油氣加工裝置放空氣回收技術(shù)應(yīng)用研究

紀(jì)寧

大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司

大慶油田天然氣分公司成立于1973 年，是集輕烴回收、原油穩(wěn)定、天然氣凈化、二氧化碳液化、產(chǎn)品銷售、天然氣長輸管道、儲氣庫建設(shè)管理于一體的專業(yè)化公司。主要生產(chǎn)資源型天然氣產(chǎn)品、輕烴和二氧化碳，承擔(dān)著為油田生產(chǎn)、工業(yè)用戶和城市居民提供原料和燃料的任務(wù)。由于建設(shè)工程不配套或設(shè)備存在技術(shù)缺陷，部分裝置存在長明燈現(xiàn)象，每年均有放空天然氣排入大氣無法回收。

根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類，油氣初加工行業(yè)屬于石油和天然氣開采業(yè)（B07），參照GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，該行業(yè)自2023年1月1日起，對揮發(fā)性有機(jī)物排放實(shí)行新的控制要求，主要包括揮發(fā)性有機(jī)液體儲存、裝載排放控制、廢水集輸處理、設(shè)備與組件泄漏、廢氣收集處理等排放控制要求。

1 放空氣情況

天然氣分公司已建油氣處理裝置29 套，其天然氣放空主要有連續(xù)放空和間歇放空兩種形式。以深冷裝置為例，連續(xù)放空主要有壓縮機(jī)密封氣泄漏放空、閃蒸罐閃蒸氣放空；間歇放空主要包括裝置檢維修泄壓、輕烴儲罐超壓、壓力排污罐泄壓、壓縮機(jī)及輕烴泵啟停放空。根據(jù)測算，29 套生產(chǎn)裝置年放空量約482.6×104m3（表1），其中連續(xù)放空量217.5×104m3，間歇放空量約265.1×104m3。

表1 生產(chǎn)裝置天然氣放空量Tab.1 Natural gas venting volume of production unit

該公司針對放空氣沒有火炬燃燒并未回收的情況，已立項并完成《天然氣分公司部分火炬放空氣回收工程》，解決了薩南深冷一套、薩南深冷二套、紅壓深冷裝置放空氣未回收利用的問題，通過對現(xiàn)有壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)改造為雙端面干氣密封，增設(shè)調(diào)壓橇等方式徹底解決深冷裝置放空氣未回收問題。

2 放空氣回收利用技術(shù)

按照GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，油氣田放空天然氣應(yīng)予以回收。不能回收或難以回收的，應(yīng)燃燒后放空；不能燃燒需要直接放空的，應(yīng)報生態(tài)環(huán)境主管部門備案。大慶油田天然氣分公司主要采取火炬燃燒措施，但是受火炬使用參數(shù)限制，小流量情況不能采取火炬燃燒措施，為了保證放空氣符合環(huán)保要求，需發(fā)展回收氣技術(shù)，其既符合環(huán)保又能創(chuàng)造效益，是油氣初加工企業(yè)今后的重點(diǎn)研究方向。

2.1 壓縮機(jī)密封氣回收技術(shù)

常用離心壓縮機(jī)密封形式為串聯(lián)式干氣密封，密封相當(dāng)于兩組單端面干氣密封，主要工作原理是注入密封氣（天然氣）使密封系統(tǒng)內(nèi)的動、靜密封環(huán)之間產(chǎn)生約3 μm 的氣膜，防止密封環(huán)磨損（圖1）。運(yùn)行時一部分氣體進(jìn)入工藝介質(zhì)，一部分氣體（天然氣和氮?dú)獾幕旌蠚猓┙?jīng)一級動靜環(huán)后進(jìn)入干氣密封一級泄漏，泄漏量約10 m3/h(標(biāo)況)，其中天然氣含量約占21%，從放空管線去火炬燃燒掉，形成火炬長明燈[1-4]。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Dry gas seal structure

