等離子隨即引燃火炬技術在海上氣田中的應用

向富明 石 涵 韓 笑 苗 建 黃 莉

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518000；

2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司南海工程分公司，湛江 524057)

海上油氣田生產過程中一些無法利用的天然氣需要通過火炬燃燒后放空，而這一過程會向大氣排放大量的二氧化碳及其他有害氣體[1]。近年來，人們節(jié)能環(huán)保意識逐步提高，特別是最近國家“碳達峰、碳中和”目標的制定，明確要求石化行業(yè)進行火炬氣回收，并盡可能熄滅長明火炬和長明燈，達到減少氣體排放甚至零排放的目的[2-3]。目前，海上油氣田已陸續(xù)開展火炬氣回收的研究及改造工作，但傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)由于點火技術及防回火密封技術不夠完善，需要大量的燃料氣用于長明燈的燃燒和火炬系統(tǒng)的吹掃，且這部分氣體仍然無法進行回收。傳統(tǒng)火炬系統(tǒng)在安全可靠性、節(jié)能減排、使用維護性能等方面還有待進一步提高[4-5]。等離子隨即引燃火炬技術具有點火可靠性高、燃料氣需求極低的特性，應用于海上氣田取得了良好效果。

1 海上氣田火炬系統(tǒng)介紹

1.1 海上氣田原火炬基本情況

平臺火炬放空系統(tǒng)主要包括高壓火炬分液罐、高壓火炬分液泵、高/低壓火炬頭和點火盤?；鹁嫦到y(tǒng)作為平臺安全生產的泄壓系統(tǒng)，處理來自生產處理系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)和閉式排放罐的氣體進入高/低壓火炬頭燒掉，高壓火炬分液罐分出的液體由高壓火炬分液泵打回生產分離器入口。高壓放空系統(tǒng)主要處理來自主工藝系統(tǒng)放空閥、安全閥、高壓吹掃氣等來氣。低壓放空系統(tǒng)主要處理撇油罐脫氣、低壓吹掃氣等來氣。

高壓火炬系統(tǒng)最大氣體處理量為7.76×106Sm3·d-1，低壓火炬系統(tǒng)最大氣體處理量為1.76×106Sm3·d-1。火炬臂采用45°斜吊臂形式伸向平臺外部，臂長為65 m。火炬的點火裝置為地面爆燃式點火裝置，通過使用儀表氣和燃料氣在火焰發(fā)生器中混合，手動點火產生火焰，通過3個點火支路送到火炬頭點燃天然氣。在火炬頭分布有3個熱電偶溫度監(jiān)測元件檢測引燃火焰?；鹁嫦到y(tǒng)配有供火炬使用的長明燈，長明燈來氣為低壓燃料氣。設計時，長明燈日耗氣量為1 420 Sm3·d-1。高/低壓吹掃氣是為了保證放空系統(tǒng)微正壓而設置，吹掃氣為低壓燃料氣，吹掃氣實際耗氣量約為 1 000 Sm3·d-1。

1.2 原火炬系統(tǒng)問題分析

原火炬屬于一種典型的長明火炬，因投運時間較早，部分設計已不符合國家有關規(guī)范要求。另外，火炬3套長明燈和多個燃燒管一直長明燃燒，每天消耗大量燃料氣。

目前，原火炬系統(tǒng)存在的主要問題如下。

（1）采用傳統(tǒng)地面爆燃傳焰點火系統(tǒng)，點火可靠性差，操作難度高，故障率高，點火方式單一，點火器數量太少，不滿足《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范》（SH 3009—2013）規(guī)定，點火方面存在安全風險。

（2）原火炬采用傳統(tǒng)熱電偶火焰檢測系統(tǒng)，火焰遇風極易偏離檢測點，測量準確度低、可靠性差。另外，熱電偶易腐蝕、氧化損壞，故障率高，壽命有限。

（3）原火炬為完全敞口火炬，使用傳統(tǒng)燃料氣密封技術，需要消耗大量燃料氣才能保證空氣不進入火炬放空管網以保證火炬安全運行，造成了較大的能源浪費。

2 等離子點火系統(tǒng)實用性研究

2.1 等離子火焰點火裝置

等離子火焰是利用自然界的閃電原理，連續(xù)釋放高壓電能，從而產生溫度高達6 000 ℃的等離子電弧，即弧形等離子體。因為它的形狀似火焰，所以稱為等離子火焰。它的高溫等離子火焰不僅可以“點燃”空氣、惰性氣體，而且可直接點燃各種放空燃氣體，點火可靠性極高。

等離子火焰具有以下性能：（1）極強的催化點燃助燃性能，能使各種氣體電離“燃燒”；（2）能量大，密度高；（3）作用空域大，接觸即燃；（4）作用速度快，瞬間點燃；（5）具有超自然的抗干擾能力，不受自然界任何級別風雨的影響；（6）可直接點燃1 MPa以上的強氣體射流，不受排放氣流強弱、強風雨、不同組分的影響。

