海上油氣田火炬放空氣回收利用技術(shù)研究進(jìn)展

肖 宇，汪本武，代齊加

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津塘沽 300459）

1 陸地放空氣回收技術(shù)

1.1 技術(shù)進(jìn)展

1996年，中國(guó)石化出臺(tái)《石油化工企業(yè)熄滅火炬考核驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，石油化工行業(yè)回收利用火炬氣、熄滅火炬工作全面展開。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，火炬氣回收技術(shù)在陸地化工廠、聯(lián)合站等已有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的火炬氣回收技術(shù)包括：壓縮冷凝法、吸附法、水合物法和膜分離法等[1]。

壓縮冷凝法是應(yīng)用最為廣泛，也相對(duì)成熟的技術(shù)方法。該技術(shù)所使用設(shè)備包括：水封罐、火炬分液罐、氣柜、壓縮機(jī)等。在正常工況下，火炬氣經(jīng)火炬管網(wǎng)匯入分液罐除液，氣體不足以突破水封罐水封壓力，從而進(jìn)入燃?xì)饣厥障到y(tǒng)。在事故及非正常工況下，火炬氣壓力升高，突破水封進(jìn)入火炬頭燃燒放空，避免系統(tǒng)高壓及燃?xì)饩奂l(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。吐哈油田的溫米、鄯善、丘陵等聯(lián)合站，通過新增水封罐、螺桿壓縮機(jī)等改造措施，在火炬氣回收方面取得了良好的應(yīng)用效果[2]。

吸附法、水合物法和膜分離法可以實(shí)現(xiàn)火炬氣不同組分的分別回收。雖然原理不盡相同，但都是利用不同氣體組分的物理化學(xué)性質(zhì)不同，達(dá)到不同組分分別回收的目的[3]。

1.2 應(yīng)用于海上的適用性分析

吸附法、水合物法和膜分離法為實(shí)現(xiàn)不同氣體組分分別回收的技術(shù)，這與海上油田將火炬氣回收作為燃料氣或者外輸氣的目的不符，不適合在海上油田應(yīng)用。

壓縮冷凝法能夠?qū)崿F(xiàn)火炬氣壓縮回收，作為燃料氣或者外輸氣進(jìn)行利用。但是由于海上平臺(tái)空間極度受限，該方法的關(guān)鍵設(shè)備-氣柜，無法裝備在海上平臺(tái)。以海上油田日均放空火炬氣5.0×103Sm3為例，至少儲(chǔ)存3小時(shí)放空量，氣柜所需空間至少為600.0 m3，占用空間巨大[4-5]，難以適應(yīng)海上油氣田環(huán)境。因此，需研究新的技術(shù)方法，或者對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改造，以適應(yīng)海上平臺(tái)回收火炬氣的需求。

2 海上平臺(tái)放空氣回收技術(shù)

2.1 氣液分離工藝流程

目前，海上油田的氣液分離設(shè)備一般分為三級(jí)，即：生產(chǎn)分離器、熱化學(xué)處理器、原油緩沖罐。油井產(chǎn)出物流進(jìn)入生產(chǎn)分離器（550 kPaG，55 ℃），油氣水初步分離，大部分氣體進(jìn)入燃?xì)庀礈旃薮茫溆噙M(jìn)入火炬系統(tǒng)。生產(chǎn)分離器分離得到的油相，經(jīng)熱化學(xué)加熱器升溫后，進(jìn)入熱化學(xué)處理器（50 kPaG、80 ℃），低壓高溫條件下，部分氣體析出，這部分氣體被稱為低壓伴生氣（以下稱“低壓氣”）。熱化學(xué)處理器分離得到的油相，經(jīng)電脫水器進(jìn)行油水深度分離后得到原油，進(jìn)入原油緩沖罐（30 kPaG、70 ℃），溶解氣析出進(jìn)入火炬系統(tǒng)，得到飽和蒸汽壓合格的原油，經(jīng)外輸泵輸送至陸岸終端。

2.2 低壓氣回收技術(shù)

