站場放空火炬系統(tǒng)優(yōu)化及改造

陳玉梅 任建紅 薛文奇 李尹建 李 唯

1. 中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

0 前言

站場放空火炬系統(tǒng)是天然氣站場的重要部分之一，其完善與否關(guān)系到輸氣管道和場站裝置的平穩(wěn)運行及人民生命財產(chǎn)的安全。站場放空火炬系統(tǒng)由放空立管和放空點火設(shè)施組成，主要功能是在站場檢修、系統(tǒng)超壓或發(fā)生事故時進行天然氣放空，要求在正常生產(chǎn)或事故狀態(tài)時的放空天然氣能夠及時、安全、可靠地通過放空火炬排放燃燒，保證生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，保護周邊生態(tài)環(huán)境，其燃燒廢氣各項指標符合國家及當?shù)丨h(huán)保排放標準。

隨著各類大型氣田的開發(fā)建設(shè)，在處理量大、壓力高、酸性介質(zhì)含量高及系統(tǒng)復(fù)雜的天然氣工程設(shè)計中，泄放系統(tǒng)設(shè)置問題愈加突出，而國內(nèi)相關(guān)標準規(guī)范對集輸、長輸管道工程泄放系統(tǒng)均未作詳細要求，造成放空火炬系統(tǒng)設(shè)置不統(tǒng)一。目前國家安全要求日益嚴格，使放空系統(tǒng)的配置也越來越完善。本文結(jié)合土庫曼斯坦某工程站場放空火炬系統(tǒng)設(shè)置實例，分析運行的可靠性、安全性，并對其進行優(yōu)化設(shè)計和實施改造。

1 國內(nèi)站場放空火炬系統(tǒng)配置

1.1 功能設(shè)置

放空火炬系統(tǒng)一般用于設(shè)備檢修和緊急狀態(tài)下的天然氣放空，是保障工藝裝置安全生產(chǎn)的輔助設(shè)施，以減少放空天然氣對環(huán)境的污染，主要由放空管線、放空分液罐和放空火炬或放空立管組成。氣田集輸站場工程放空火炬系統(tǒng)一般設(shè)有火炬筒體、火炬頭、阻火設(shè)施（分子封/速度封/水封/阻火器）、點火設(shè)施（長明燈、點火系統(tǒng)）[1]。

1.2 火炬筒體

放空火炬筒體的尺寸根據(jù)放空量計算確定，為保證放空天然氣的充分燃燒，泄放時馬赫數(shù)Mach一般不超過0.5。在處理量大、壓力高的工況下，可采用高壓音速火炬，以減小放空火炬筒體直徑，但背壓增高，放空管線壓力等級將會增加，因此需根據(jù)工程具體的放空量，從經(jīng)濟、操作上進行綜合確定。

1.3 阻火設(shè)施

站場放空火炬阻火設(shè)施一般可選擇設(shè)置阻火器或分子封（或速度封），后者需要的配套系統(tǒng)較多。采用阻火器時，應(yīng)選用阻爆轟型阻火器，若放空天然氣中雜質(zhì)較多，應(yīng)設(shè)帶有爆破片的旁通放空管線，以防止阻火器堵塞后放空系統(tǒng)憋壓[2]。

1.4 點火設(shè)施

點火設(shè)施一般為自動電點火和手動點火；長明燈主要用于點火裝置的輔助點火。自動電點火有高空電點火系統(tǒng)、外傳火電點火系統(tǒng)、地面爆燃式內(nèi)傳火電點火系統(tǒng)三種方式，視工程具體情況可設(shè)置一種或兩種點火方式；SH 3009-2013《石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[3]規(guī)定，火炬頭點火燃燒器的數(shù)量與火炬筒體直徑有關(guān)，筒體直徑越大，所需點火燃燒器數(shù)量就越多，不宜少于2個，應(yīng)根據(jù)火炬筒體的直徑配置點火燃燒器數(shù)量。

實際工程中，對于放空量較小、人煙稀少的地區(qū)，也可能存在氣體不經(jīng)過燃燒直接放空，但前提條件是不造成環(huán)境污染和人身危害。

對于高含硫天然氣放空系統(tǒng)一般均設(shè)可靠、全自動的電點火設(shè)施、長明燈、火焰監(jiān)測及熄火報警，保證放空天然氣的安全排放。

2 改造實例

2.1 工程概況

土庫曼斯坦某工程氣井均為高含硫氣井，H2S含量4.5%（x），站場設(shè)計規(guī)模200×104m3/d，設(shè)計壓力12 MPa。單井工藝流程從井口采氣樹接出原料天然氣，經(jīng)井口節(jié)流閥，節(jié)流至10.5 MPa 進入站內(nèi)工藝管道，通過氣、油、水混輸至天然氣預(yù)處理廠。單井雙翼均設(shè)有安全閥自動泄放功能，自井口節(jié)流閥后接出，安全閥前有一級球閥控制，再進入單井放空火炬。

