油田聯(lián)合站儲罐VOCs治理對策研究

羅 煥 許明飛 王 端 劉 楊

(1.中國石油大港油田公司采油工藝研究院；2.中國石油大港油田公司第六采油廠)

0 引 言

為了深入貫徹習近平總書記“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念，落實構建清潔低碳、安全高效的能源體系總體部署，石油行業(yè)針對油氣田企業(yè)VOCs排放和甲烷排放提出了一系列管控要求和行動方案。同時，為促進陸上石油天然氣開采工業(yè)的技術進步和可持續(xù)發(fā)展，國家生態(tài)環(huán)境部2020年頒布了GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標準》，針對陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放控制要求、監(jiān)測和監(jiān)督管理等進行了明確規(guī)定[1]。

目前油田聯(lián)合站內原油處理主要采用大罐沉降的開式脫水處理工藝，大罐沉降主體采用的是固定頂儲罐，在生產過程中，隨著生產工況和環(huán)境溫度的變化，會有部分油氣烴組分通過罐頂呼吸閥的開啟動作揮發(fā)到周圍環(huán)境中。揮發(fā)出的油氣組分主要含有甲烷和VOCs等，甲烷是形成溫室氣體的重要組分，VOCs是形成大氣污染物PM2.5和O3的重要前體物[2-4]，因此儲罐油氣揮發(fā)不僅造成天然氣能源的浪費還存在嚴重的環(huán)境污染問題。

為了促進油田高質量、綠色發(fā)展，實現(xiàn)國家“雙碳”目標，有必要開展聯(lián)合站儲罐VOCs治理對策研究，優(yōu)選新型撬裝化的油氣回收裝置，實現(xiàn)油氣站場密閉集輸，滿足規(guī)范中VOCs排放控制要求，消除聯(lián)合站能源浪費和環(huán)保隱患等問題，打造綠色低碳的油田地面生產建設新模式。

1 聯(lián)合站儲罐運行現(xiàn)狀

油田聯(lián)合站原油處理主體采用沉降罐沉降脫水工藝，原油沉降罐主要類型是固定頂儲罐，固定頂儲罐罐頂配套有安全附件——呼吸閥和液壓安全閥[5-7]。隨著儲罐生產工況的變化和周圍環(huán)境溫度的變化，儲罐液位不斷波動，從而造成儲罐頂部氣相空間壓力上下波動。當儲罐進液量增加或者環(huán)境溫度升高時，罐內氣相空間壓力升高，當壓力超過呼吸閥設定呼出壓力(通常為+1 765 Pa)時，呼吸閥正壓閥盤被頂開，會有一部分油氣組分從罐內溢出揮發(fā)到大氣中；當儲罐出液液位下降或者環(huán)境溫度降低時，罐內氣相空間壓力降低，當壓力低于呼吸閥設定吸入壓力(通常為-295 Pa)時，呼吸閥負壓閥盤被頂開，罐外會有一部分空氣進入儲罐，防止儲罐內真空度不斷升高而被吸癟；當罐內氣相壓力在吸入壓力和呼出壓力范圍內時，正壓和負壓閥盤均關閉，此時呼吸閥處于平衡狀態(tài)[8-9]。儲罐罐頂呼吸閥示意見圖1，呼吸閥壓力平衡時狀態(tài)示意見圖2。

圖1 儲罐罐頂呼吸閥示意

圖2 呼吸閥壓力平衡時狀態(tài)示意

目前，聯(lián)合站大部分固定頂儲罐均未配套罐頂氣回收裝置，隨著工況的變化，罐頂呼吸閥連續(xù)發(fā)生呼吸動作，通過呼吸閥的開啟，儲罐不斷呼出油氣且吸入空氣，存在較大的油氣揮發(fā)損耗，也給油氣站場造成了一定的安全隱患。