2.2.1 氣田低壓閃蒸氣回收

海上氣田的氣液分離工藝與油田類似，亦可分為三級(jí)。主要工藝流程包括高壓生產(chǎn)分離器、低壓分離器和凝析油緩沖罐[6]。

在高壓、低壓分離器分離過程中，會(huì)伴生大量凝析油，凝析油在穩(wěn)定過程中釋放出的氣體，被稱為低壓閃蒸氣。目前，低壓閃蒸氣的回收方法有：經(jīng)壓縮機(jī)增壓后作為燃料氣或商品氣，供海上平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)使用或銷售；經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，經(jīng)外輸海管至陸地終端進(jìn)行進(jìn)一步處理或回收。在南海某新建平臺(tái)上，確定了在凝析液緩沖罐氣相出口設(shè)置壓縮機(jī)的方案[7]，低壓閃蒸氣壓縮回收進(jìn)入工藝流程，最終形成合格商品氣用于平臺(tái)發(fā)電或銷售。經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)無油螺桿壓縮機(jī)在南海某新建平臺(tái)的工況下優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2.2 油田低壓氣回收

2.2.2.1 壓縮機(jī)回收

低壓氣具有溫度高、壓力低、流量波動(dòng)大、含有重質(zhì)組分和水的特點(diǎn)。因此，采用以壓縮機(jī)為核心設(shè)備的處理系統(tǒng)，處理流程為：熱化學(xué)處理器分離出的低壓氣，經(jīng)過海水前冷卻器冷卻后，通過壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)海水冷卻器冷卻后和低壓燃?xì)庀礈炱鞯某?，進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)完成回收。

在渤海某油田的技術(shù)改造中，將熱化學(xué)處理器氣相出口設(shè)置了一套低壓氣回收裝置，獲得了良好的應(yīng)用效果[8]。研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)備覆蓋氣損失是火炬氣的重要來源，通過將斜板除油器覆蓋氣改造進(jìn)入低壓壓縮機(jī)回收，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[9]。在壓縮機(jī)的優(yōu)選方面，研究人員分析了海上油田低壓氣回收的一般方法，通過對(duì)比，提出了雙螺桿壓縮機(jī)在低壓氣回收上有明顯優(yōu)勢(shì)，使用噴油雙螺桿壓縮機(jī)或是無油雙螺桿壓縮機(jī)應(yīng)根據(jù)低壓氣的參數(shù)特征確定[10]。

2.2.2.2 天然氣增壓射流裝置回收

天然氣射流增壓技術(shù)很早即得到了應(yīng)用。該技術(shù)應(yīng)用的是文丘里效應(yīng)原理，高壓流體抽吸低壓流體，輸出介于高壓和低壓之間某一壓力值的混合流體，達(dá)到低壓流體增壓回收的目的[11]。增壓射流裝置具有體積小、投資小、無運(yùn)動(dòng)部件易于維護(hù)的特點(diǎn)，適用于海上平臺(tái)空間受限的工作環(huán)境。渤海某油田在熱化學(xué)處理器出口增設(shè)射流裝置[12]，利用油田自產(chǎn)氣作為高壓氣源回收低壓氣，形成的混合氣體供透平發(fā)電機(jī)使用，日均回收天然氣1.0×104Sm3。

2.2.2.3 基于加注技術(shù)的伴生氣回收

通過在平臺(tái)空余空間，加裝小型撬裝天然氣液化裝置，實(shí)現(xiàn)低壓氣的液化回收利用[13]。液化天然氣（LNG）通過加注系統(tǒng)向海上LNG動(dòng)力支持船提供燃料，形成海上生產(chǎn)平臺(tái)天然氣液化+加注系統(tǒng)+LNG動(dòng)力海洋石油支持船的運(yùn)行模式。

2.2.3 增壓凝析液的再回收

在低壓氣的壓縮回收過程中，較富組分（C3～C5），經(jīng)增壓、冷卻形成大量凝析液。較富組分不滿足透平供氣要求，火炬放空也將產(chǎn)生大量黑煙，而混入合格原油將降低原油穩(wěn)定性，其處理應(yīng)用是油田生產(chǎn)的一個(gè)難題。研究人員提出了凝液回收雙塔流程的方案[14]，通過增設(shè)LPG（C3+C4）回收和儲(chǔ)存裝置，天然氣凝液經(jīng)兩個(gè)精餾塔處理成輕油和合格LPG，解決了低壓氣深度回收的問題，同時(shí)給出了LPG的外輸方案及儲(chǔ)罐的安全防護(hù)措施。

2.3 火炬放空氣整體回收技術(shù)

海上平臺(tái)應(yīng)用比較多的是回收熱化學(xué)處理器的低壓氣，這些氣體數(shù)量可觀，但不是火炬氣的全部來源[15]。為保持生產(chǎn)工藝流程壓力穩(wěn)定，油氣處理及緩存設(shè)備不可避免地會(huì)泄放氣體進(jìn)入火炬系統(tǒng)。海上火炬氣的整體回收是近幾年發(fā)展起來的新課題。2016年，海上平臺(tái)火炬氣回收利用技術(shù)引發(fā)關(guān)注，開始出現(xiàn)一些文獻(xiàn)報(bào)道[16]。