通過研究壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理、工藝流程、運(yùn)行參數(shù)等對干氣密封泄漏氣的影響，天然氣分公司完成了雙端面密封結(jié)構(gòu)改造、射流回收、增壓回收三種回收壓縮機(jī)密封氣放空的方法，取得了良好的效果。

2.1.1 雙端面干氣密封技術(shù)

為避免出現(xiàn)壓縮機(jī)一級密封氣泄漏，將串聯(lián)的單端面密封改為雙端面密封（圖2），其結(jié)構(gòu)布置相當(dāng)于面對面布置兩套單端面密封，兩個密封共用一個動環(huán)。采用氮?dú)庾鳛樽枞麣怏w，控制主密封氣（氮?dú)猓┑膲毫κ冀K比工藝氣體壓力高0.2～0.3 MPa，通過主密封氣封住泄漏的工藝氣體[5-7]。

圖2 雙端面干氣密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Double end face dry gas seal structure

2020、2021 年在裝置上應(yīng)用雙端面干氣密封，將一級泄漏口封堵，通過主密封氣（氮?dú)猓┓庾⌒孤┑墓に嚉怏w，隨前置密封氣一同進(jìn)入工藝介質(zhì)。投用后無泄漏，密封狀況良好，年回收密封氣約1.7×104m3。

2.1.2 射流回收技術(shù)

射流回收工藝主要是將低壓氣體通過噴射式混合器轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹怏w后進(jìn)入管網(wǎng)（圖3）。其中噴射式混合器是由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓管三部分組成，工作時具有一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出，將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶埽鼩鈪^(qū)壓力降低產(chǎn)生真空，使被抽介質(zhì)順利進(jìn)入吸入室，兩股介質(zhì)在擴(kuò)散段內(nèi)混合，最后以高壓排出。

圖3 射流原理Fig.3 Jet flow principle

2020年在深冷離心壓縮機(jī)應(yīng)用雙射流（串聯(lián)2個噴射混合器）回收。利用增壓機(jī)出口的高壓天然氣為工作流體，經(jīng)過調(diào)壓至2.2 MPa 進(jìn)入噴射器，將干氣密封泄漏氣吸入噴射器，然后進(jìn)入壓縮機(jī)入口，完成泄漏氣回收，年回收天然氣約3.4×104m3。

2.1.3 增壓回收技術(shù)

增壓回收工藝主要分為兩種，一種是采用小型壓縮機(jī)將泄漏密封氣增壓后回收至裝置入口；另一種是依靠密封氣壓力高的特點(diǎn)，將泄漏氣的壓力適當(dāng)升高，然后引至壓力相對較低的裝置入口[8-9]。2020 年天然氣分公司自主設(shè)計工藝流程，利用增壓回收工藝回收密封氣應(yīng)用在干氣深冷。干氣深冷除了壓縮機(jī)密封氣泄漏，還存在膨脹機(jī)密封氣泄漏，因此，使用增設(shè)壓縮機(jī)的方式回收泄漏的密封氣，主要工藝流程為原料氣壓縮機(jī)的密封泄漏氣和膨脹機(jī)密封泄漏氣進(jìn)入緩沖器后經(jīng)變頻螺桿壓縮機(jī)壓縮至1.0 MPa，由空冷器冷卻后進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)入口回收。回收裝置設(shè)計了變頻、回流、溢流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證了回收裝置平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了小流量且不穩(wěn)定密封氣的安全回收，應(yīng)用后年回收放空氣約47×104m3。

2.2 容器放空回收技術(shù)

油氣初加工企業(yè)因為各種生產(chǎn)工況，經(jīng)常產(chǎn)生容器放空，這些放空氣因量小和不可確定性，導(dǎo)致企業(yè)不能做到長周期零排放，研究這些放空氣的回收工藝能降低環(huán)境污染，給企業(yè)創(chuàng)造效益。