2 存在問題

根據(jù)GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標準》[1]，5.2條對揮發(fā)性有機液體(原油和2號穩(wěn)定輕烴)儲存排放控制要求[10]進行了規(guī)定，見表1。

表1 原油和2號穩(wěn)定輕烴儲存特別控制要求(重點地區(qū))

①符合下列要求之一：

a)采用壓力罐或低壓罐；

b)采用固定頂罐，采取油罐烴蒸氣回收措施；

c)采取其他等效措施。

②符合下列要求之一：

a)采用浮頂罐。外浮頂罐的浮盤與罐壁之間采用雙重密封，且一次密封采用浸液式、機械式鞋形等高效密封方式；內浮頂罐的浮盤與罐壁之間采用浸液式、機械式鞋形等高效密封方式；

b)采用固定頂罐并對排放的廢氣進行收集處理，非甲烷總烴去除效率不低于90%；

c)采用氣相平衡系統(tǒng)；

d)采取其他等效措施。

按照規(guī)范要求對油田聯(lián)合站部分進罐原油儲存溫度下的飽和蒸氣壓(真實蒸氣壓)進行了檢測，檢測結果見表2。根據(jù)檢測結果可知進罐原油飽和蒸氣壓均大于5.2 kPa，飽和蒸氣壓較高、揮發(fā)性較強，進入儲罐后呼吸損耗必然存在。根據(jù)儲罐運行現(xiàn)狀，目前大部分儲罐罐頂未采取烴蒸氣回收措施，不滿足規(guī)范要求，需進行VOCs治理。

表2 儲罐進出口原油真實蒸氣壓檢測數(shù)據(jù)

同時對儲罐呼吸閥呼吸損耗氣量進行了檢測，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)單具儲罐呼出氣量在600～1 300 m3/d之間。儲罐呼吸損耗受多種因素影響，隨著生產工況、來液溫度以及環(huán)境溫度的變化，呼吸氣量不斷發(fā)生波動。鑒于目前高含水老油田生產現(xiàn)狀，儲罐的揮發(fā)氣量一般較小，但是變化波動較頻繁。由于儲罐呼出氣量不穩(wěn)定，對于儲罐VOCs治理裝置選取具有一定的難度。

3 儲罐VOCs治理對策

3.1 治理對策優(yōu)選

固定頂儲罐VOCs治理可選擇不同的工藝措施，如固定頂罐改為內浮頂罐、配套冷凝+活性炭吸附裝置、配套罐頂氣回收裝置等[11-13]。

固定頂儲罐改為內浮頂罐工藝，在改造之前需進行清罐、蒸罐等處理，根據(jù)油田聯(lián)合站儲罐運行現(xiàn)狀，部分儲罐運行時間較長，罐體腐蝕嚴重，出現(xiàn)罐體扭曲等問題，如果進行改造投資較高，改造周期較長，影響聯(lián)合站正常生產。因此，將固定頂儲罐改為內浮頂罐工藝不具可行性。

冷凝+活性炭吸附工藝是利用VOCs氣體中不同有機組分在不同溫度下飽和蒸氣壓不同的性質，通過逐級降溫對凝液回收，對于未冷凝氣體經(jīng)過活性炭吸附處理合格后排放。該工藝可以實現(xiàn)VOCs氣體達標排放但是不能實現(xiàn)油氣資源全部回收利用，同時采用活性炭吸附劑，附有危廢產生，當活性炭失活時會產生二次污染。

罐頂氣回收工藝主要通過罐頂連接集氣管線將揮發(fā)氣進行收集，收集后進入回收裝置進行增壓，增壓后接入站場內已建天然氣系統(tǒng)用作燃料氣等使用。通過配套罐頂氣回收工藝既能滿足規(guī)范要求實現(xiàn)VOCs零排放，又能充分利用油氣資源，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)油田儲罐生產運行現(xiàn)狀，采用罐頂氣回收工藝更可行。

