)值計算及效果分析

3.1 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

對LPG無法外輸工況和正常連續(xù)泄放工況下流花油田群FPSO火炬消煙效果進行驗證分析，2種工況的天然氣組分見表3。通過數(shù)值計算，得到火炬泄放黑煙濃度，進一步明確自調(diào)節(jié)間隙音速火炬需要的孔徑自適應(yīng)范圍以及鼓風(fēng)消煙通風(fēng)量的需求。

表3 流花油田群FPSO 2種泄放工況下火炬天然氣組分Table 3 Flare gas components of Liuhua oilfields FPSO in two release cases mol

3.2 火炬消煙數(shù)值模型

在火炬黑煙問題計算中，需求解三維時均穩(wěn)態(tài)N-S方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程。另外，還要考慮組分輸運與燃燒反應(yīng)。湍流模型采用k-ε模型，燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型(Non-Premixed Combustion)，黑煙的表征采用Moss-Brookes模型，該模型為求解歸一化炭核濃度及黑煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方程。

在建立火炬三維模型時，為減少計算量，簡化了火炬頭結(jié)構(gòu)。圖2為流花油田群FPSO火炬三維幾何模型的正視平面圖。火炬頭為圓柱筒體，高度2 m，被正方體計算域包圍。風(fēng)從火炬頭左側(cè)吹來，因此火炬頭左側(cè)邊界為風(fēng)的入口速度邊界，右側(cè)為風(fēng)的出口壓力邊界；火炬頭出口為速度邊界[13-14]。由于在風(fēng)的作用下，泄放氣排出后主要向右上方運動，因此火炬頭右側(cè)計算域設(shè)置得相對大些。根據(jù)后面的計算結(jié)果，選擇計算域的尺寸為16 m×16 m足以表征各工況下火炬的燃燒現(xiàn)象。采用ICEM對計算域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，230萬個六面體網(wǎng)格達到網(wǎng)格無關(guān)解，火炬筒體附近進行局部加密，最小正交質(zhì)量在0.7以上。使用Ansys Fluent對模型進行求解，求解方法采用基于壓力的壓力-速度耦合算法(coupled)。利用Patch功能對火炬頭出口進行高溫區(qū)域的初始化。

圖2 流花油田群FPSO火炬幾何模型正視平面圖Fig .2 Front view of Liuhua oilfields FPSO flare geometric model

Fluent可計算并輸出黑煙(碳黑)的體積分?jǐn)?shù)，能較直觀地反應(yīng)黑煙嚴(yán)重程度。但由于不同工況下火炬泄放量不同，因此不建議采用黑煙體積分?jǐn)?shù)來進行不同工況間的比較。為方便對比各工況的黑煙嚴(yán)重程度，提出無量綱的黑煙濃度概念，表達式見式(1)，其物理意義是單位泄放量產(chǎn)生的黑煙量。

(1)

根據(jù)API RP 521規(guī)范[15]：飽和烴完全燃燒，所需低壓鼓風(fēng)補充的空氣量為理論配比空氣量的10%～30%，非飽和烴為30%～40%。基于低壓火炬的正常連續(xù)泄放工況，按照規(guī)范推薦配風(fēng)量進行模擬計算，對應(yīng)的無量綱黑煙濃度數(shù)推薦范圍為0.5×10-6～2.4×10-6?？紤]到規(guī)范推薦的鼓風(fēng)量能夠適應(yīng)極端重組分，相對較為保守，因此，本文認(rèn)為無量綱黑煙濃度數(shù)達到10-6量級即可達到較好的消煙效果，應(yīng)急工況下的泄放還可適當(dāng)放寬要求。

3.3 黑煙濃度計算及消煙效果分析

分別計算表3中2種工況下流花油田群FPSO有無消煙措施時的火炬黑煙濃度，結(jié)果見表4。

對于高壓火炬的LPG無法外輸工況，當(dāng)不采用任何消煙措施，即3 000 Sm3/h泄放量，常規(guī)管式火炬頭管徑304.8 mm，風(fēng)速15 m/s時，計算結(jié)果如圖3a所示。該工況下黑煙濃度較高，無量綱黑煙濃度數(shù)為0.105 5，超出了推薦范圍。當(dāng)采用可調(diào)間隙音速火炬時，將火炬頭開口面積調(diào)至81 cm2時(即當(dāng)量直徑101.6 mm)，無量綱黑煙濃度數(shù)為0.98×10-6，幾乎不產(chǎn)生黑煙，且在無量綱濃度數(shù)推薦范圍內(nèi)，黑煙體積分?jǐn)?shù)云圖見圖3b。

對于低壓火炬的正常連續(xù)泄放工況，當(dāng)沒有消煙措施，即1 700 Sm3/h泄放量，常規(guī)火炬頭管徑152.4 mm，風(fēng)速15 m/s，無鼓風(fēng)消煙時，計算結(jié)果如圖4a。該工況下黑煙濃度低于LPG無法外輸且采用常規(guī)管式火炬頭工況下的黑煙濃度，但仍有較為明顯的黑煙，此工況下的無量綱黑煙濃度數(shù)為0.042 8，超出了推薦的范圍。當(dāng)?shù)蛪夯鹁媾鋫涔娘L(fēng)消煙措施時，將鼓風(fēng)流量設(shè)為7 500 Sm3/h時，消煙效果明顯，無量綱黑煙濃度數(shù)只有0.84×10-6，滿足推薦的范圍。在無量綱黑煙濃度數(shù)范圍內(nèi)，黑煙體積分?jǐn)?shù)云圖見圖4b。由此可見，該鼓風(fēng)量滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

表4 流花油田群FPSO 2種泄放工況下火炬無量綱黑煙濃度Table 4 Dimensionless black soot concentration of Liuhua oilfields FPSO flare in the two release cases

注：變孔隙火炬頭實際截面不是圓形，因此由流通面積換算為當(dāng)量直徑。

圖3 流花油田群FPSO LPG無法外輸工況下火炬黑煙體積分?jǐn)?shù)云圖Fig .3 Black soot volume fraction contour of Liuhua oilfields FPSO flare in LPG export interruption case

圖4 油田群FPSO正常連續(xù)泄放工況下火炬黑煙體積分?jǐn)?shù)云圖Fig .4 Black soot volume fraction contours of Liuhua oilfields FPSO flare in normal release cases

4 結(jié)束語

針對流花油田群FPSO火炬黑煙問題，建立了海上火炬燃燒數(shù)值模型，提出了無量綱火炬黑煙濃度數(shù)計算方法，解決了設(shè)計階段火炬黑煙濃度無法定量預(yù)測的問題。根據(jù)API規(guī)范，初步確定了無量綱黑煙濃度數(shù)推薦范圍。提出了采用鼓風(fēng)消煙和變孔隙音速火炬的方式來解決流花油田群的黑煙問題，并確定了鼓風(fēng)機的通風(fēng)量以及可調(diào)間隙音速火炬需要的孔徑自適應(yīng)范圍，從而明確了火炬和消煙設(shè)施的采辦要求，避免了冗余設(shè)計。本文研究結(jié)果可為解決類似海上輕質(zhì)油田的火炬黑煙問題提供參考。