輕烴儲罐放空的一般工況如下：

（1）在夏季由于受環(huán)境溫度影響，輕烴儲存過程中輕烴飽和蒸汽壓升高，閃蒸氣量大，存在放空損耗。

（2）輕烴儲存過程中容積減少，罐壓升高，超壓放空。

（3）個別裝置輕烴泵揚(yáng)程低，下游儲罐壓力升高時需泄壓保證輕烴進(jìn)入。

針對這些情況，主要采取以下措施：①考慮新的防腐隔熱措施，降低罐體溫度；②通過提高輕烴儲罐壓力、更換配套輕烴泵，降低放空量；③通過新建管線將儲罐泄壓氣返至裝置入口，回收放空天然氣。截止到2022 年，天然氣分公司通過上述措施，年回收放空氣160×104m3，基本實(shí)現(xiàn)了輕烴儲罐零放空（表2、3）。

表2 輕烴儲罐優(yōu)化存儲壓力Tab.2 Optimized storage pressure of light hydrocarbon storage tank

表3 減少放空量統(tǒng)計Tab.3 Statistics of reduced venting volume

2.3 閃蒸罐放空回收技術(shù)

天然氣分公司部分裝置二次閃蒸罐為常壓存儲，閃蒸氣直接去火炬放空。2019 年以來，在北Ⅰ-1、南壓、北Ⅰ-2等裝置5臺二次閃蒸罐實(shí)施了放空氣回收改造，新建管線將罐內(nèi)放空氣引入氣處理裝置入口，經(jīng)過運(yùn)行觀察，沒有對裝置運(yùn)行產(chǎn)生影響，改造基本實(shí)現(xiàn)了工藝要求，年回收放空天然氣21×104m3（表4）。

表4 優(yōu)化后放空量統(tǒng)計Tab.4 Statistics of venting volume after optimization

2.4 壓力排污罐放空回收技術(shù)

現(xiàn)所有初加工裝置壓力排污罐均為充減壓運(yùn)行方式，排液時需對其進(jìn)行充壓，排液完畢后再將罐內(nèi)氣體進(jìn)行泄壓排放至火炬，其運(yùn)行存在放空量瞬時較大的問題，給整個裝置帶來較大的放空損失[10]。

2019 年以來，天然氣分公司對淺冷、深冷裝置實(shí)施了壓力排污罐放空氣回收改造，通過新建管線以及壓力控制閥，將罐內(nèi)放空氣引入氣處理裝置入口，經(jīng)過運(yùn)行觀察，沒有對裝置運(yùn)行產(chǎn)生影響，改造實(shí)現(xiàn)了工藝要求，年可回收放空天然氣26.9×104m3（表5）。

表5 壓力排污罐與閃蒸罐減少放空量統(tǒng)計Tab.5 Statistics of reduced venting volume of pressure blowdown tank and flash tank

3 優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行回收研究

裝置生產(chǎn)每年產(chǎn)生大量凈化裝置尾氣，考慮對這部分氣體進(jìn)行回收，并且優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行啟停機(jī)流程，進(jìn)一步降低氣體放空。

3.1 徐深9閃蒸氣優(yōu)化運(yùn)行

徐深9 天然氣凈化3 套裝置閃蒸氣CO2含量約20%～23%（體積分?jǐn)?shù)），年處理天然氣7×108m3，生產(chǎn)二氧化碳6 160×104m3，消耗燃料氣1 150×104m3。一期裝置閃蒸氣量0.35×104m3/d，含碳量23%，2021年通過工藝改造，將一期裝置閃蒸氣與燃料氣混合后輸至用氣設(shè)備進(jìn)行燃燒，節(jié)約了燃料氣消耗。二期脫碳裝置閃蒸氣量0.8×104m3/d，含碳量達(dá)76%，無法作為燃料氣，只能將閃蒸氣放空。2023 年擬對閃蒸氣回收工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過徐深9三期工程建設(shè)閃蒸氣壓縮機(jī)，將一期、二期、三期閃蒸氣增壓后返回吸收塔循環(huán)吸收。預(yù)計日減少放空量最高1.15×104m3，全年預(yù)計回收天然氣115×104m3。