目前國內油田應用的罐頂氣回收工藝主要是大罐抽氣，采用壓縮機進行增壓，但是傳統(tǒng)的大罐抽氣工藝選用的壓縮機排量通常較大，適用于儲罐揮發(fā)氣量較大工況，并且配套的設備大多占地面積大，后期運行維護量大、運行成本較高[14-15]。根據(jù)目前油田生產現(xiàn)狀，儲罐揮發(fā)氣量較小但是波動較頻繁，同時已建站內改造位置較為有限，對于儲罐改造需尋求小型撬裝化的工藝裝置[16]。

3.2 新型VOCs治理裝置

1)裝置適應性

根據(jù)油田儲罐揮發(fā)氣特點，選用新型撬裝式儲罐揮發(fā)氣增壓回收裝置適用于油田揮發(fā)氣量小、波動變化頻繁工況。采用小型撬裝結構，通過實時采集、監(jiān)測儲罐罐頂氣相壓力和緩沖罐氣相壓力，采用氣相平衡原理智能控制系統(tǒng)的抽氣和補氣流程，實現(xiàn)儲罐揮發(fā)氣密閉回收系統(tǒng)的連續(xù)運行，達到整個系統(tǒng)VOCs零排放。

裝置包括罐頂壓力檢測部分和地面撬裝設備部分。罐頂壓力檢測模塊包括壓力變送器、阻火器、切斷閥等；地面撬裝設備由緩沖罐、壓縮機、儲氣罐、含氧分析儀、調節(jié)閥、控制系統(tǒng)等組成。整體撬裝結構占地小，便于安裝，適用于聯(lián)合站改造工程。撬裝式儲罐揮發(fā)氣增壓回收工藝流程見圖3。

圖3 撬裝式儲罐揮發(fā)氣增壓回收工藝流程

2)技術優(yōu)勢

撬裝系統(tǒng)可對多個儲罐進行油氣回收，實現(xiàn)罐與罐之間的氣相平衡，減少揮發(fā)油氣的抽取。系統(tǒng)進口配置緩沖罐，對于氣量波動頻繁工況具有緩沖作用。撬裝裝置入口配套含氧分析儀，嚴格監(jiān)控氧氣濃度，當氧氣超標時系統(tǒng)自動切斷，保護上下游設備安全。

撬裝系統(tǒng)整體采用PLC自動控制，通過實時監(jiān)測儲罐內油氣壓力來控制調節(jié)回收裝置的抽氣和補氣過程，實現(xiàn)罐頂油氣自動回收。當系統(tǒng)檢測到儲罐內部油氣壓力增高至設定壓力時，通過調節(jié)閥調節(jié)緩沖罐與儲氣罐氣體流量，使緩沖罐壓力低于儲罐壓力，從而油氣進入緩沖罐，再經(jīng)壓縮機增壓至儲氣罐后排放到站內天然氣管網(wǎng)；當系統(tǒng)檢測到儲罐壓力降低時，通過調節(jié)閥調節(jié)緩沖罐與儲氣罐氣體流量，使緩沖罐壓力高于儲罐壓力，進而對儲罐進行油氣補充。通過以上兩種動作始終維持儲罐內部處于微正壓狀態(tài)，控制罐頂呼吸閥不呼吸，使呼吸閥成為安全閥，達到VOCs治理目的。

3.3 儲罐VOCs治理技術方案

以油田某聯(lián)合站為例進行儲罐VOCs治理工藝方案研究，該聯(lián)合站儲罐區(qū)共有4具固定頂儲罐，均為非密閉集輸，分別為原油沉降罐1具、采出水沉降罐2具和低含水油儲罐1具。根據(jù)4具儲罐平面位置以及日處理量等情況配置1套撬裝式儲罐揮發(fā)氣增壓回收裝置。儲罐運行現(xiàn)狀統(tǒng)計見表3。

表3 儲罐運行現(xiàn)狀統(tǒng)計

1)工藝系統(tǒng)