2.3.1 水封罐回收法

水封罐回收法是基于陸地已有的壓縮冷凝法向海上應(yīng)用的技術(shù)轉(zhuǎn)化。壓縮冷凝法無法用于海上油田的主要原因是無法裝備體積巨大的氣柜。因此，可以討論不加裝氣柜實(shí)現(xiàn)火炬氣回收的可能性。

以渤海某平臺(tái)為例，設(shè)火炬氣回收系統(tǒng)最高操作壓力為40 kPaG，根據(jù)液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式，所需液柱高度為4.08 m，考慮到預(yù)留，罐體的高度大約在6.0 m以上。這樣的高度對(duì)平臺(tái)來說還是比較高的，但可以考慮使用立式罐或密度更大的液體作為密封液，達(dá)到節(jié)約空間的目的。

該平臺(tái)火炬氣系統(tǒng)龐大，又與事故罐（閉式排放罐）連通，考慮用火炬管網(wǎng)和事故罐作為簡(jiǎn)易的氣柜?；鹁婀芫W(wǎng)體積難以準(zhǔn)確核算，僅考慮事故罐體積做保守計(jì)算。該平臺(tái)事故罐體積為218.3 m3，為方便計(jì)算以200.0 m3計(jì)。工作壓力范圍設(shè)定在10～40 kPaG，經(jīng)計(jì)算，火炬系統(tǒng)內(nèi)氣體的量至少可以在199.34～253.08 Sm3波動(dòng)，有一定的緩存功能。因此，該方法應(yīng)用于海上平臺(tái)在技術(shù)上可行。

2.3.2 壓力控制系統(tǒng)回收法

在某深海FPSO項(xiàng)目中[17]，火炬分液罐氣相出口設(shè)置兩組并列的氣動(dòng)快開閥。正常工況下，快開閥門關(guān)閉，使火炬系統(tǒng)有一定背壓，火炬氣進(jìn)入液環(huán)式壓縮機(jī)，增壓回收進(jìn)入燃?xì)庀礈旃迣?shí)現(xiàn)回收。異常工況下，快開閥門開啟，火炬氣泄放至火炬頭燃燒。另外，兩組氣動(dòng)閥門并聯(lián)爆破片裝置，提高了系統(tǒng)的安全性[18]。在某海上油田，研究人員進(jìn)行了一系列技術(shù)改造，包括生產(chǎn)分離器獨(dú)立壓力控制，油田群天然氣能力合理配比和流程優(yōu)化，在火炬系統(tǒng)至火炬分液罐管路增設(shè)并聯(lián)的控制閥、泄放閥、爆破片等，實(shí)現(xiàn)了6.0×104m3/d的氣體回收，同時(shí)解決了閉排罐、污油罐、污水罐等常壓罐體氣體無法進(jìn)入壓力調(diào)整后的火炬系統(tǒng)的問題[19]，為實(shí)現(xiàn)火炬氣整體回收提供了解決方案（表1）。

3 總結(jié)

（1）目前，低壓氣回收技術(shù)在海上油氣田應(yīng)用較多。包括在氣田應(yīng)用的低壓閃蒸氣回收技術(shù)和油田使用的壓縮機(jī)、增壓射流裝置低壓氣的回收技術(shù)。另外，增壓凝析液的再回收，為低壓氣深度回收提供了思路。

（2）火炬放空在保證油田安全生產(chǎn)的同時(shí)，也造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的破壞。加強(qiáng)火炬放空氣回收技術(shù)的研究，符合國(guó)家環(huán)保要求不斷提高和低碳可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)。

（3）為保證海上油田工藝流程的穩(wěn)定，火炬氣不可避免地要產(chǎn)生，因此，減少火炬放空的最終方法是整體回收火炬氣。近年來，海上火炬氣的回收利用逐漸受到研究人員的重視，目前也有一些成功應(yīng)用的案例。

表 1 放空氣整體回收方案適用性對(duì)比Table 1 Comparisons of applicability of the overall vented gas recovery technology

（4）立足海上油氣田實(shí)際環(huán)境，研究安全性高、體積小的火炬系統(tǒng)背壓控制設(shè)備，能夠適應(yīng)火炬氣氣量波動(dòng)大的壓縮裝置或流程控制體系，是未來該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的方向。