目前該站場已建放空火炬系統(tǒng)設(shè)有放空分液罐、放空立管（高20 m、DN 700/DN 400）、阻火器、爆破片等設(shè)施，未設(shè)置自動電點火系統(tǒng)。H2S含量4.5 %（x）的高含硫原料氣，若在緊急情況下安全閥起跳后未進行點火燃燒，經(jīng)放空立管泄放直接排入大氣中，將造成環(huán)境污染和人畜中毒事故，風險極大。

另外，因原放空立管未設(shè)置點火設(shè)施，各站場未另設(shè)低壓凈化天然氣作為點火燃料氣氣源。

2.2 站場放空火炬系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

該工程現(xiàn)有放空火炬系統(tǒng)中放空火炬筒體、放空分液罐等工藝設(shè)備的設(shè)置均滿足相關(guān)標準規(guī)范要求，但未設(shè)置點火設(shè)施，放空天然氣未經(jīng)燃燒直接排入大氣，存在極大的安全隱患。對于高含硫氣田，為保證安全及保護環(huán)境，必須將排放氣中的H2S和可燃氣體引入火炬燃燒，排放的燃燒物中SO2濃度應(yīng)達到國家允許排放要求。

現(xiàn)有的放空管線上設(shè)置的阻火器及爆破片基本滿足阻火要求，能保護站場工藝裝置。根據(jù)SY/ T 0612-2008《高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[4]第5.5.3及5.3.4條和GB 50183-2004 《石油天然氣工程防火規(guī)范》[5]第6.8.7條規(guī)定該類放空天然氣應(yīng)引入火炬系統(tǒng)燃燒后排放，且應(yīng)有可靠的點火設(shè)施。

為消除安全隱患，有效規(guī)避風險，保證生產(chǎn)運行安全可靠，需對該站場放空火炬系統(tǒng)進行改造，增設(shè)自動電點火系統(tǒng)。

2.3 站場放空火炬系統(tǒng)改造

2.3.1 實施方案

站場放空火炬系統(tǒng)的改造，既要避免另外敷設(shè)低壓凈化燃料氣管線增加工程投資和施工周期，又要保證自動電點火系統(tǒng)的安全可靠，其實施方案關(guān)鍵點如下：

a）利用放空天然氣直接作為點火氣源，設(shè)置取氣裝置，保證點火氣源的可靠性。

b）放空管線上設(shè)置放空天然氣檢測元件，作為自動電點火系統(tǒng)的啟動信號。

圖1 改造后放空火炬電點火系統(tǒng)流程

c) 針對高含硫天然氣及特殊的點火氣源，設(shè)置2個高空點火燃燒器及火炬頭，以保證點火可靠及完全燃燒。

改造內(nèi)容包括：增設(shè)火炬頭、全自動高空電點火系統(tǒng)、火焰檢測以及檢修維護設(shè)施。改造后的單井站放空火炬電點火系統(tǒng)流程見圖1。

因放空火炬筒體已建成，改造增加了火炬頭及電點火系統(tǒng)部分元件，需要在原放空火炬筒體上焊接墊板、設(shè)置支撐，以便安裝操作平臺、爬梯等檢修維護設(shè)施。按現(xiàn)有火炬筒體條件及當?shù)丨h(huán)境條件核算，現(xiàn)有火炬筒體適應(yīng)改造后的工況。

改造增加的放空火炬電點火系統(tǒng)由火炬頭、點火燃燒器、防爆高空高能電點火器、取氣裝置、流量開關(guān)、壓力變送器、紫外線火焰監(jiān)測器、現(xiàn)場PLC防爆點火控制箱等組成，另外對原有的爆破片進行優(yōu)化，增加檢測元件及報警信號輸出。改造后的放空火炬系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程點火，也可在火炬區(qū)就地點火?；鹧姹O(jiān)測信號遠傳至站場控制室RTU，以便遠程監(jiān)視火炬燃燒狀態(tài)。