根據(jù)儲罐數(shù)量及運行情況，并考慮一定富余量確定儲罐揮發(fā)氣回收裝置規(guī)模為2 000 m3/d，出口壓力0.5 MPa。分別從4具儲罐罐頂透光孔連接集氣管線，在集氣管線出口配套壓變、阻火器和切斷閥等。各罐頂集氣管線匯合到集氣干線后，通過干線進入儲罐揮發(fā)氣回收裝置。氣體經(jīng)裝置增壓后通過管道接入站內立式分離器進口管線，并從立式分離器出口配套補氣管線至回收裝置入口。

2)控制系統(tǒng)

各儲罐罐頂集氣管線上設置壓力變送器，實時監(jiān)測儲罐和裝置內緩沖罐的壓力，當檢測到儲罐內部油氣壓力增高至設定壓力時，系統(tǒng)壓縮機與調節(jié)閥自動動作吸入多余的揮發(fā)氣，由壓縮機將揮發(fā)的油氣由緩沖罐壓縮至儲氣罐儲存，儲氣罐的氣體達到壓力后自動排放至站內立式分離器；當檢測到儲罐內部壓力降低接近呼吸閥吸氣開啟壓力時，氣體調節(jié)閥動作，將儲氣罐內氣體補充到緩沖罐，使緩沖罐壓力升高，進而將油氣補充至儲罐內，保持儲罐維持在微正壓狀態(tài)。

通過以上動作始終維持儲罐內部微正壓和較高的油氣濃度，達到儲罐呼吸閥不動作，過量的油氣接入天然氣管網(wǎng)，實現(xiàn)油氣回收治理。系統(tǒng)內吸氣和補氣過程為裝置內部油氣循環(huán)控制，主要依靠壓縮機吸氣和調節(jié)閥控制油氣循環(huán)量，保證整個系統(tǒng)處于氣量平衡。當出現(xiàn)特殊情況造成儲罐壓力持續(xù)降低時，可利用站內天然氣管網(wǎng)進行補氣，保證儲罐本質安全。

3)安全保護措施

撬裝裝置入口配套含氧分析儀，當氧氣含量超標，自動停機，并且切換至安全排空管線。設備本身采用整體防爆設計，上下游設備之間設置高壓保護、低壓保護、風險故障保護等安全保障措施，保證系統(tǒng)安全運行。

某聯(lián)合站儲罐VOCs治理工藝流程示意見圖4。

圖4 某聯(lián)合站儲罐VOCs治理工藝流程

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

由于該技術采用氣相平衡原理在抽氣同時進行補氣，按裝置規(guī)模50%回收氣量進行考慮，預計該站每年可回收天然氣約36.5萬m3，綜合考慮裝置的運行效率等影響因素，預計年創(chuàng)效約41萬元。通過配置VOCs治理裝置，有效降低了聯(lián)合站儲罐油氣揮發(fā)損耗，具有較好的經(jīng)濟效益。

4.2 社會效益

聯(lián)合站通過配套VOCs治理裝置，可有效控制油田地面系統(tǒng)的VOCs排放，提高地面系統(tǒng)的集輸密閉率，消除油氣排放產生的安全環(huán)保隱患，保障油田安全平穩(wěn)生產，有力踐行綠色低碳、清潔安全高效的能源發(fā)展戰(zhàn)略，具有良好的社會效益。

5 結 論

新型撬裝式儲罐揮發(fā)氣增壓回收裝置能夠適應聯(lián)合站儲罐揮發(fā)氣量小、變化波動頻繁工況，并且整體設備占地面積小、采用自動化控制、運行維護方便，適用于油田聯(lián)合站儲罐VOCs治理工程。通過該技術的應用，能夠實現(xiàn)固定頂儲罐密閉運行，降低油氣資源損耗，消除站場安全環(huán)保隱患，有利于構建清潔低碳、綠色環(huán)保的油田地面新模式。