小斷塊油田VOCs回收利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

丁進(jìn)善 張磊 李建秋 陶帥 羅凱 劉立軍

1華北油田公司第二采油廠

2華北油田公司第四采油廠天然氣管理中心

華北油田第二采油廠和第四油氣生產(chǎn)區(qū)域跨越保定市雄縣、廊坊市文安縣、霸州市、永清縣共4個(gè)市縣，主力油田位于河北省雄安新區(qū)境內(nèi)。所轄的拉油點(diǎn)基本采用敞口裝油方式，每年VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物）揮發(fā)量超過(guò)5×105m3，裝卸油過(guò)程中的油氣揮發(fā)不僅造成油氣資源的浪費(fèi)，也存在一定的安全環(huán)保隱患[1]。

通過(guò)對(duì)原油拉運(yùn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，VOCs 排放主要有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)高架罐揮發(fā)，二是在裝油過(guò)程中通過(guò)拉油罐車(chē)的裝車(chē)口揮發(fā)，大部分VOCs 在卸油前已經(jīng)揮發(fā)殆盡。密閉裝車(chē)過(guò)程中能回收的VOCs 遠(yuǎn)高于密閉卸油過(guò)程中回收的VOCs，因此研究適合小斷塊油田拉油點(diǎn)的密閉裝車(chē)工藝比密閉卸車(chē)工藝具有更加重要的意義。

1 非密閉裝車(chē)工藝現(xiàn)狀

目前在國(guó)內(nèi)小斷塊拉油點(diǎn)大多采用非密閉敞口裝油的方式，以罐車(chē)?yán)\(yùn)為主，罐車(chē)頂部的裝油口也是敞開(kāi)的。裝車(chē)過(guò)程中VOCs 自罐車(chē)裝油口進(jìn)入大氣中，而且高架儲(chǔ)油罐內(nèi)的VOCs 也直接通過(guò)呼吸閥排入大氣，造成環(huán)境污染。非密閉裝車(chē)過(guò)程如圖1所示。

圖1 非密閉裝車(chē)示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-closed loading

2 全自動(dòng)密閉裝車(chē)工藝設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)的密閉裝車(chē)工藝大多應(yīng)用在輕烴裝車(chē)和成品油裝車(chē)，但是油田邊遠(yuǎn)小斷塊拉油站由于伴生氣揮發(fā)量小且遠(yuǎn)離系統(tǒng)，原油裝車(chē)基本未實(shí)現(xiàn)密閉裝車(chē)。

為實(shí)現(xiàn)拉油點(diǎn)裝油過(guò)程的全密閉，采油二廠專門(mén)針對(duì)某拉油注水站研究設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)密閉裝油工藝，并將整個(gè)工藝集成在一個(gè)裝車(chē)橇上，實(shí)現(xiàn)了橇裝化設(shè)計(jì)[2-5]。整個(gè)橇裝裝置的核心部分是一具可移動(dòng)的裝車(chē)臂，裝置配備的滑軌可實(shí)現(xiàn)裝車(chē)臂的前后、左右移動(dòng)，另外還配套了連桿機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)裝車(chē)臂的垂直升降?？梢苿?dòng)式裝車(chē)臂如圖2所示。

圖2 可移動(dòng)式裝車(chē)臂Fig.2 Movable loading arm

同時(shí)裝車(chē)橇還安裝了工業(yè)攝像機(jī)和可移動(dòng)式裝車(chē)臂配套伺服電動(dòng)機(jī)，工業(yè)攝像機(jī)能自動(dòng)尋找罐口，找到罐口后由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝車(chē)臂對(duì)準(zhǔn)罐口，并將裝車(chē)臂插入罐車(chē)內(nèi)部進(jìn)行裝油，實(shí)現(xiàn)了裝車(chē)臂尋罐和入罐的全自動(dòng)化。

3 裝車(chē)和計(jì)量

自動(dòng)裝車(chē)：在鶴管下降到位后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電動(dòng)閥和容積泵，按照設(shè)定的生產(chǎn)流程進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)密封帽上的液位檢測(cè)儀確認(rèn)裝車(chē)到位后，自動(dòng)停機(jī)，鶴管復(fù)位，并提醒裝車(chē)人員裝車(chē)結(jié)束。