自動點火系統(tǒng)投用后，需要放空點火時，首先由設(shè)在放空主管線上壓力變送器或流量開關(guān)提供點火觸發(fā)信號（表明此時有放空天然氣），當控制單元檢測到點火觸發(fā)信號后，系統(tǒng)自動啟動點火程序：開啟燃料氣管道上防爆電磁閥組，同時接通防暴高空高能電點火器進行點火，在火檢單元監(jiān)測并發(fā)出“著火”信號后，表明主火炬已被點燃，點火成功，關(guān)閉相應(yīng)點火系統(tǒng)管線上的防爆電磁閥組。

當有不測因素導(dǎo)致火炬熄滅時，紫外線火焰監(jiān)測器發(fā)出“無火”信號，系統(tǒng)自動進入點火程序。當經(jīng)過3次（可現(xiàn)場設(shè)定）點火后，火炬仍未被點燃，則向站場控制室RTU發(fā)出點火系統(tǒng)故障報警，進行人為干預(yù)解除故障。

2.3.2 點火系統(tǒng)可靠性

a）在放空主管線出地面后與阻火器之間設(shè)置2路獨立的天然氣取氣管線，向2臺點火燃燒器供氣，提高取氣的可靠性。

b）火炬頭設(shè)置了破風柵欄，破風柵欄可破除小流量排放及較大水平側(cè)風作用時在背風處形成的卡門渦流，避免火焰被側(cè)風壓制燒毀火炬頭，解決低流量排放時易燒損火炬頭背風側(cè)的問題；同時大流量排放時又起空氣導(dǎo)流柵作用，有助于燃燒。該類火炬充分利用放空天然氣壓力高的優(yōu)勢，提升放空天然氣出口流速，增強放空天然氣與周圍空氣的相互擾動和摻混，卷吸周圍空氣提高完全燃燒的程度，形成一個較短的、剛性非常好的超穩(wěn)定火焰。

火炬頭采用耐熱合金310 SS。優(yōu)質(zhì)的耐高溫材料延長了高排放流速火炬頭的使用壽命。

c) 點火燃燒器安裝在火炬頭上，點火電極置于其下部，避開火炬頭部的高溫區(qū)域，提高了高空點火裝置的可靠性。

d) 以PLC構(gòu)成的自動點火系統(tǒng)，可進行火炬排放氣體的在線檢測、自動電點火程序控制、火炬火焰檢測、熄火報警及自動投運。

3 結(jié)論

站場高含硫天然氣的安全放空很重要，應(yīng)得到設(shè)計、建設(shè)及管理部門的足夠重視，其緊急和檢修置換放空天然氣應(yīng)引入火炬系統(tǒng)燃燒后排放，放空火炬系統(tǒng)的設(shè)置除應(yīng)符合GB 50183-2004《石油天然氣工程防火規(guī)范》和環(huán)保要求外，還應(yīng)有可靠的點火設(shè)施，主要包括火炬頭、電點火裝置、火焰檢測、自動控制系統(tǒng)。優(yōu)化改造后的放空火炬系統(tǒng)運行安全可靠，為新建或改擴建同類工程提供了參考，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]余 洋，黃 靜,陳 杰,等. 天然氣站場放空系統(tǒng)有關(guān)標準的解讀及應(yīng)用[J]. 天然氣與石油，2011, 29(5): 11-14.Yu Yang, Huang Jing, Chen Jie, et al. Interpretation and Application of Standards Relative to Flare Systems in Natural Gas Stations[J]. Natural Gas and Oil, 2011, 29(5): 11-14.

[2]胡 玲，關(guān)昌凱,唐大威，等. 天然氣凈化廠火炬放空阻火設(shè)施的設(shè)置[J]. 天然氣與石油，2011, 29(5): 28-30.Hu Ling，Guan Changkai, Tang Dawei, et al. Setup of Fire Arresting Device in Flare System of Gas Treatment Plant[J].Natural Gas and Oil, 2011, 29(5): 28-30.

[3]SH 3009-2001，石油化工企業(yè)燃料氣系統(tǒng)和可燃氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].SH 3009-2001, Specification for Design of Fuel Gas System and Combustible Gas Emission System in Petrochemical Enterprises[S].

[4]SY/T 0612-2008，高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].SY/T 0612-2008, Code for Design of Gathering and Transmission System in Highly Hydrogen Sulfide Gas Field[S].

[5]GB 50183-2004，石油天然氣工程防火規(guī)范[S].GB 50183-2004, Code for Fire Protection Design of Petroleum and Natural Gas Engineering[S].