3.2 優(yōu)化停機(jī)泄壓操作，降低放空量

停機(jī)分為計劃停機(jī)和故障停機(jī)，其中，計劃停機(jī)有檢維修停機(jī)和指令停機(jī)。檢維修停機(jī)時，需將天然氣泄放至火炬系統(tǒng)，指令停機(jī)和故障停機(jī)時可進(jìn)行系統(tǒng)保壓。為減少泄壓操作方式，將高壓的天然氣通過調(diào)整外輸調(diào)節(jié)閥設(shè)定值、系統(tǒng)回流、充壓線等方式回到管網(wǎng)，將高壓氣降為低壓氣，然后再進(jìn)行放空，年減少天然氣放空量約29×104m3（表6）。

表6 裝置檢修天然氣回收量統(tǒng)計Tab.6 Statisticsofnaturalgasrecoveryduringdevice maintenance

4 技術(shù)應(yīng)用

4.1 壓縮機(jī)密封氣回收技術(shù)

天然氣壓縮機(jī)是天然氣裝置的核心，在實(shí)際運(yùn)行中可以看出，通過雙端面干氣密封改造、射流回收、增壓回收均能實(shí)現(xiàn)密封氣回收的效果，但射流回收、增壓回收均需配套新設(shè)備輔助且都產(chǎn)生能耗，推薦實(shí)施雙端面干氣密封改造，從設(shè)備本體上消滅密封氣泄漏，一次性解決放空問題，通過采用帶回收裝置的干氣密封控制系統(tǒng)，可將密封氣消耗的工藝氣大部分回收到壓縮機(jī)入口，降低了天然氣的消耗量，減少了生產(chǎn)成本。

4.2 容器放空氣回收技術(shù)

對于輕烴儲罐、閃蒸罐、壓力排污罐等容器，均可通過較小的流程改造，將放空氣引入裝置入口，回收放空氣的同時提高了生產(chǎn)裝置的經(jīng)濟(jì)效益。改造投資不高，投資效益較大，年可回收天然氣210×104m3。

4.3 閃蒸氣回收技術(shù)

目前，徐深9凈化廠一期裝置將閃蒸氣進(jìn)行燃燒，雖然節(jié)約了燃料氣，但并未從根本上將閃蒸氣全部利用。通過在二期裝置建設(shè)閃蒸氣增壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)將凈化裝置尾氣回收，增壓后返回吸收塔進(jìn)一步處理，此后將繼續(xù)開展此方面的研究，讓該技術(shù)能夠適應(yīng)更多工況。

5 結(jié)束語

裝置生產(chǎn)過程中的放空氣既浪費(fèi)了原料資源，又會對自然環(huán)境產(chǎn)生不良影響，因此對生產(chǎn)裝置放空氣進(jìn)行回收意義重大。大慶天然氣分公司針對放空氣產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析，通過大量數(shù)據(jù)調(diào)研，找準(zhǔn)杜絕或減少放空氣的切入點(diǎn)，主要通過技術(shù)改造和優(yōu)化運(yùn)行的方式，沒有對主要流程進(jìn)行大范圍改造，既減少了投資，也降低了運(yùn)行風(fēng)險。重點(diǎn)介紹了雙端面密封技術(shù)改造在已投用壓縮機(jī)上的應(yīng)用以及通過優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行回收放空氣的研究，其已在企業(yè)中實(shí)際運(yùn)行，并取得良好效果，這些技術(shù)措施是企業(yè)成功實(shí)踐的經(jīng)驗，同時總結(jié)了其他可行的裝置放空氣治理方案和技術(shù)路線應(yīng)用技術(shù)的實(shí)踐，既為同行業(yè)的其他油氣初加工企業(yè)技術(shù)改造實(shí)踐提供借鑒，又節(jié)約了能源并對環(huán)境保護(hù)作出了貢獻(xiàn)。