自動(dòng)計(jì)量：裝車(chē)鶴管垂管上自帶液面檢測(cè)系統(tǒng)[6]，對(duì)于原油介質(zhì)，使用射頻傳感器或超聲傳感器，在實(shí)現(xiàn)裝車(chē)到位檢測(cè)的同時(shí)還可以根據(jù)槽車(chē)的容積表，實(shí)現(xiàn)裝車(chē)量的體積計(jì)量。

4 罐口密封工藝

裝車(chē)過(guò)程中隨著裝車(chē)量的增加，罐車(chē)的質(zhì)量越來(lái)越大，罐車(chē)輪胎在承受壓力的情況下會(huì)被壓縮，整個(gè)罐車(chē)高度會(huì)下降，罐車(chē)裝油口隨之下降，給罐口密封帶來(lái)了困難。

針對(duì)裝車(chē)過(guò)程中下沉的問(wèn)題，在裝車(chē)臂末端安裝密封層和固定層，裝車(chē)過(guò)程中固定層固定在裝車(chē)臂上，密封層緊貼罐口實(shí)現(xiàn)罐車(chē)的密封；密封層與固定層之間設(shè)置壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)，隨著裝車(chē)量增加，罐車(chē)在重力作用下開(kāi)始下沉，壓力檢測(cè)機(jī)構(gòu)在檢測(cè)到密封層與固定層之間壓力下降后會(huì)調(diào)整密封層，此時(shí)密封層會(huì)跟著下降，確保裝車(chē)全程密閉。裝車(chē)臂密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝車(chē)臂密封結(jié)構(gòu)Fig.3 Sealing structure of loading arm

5 VOCs回收工藝設(shè)計(jì)

5.1 有伴生氣回收系統(tǒng)

拉油點(diǎn)的VOCs 揮發(fā)主要有兩個(gè)途徑[7-8]，一是VOCs 自高架罐頂部的呼吸閥直接向大氣排放，二是在裝車(chē)過(guò)程中罐車(chē)內(nèi)的原油受動(dòng)擾動(dòng)后，VOCs從原油中分離出來(lái)，從拉油罐車(chē)的罐口揮發(fā)。針對(duì)這兩個(gè)揮發(fā)方式在某拉油注水站分別設(shè)計(jì)了兩套VOCs回收工藝，能實(shí)現(xiàn)95%以上的VOCs回收。

5.1.1 高架罐工藝

在高架罐呼吸閥底部建集氣線至抽氣裝置進(jìn)口，高架罐頂部的集氣匯管上安裝壓力變送器，當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到集氣匯管壓力達(dá)到0.5 kPa 時(shí)，信號(hào)傳輸至抽氣裝置控制柜，控制柜將啟動(dòng)抽氣裝置將揮發(fā)氣抽至已建的氣系統(tǒng)，待集氣匯管壓力低于0.1 kPa 時(shí)抽氣裝置自動(dòng)停止抽氣。大罐抽氣進(jìn)口安裝含氧量檢測(cè)儀，一旦檢測(cè)到回收揮發(fā)氣中含有氧氣，抽氣裝置將會(huì)緊急停車(chē)，防止氧氣進(jìn)入氣系統(tǒng)。高架罐VOCs回收工藝如圖4所示。

圖4 高架罐VOCs回收工藝Fig.4 VOCs recovery process of overhead tank

5.1.2 拉油罐車(chē)工藝

裝車(chē)橇的裝車(chē)臂與裝油線配備了1 條回氣線，裝油線和回氣線固定在一起，共同設(shè)計(jì)在罐口的密封層內(nèi)。裝車(chē)時(shí)裝油線伸入拉油罐車(chē)罐底部，而回氣線進(jìn)口在拉油罐車(chē)頂部的罐口附近位置。裝車(chē)過(guò)程中罐車(chē)的罐口密封，高架罐內(nèi)的原油通過(guò)裝油線進(jìn)入罐車(chē)內(nèi)部，罐內(nèi)的揮發(fā)氣經(jīng)回氣線串進(jìn)高架罐集氣干線，罐車(chē)內(nèi)揮發(fā)氣與高架罐揮發(fā)氣一同經(jīng)抽氣裝置輸送至氣系統(tǒng)。拉油罐車(chē)VOCs 回收工藝如圖5所示。