2.2 廣域強離子檢測技術

火焰廣域強離子檢測技術充分利用火焰的弱導電特性，在火焰可能經過的區(qū)域布置檢測電極，在大區(qū)域強等離子流的作用下形成較強的信號，可以準確可靠地反映火焰是否存在?；鹁嫒紵龝r，電極充分接觸火焰，強離子回路導通；火炬熄滅時，強離子回路不導通，可檢測大面積火焰，有效解決了傳統(tǒng)偏火脫火失靈、電極氧化結垢失靈的問題。該產品具有良好的抗結垢性能，可靠性極高，壽命長，免維護。

2.3 微正壓升降式燃燒器系統(tǒng)

微正壓升降式燃燒器由多個小燃燒器組成一個大型燃燒器，效果圖如圖1所示。燃燒器的開度會隨著氣流的大小發(fā)生變化，能夠起到穩(wěn)定火焰的目的。當無氣體放空時，它又能關閉火炬與外界的聯(lián)通。升降式燃燒器關閉時具有關閉密封火炬作用，配合少量燃料氣能起到速度密封、微正壓密封的作用。開啟時，它具有穩(wěn)定燃燒、燃燒率高以及減少液體外噴等優(yōu)點，避免火炬熄火風險，解決了火炬安全穩(wěn)定燃燒問題，起到顯著的安全、節(jié)能以及環(huán)保作用。

2.4 微正壓保持系統(tǒng)

微正壓保持系統(tǒng)由微正壓升降式燃燒器構成雙密封阻火器和微正壓流程工藝管線設備組成。關閉火炬時，它保持火炬筒及放空管網微正壓狀態(tài)，將外部空氣完全隔絕。微正壓升降式燃燒器可改變火炬開口大小，微正壓保持火炬工作狀態(tài)最低壓力水平，兩者結合形成小流量（關閉時幾乎無消耗）高流速的阻火效果，對放空系統(tǒng)具有機械密封、氣體密封的雙密封阻火功能，可完全阻止外界空氣入侵，使其具有“本質安全”的性能。

3 海上氣田等離子火炬改造實施

3.1 點火裝置改造

采用6套等離子火焰點火系統(tǒng)代替3套長明燈點火系統(tǒng)，熄滅長明燈。每套等離子點火裝置配一套等離子火焰檢測系統(tǒng)，用來檢測點火器高溫等離子體電弧工作狀態(tài)。等離子火焰檢測系統(tǒng)直接安裝在等離子火焰點火系統(tǒng)內。點火采用現場手動、控制室用手動、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自動控制操作模式。點火供電電源采用不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）。

3.2 火焰檢測裝置改造

采用6套廣域強離子火焰檢測系統(tǒng)代替3套熱電偶火焰檢測系統(tǒng)，保證火焰檢測準確可靠。6套廣域強離子檢測器布置安裝在火炬燃燒器陣列的周邊不同部位，將檢測信號傳送至主機，然后上傳至站控室分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），與等離子點火系統(tǒng)構成自動聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。等離子點火控制工藝流程如圖2所示。

3.3 火炬燃燒器改造

高壓火炬微正壓升降式組合燃燒器采用“4常明火橋+4開關”組合方式，即采用4套DN250開關式燃燒器，置于圓形DN900防風罩內均勻分布。中心DN100總管分成4套DN50長明燃燒器作為泄漏氣體長明燃燒器，上部若干DN5開氣孔，組成放射狀水平管多孔燃燒器火橋，以便火焰在各燃燒器相互傳導。長明燃燒器開口有效面積約為火炬有效放空通道面積的1%。圖3為高壓火炬頭升降式燃燒器俯視平面圖。

3.4 放空系統(tǒng)微正壓改造

微正壓升降式組合燃燒器代替原來的火炬頭。從原吹掃氣管分出一支微正壓管線，經微正壓調節(jié)閥進入排放總管，提供微正壓密封燃料氣。微正壓設為2.0 kPa左右。在每個總管上分別安裝3套微正壓測量儀表，用于測量和點火聯(lián)鎖控制。在微正壓管線上安裝一套微正壓調節(jié)閥，調節(jié)微正壓用氣流量和放空管網壓力。微正壓保持系統(tǒng)如圖4所示。

4 等離子隨即引燃火炬應用效果

等離子隨即引燃火炬在海上氣田投用以來，火炬系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。等離子隨即引燃火炬的應用，一方面提升了平臺火炬系統(tǒng)的安全性和可靠性，另一方面節(jié)約了原火炬系統(tǒng)長明燈及吹掃所需的燃料氣，滿足了節(jié)能、低碳的要求。

（1）采用等離子隨機引燃火炬能夠確保海上平臺火炬在各種情況下都能一次性可靠點燃，克服了原點火系統(tǒng)可靠性差的缺點，且采用廣域火焰等離子檢測技術保證火焰檢測的準確度。

（2）采用微正壓保持系統(tǒng)實現火炬管網的雙密封，可靠阻止空氣侵入，消除回火風險。經過改造，火炬完全符合“本質安全”要求。

（3）長明火炬每天消耗燃料氣約2 400 m3，改造后每年可節(jié)約燃料氣87.6萬m3，創(chuàng)造經濟價值120萬元，經濟效益顯著。在節(jié)能減排方面，等離子隨即引燃火炬每年可節(jié)能1 000 t標準煤，減少CO2排放2 100 t，相當于植樹近11.7萬棵，對大氣環(huán)境保護具有重大意義和顯著的社會效益。