圖5 拉油罐車(chē)VOCs回收工藝Fig.5 VOCs recovery process of oil truck

5.2 無(wú)伴生氣回收系統(tǒng)

為解決沒(méi)有伴生氣處理系統(tǒng)時(shí)高架罐VOCs 揮發(fā)問(wèn)題，可在拉油點(diǎn)安裝瓦斯發(fā)電機(jī)，高架罐回收的揮發(fā)氣和油井套管氣經(jīng)干燥后供瓦斯發(fā)發(fā)電機(jī)發(fā)電，瓦斯發(fā)電機(jī)發(fā)電后供抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)和高架罐電伴熱用電。目前在采油二廠家19拉油點(diǎn)等3座拉油點(diǎn)采取此方式進(jìn)行VOCs 回收利用。

回收利用工藝：自油井套管取氣，套管氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后與來(lái)自高架罐的回收氣混合[9-10]，經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力至0.5 MPa 以下進(jìn)干燥器干燥，低壓氣經(jīng)過(guò)干燥器干燥后供瓦斯發(fā)電機(jī)發(fā)電?；厥绽霉に嚾鐖D6所示。

圖6 回收利用工藝Fig.6 Recycling process

6 密閉裝油過(guò)程

（1）罐車(chē)就位并停好后連接靜電接地裝置，靜止5 min完成靜電釋放。

（2）啟動(dòng)裝車(chē)橇開(kāi)始自動(dòng)尋找罐口，找到罐口后伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝車(chē)臂伸入罐車(chē)內(nèi)部。

（3）裝車(chē)臂就位后，罐口密封機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)密封層的位置進(jìn)行密封，完成密封后裝車(chē)閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行裝車(chē)。

（4）裝車(chē)過(guò)程中的VOCs 和高架罐內(nèi)的VOCs，通過(guò)VOCs 回收工藝經(jīng)大罐抽氣裝置抽至伴生氣回收系統(tǒng)。

（5）當(dāng)罐車(chē)內(nèi)液位到達(dá)指定位置時(shí)，裝車(chē)臂上的液位探測(cè)儀會(huì)發(fā)出停止裝車(chē)信號(hào)，裝車(chē)閥門(mén)關(guān)閉，自動(dòng)裝車(chē)橇停止裝車(chē)，同時(shí)裝車(chē)臂自動(dòng)收回。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

拉油注水站安裝密閉裝車(chē)橇，同時(shí)配套伴生氣回收系統(tǒng)，在華北油田尚屬首例。該裝置于2021年8月投運(yùn)，目前裝車(chē)橇整體運(yùn)行情況良好，減少VOCs 排放7×104m3/a，年創(chuàng)效10 萬(wàn)元，氣裝置運(yùn)行及維護(hù)成本全年需3萬(wàn)元，可節(jié)約成本7萬(wàn)元。

2022 年計(jì)劃在兩座拉油點(diǎn)推廣使用，兩座裝油點(diǎn)在完成改造后每年可回收VOCs約1×105m3。

在家19等3座拉油點(diǎn)進(jìn)行套管氣回收利用，將多余的套管氣用于發(fā)電供抽油機(jī)和電加熱裝置。套管氣回收利用總投資60萬(wàn)元，回收利用后3座拉油點(diǎn)每年節(jié)電超過(guò)5×105kWh，年創(chuàng)效35 萬(wàn)元，除去運(yùn)行維護(hù)成本后經(jīng)濟(jì)效益26萬(wàn)元/年。

8 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)裝卸油點(diǎn)的裝卸方式大多為敞口裝卸，存在VOCs 排放不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。近幾年通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，部分油田已研制了密閉卸油工藝，但裝油點(diǎn)的裝油工藝非密閉的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到有效的解決，華北油田采油二廠在某拉油注水站安裝的密閉裝車(chē)橇，有效解決了這一問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)對(duì)沒(méi)有氣處理系統(tǒng)的拉油點(diǎn)實(shí)施套管氣綜合利用，也能降低VOCs揮發(fā)量。