國外某油氣集中處理站火炬系統(tǒng)升級改造方案分析

中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司

火炬系統(tǒng)作為油氣田站場的重要系統(tǒng)之一，是油氣田站場能否安全運行的重要保障，火炬系統(tǒng)的安全設(shè)計具有重要的意義。國外某油田一期地面建設(shè)工程于2012 年投產(chǎn)，建成原油處理規(guī)模為10×104bbl/d，設(shè)計來液含水率10%，伴生氣系統(tǒng)處理能力195 × 104m3/d。

站場后期增加了兩座3×104m3原油儲罐，并實施了先導氣舉等工程，但火炬系統(tǒng)未進行過升級改造。站場內(nèi)設(shè)置高低壓火炬系統(tǒng)各1 套，采用塔架共架的方式。已建高壓火炬設(shè)計規(guī)模190 ×104m3/d，已建低壓火炬設(shè)計規(guī)模24×104m3/d，其中低壓火炬系統(tǒng)主要收集脫氣塔塔頂氣、原油儲罐和撇油罐等排放壓力較低的泄放物，其他壓力較高的氣體泄放至高壓火炬系統(tǒng)。

1 生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的問題

國外某油氣集中處理站主要工藝流程如圖1 所示。已建高、低壓火炬系統(tǒng)流程簡圖如圖2 所示。

（1）火炬系統(tǒng)實際處理量超過其設(shè)計值。實際生產(chǎn)運行中，由于氣油體積比從原設(shè)計時的119 增加到實際運行的大約200，外輸氣量較少，二級分離器生產(chǎn)伴生氣進高壓火炬放空，一級分離器生產(chǎn)伴生氣除少部分進高壓壓縮機外輸外，大部分經(jīng)高壓火炬放空，經(jīng)核算目前高壓火炬系統(tǒng)可能達到的最大泄放量約為310× 104m3/d，遠超過其火炬系統(tǒng)的設(shè)計能力。低壓火炬系統(tǒng)收集泄放氣體多來自于略高于常壓的泄放源，所以設(shè)計背壓較低，僅為2 kPa，但在實際運行中由于氣油比增高，低壓火炬系統(tǒng)實際背壓升高，超過其設(shè)計最大背壓2 kPa，導致后來擴建的兩個3×104m3大罐密封氣的呼氣無法正常全部排進低壓火炬系統(tǒng)，經(jīng)常引起大罐罐頂真空呼吸閥對空呼氣，對罐區(qū)的環(huán)境造成了一定的影響。

（2）站場輻射熱偏高。火炬原設(shè)計時考慮站場內(nèi)各處理區(qū)的輻射熱均小于1.58 kW/m2，但實際運行時，由于實際泄放氣量遠大于火炬設(shè)計能力，站場輻射熱偏高，尤其是與火炬系統(tǒng)距離較近的導熱油區(qū)溫度較高。由于當?shù)叵募練鉁睾芨撸O端溫度達到55 ℃），導熱油區(qū)夏季的溫度最高時接近70 ℃，已影響到正常的巡檢和維護。

圖1 油氣集中處理站主要工藝流程Fig.1 Main process flow of oil and gas central process facilities

圖2 已建火炬系統(tǒng)流程Fig.2 Flow diagram of existing flare system

（3）火炬冒黑煙。由于火炬泄放氣體為油田伴生氣，加之站場原油系統(tǒng)在處理量高限運行，排放氣體組分較正常設(shè)計工況更重，火炬分液罐實際處理氣量超過其最大設(shè)計能力，使得火炬分液罐除液效果變差，火炬經(jīng)常冒黑煙。

2 油氣集中處理站改造

基于原油含水率提高及相關(guān)配套系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模的不足，另外由于實際生產(chǎn)運行中氣油比增高，伴生氣氣量增加，已超過伴生氣系統(tǒng)原有設(shè)計處理規(guī)模，決定對集中處理站進行升級改造。改造基于來液含水率提高至50%，保證原油處理規(guī)模10×104bbl/d 不變。原油系統(tǒng)需要將二級分離器替換為三相分離器，增加導熱油換熱器，增加污水處理系統(tǒng)設(shè)施以滿足含水率上升的要求。

本次升級改造工程考慮將站內(nèi)所有來氣增壓外輸至天然氣處理廠，需要新增加高、低壓壓縮機各2 套（包含備機），分別增壓一級分離器和二級分離器分出的伴生氣；增加穩(wěn)定氣壓縮機2 套（包含備機），回收脫氣塔塔頂氣。同時根據(jù)集中處理站現(xiàn)有運行情況對已建各系統(tǒng)進行升級優(yōu)化，包含火炬系統(tǒng)等其他公用系統(tǒng)。

3 火炬系統(tǒng)改造

3.1 改造原則

對已建火炬系統(tǒng)存在的問題進行分析表明，急需對油氣集中處理站已建火炬進行升級改造，新增高低壓火炬系統(tǒng)各1 套。火炬系統(tǒng)的升級改造遵循以下原則：①新增的火炬系統(tǒng)既要考慮減輕已建火炬系統(tǒng)負荷，同時還要考慮站場后期改擴建其他泄放源的接入；②火炬系統(tǒng)升級改造時應盡量減少對已建系統(tǒng)的改動，減少油氣集中處理站的停產(chǎn)時間；③盡可能遵循已建系統(tǒng)進老火炬，新建系統(tǒng)進新火炬的原則。

3.2 改造方案

新建火炬系統(tǒng)與已建火炬系統(tǒng)相互之間的運行方式是火炬系統(tǒng)升級改造方案的焦點，綜合改造原則和現(xiàn)場實際，提出了以下兩種方案。

圖3 方案一：新建火炬與已建火炬并聯(lián)運行Fig.3 Scheme 1：parallel operation of new flare and existing flare

方案一：新建火炬與已建火炬并聯(lián)運行，共用1 套火炬泄放管網(wǎng)（新建和已建火炬管網(wǎng)設(shè)置連通線），已建火炬系統(tǒng)和新建火炬系統(tǒng)分別配置獨立的火炬分液罐和火炬，在系統(tǒng)泄放時，通過火炬管網(wǎng)背壓來均衡進入已建和新建火炬的泄放量。方案一流程簡圖如圖3 所示。

方案二：新建火炬與已建火炬各自獨立運行，分別設(shè)置2 套火炬管網(wǎng)，已建火炬系統(tǒng)和新建火炬系統(tǒng)分別配置獨立的火炬分液罐和火炬塔架，新建火炬系統(tǒng)和已建火炬系統(tǒng)之間不設(shè)連通管線。方案二流程簡圖如圖4 所示。

圖4 方案二：新建火炬與已建火炬各自獨立運行Fig.4 Scheme 2：independent operation of new flare and existing flare

3.3 火炬系統(tǒng)設(shè)計方案對比

通過對高、低壓火炬各個工況進行分析，站場內(nèi)高壓、低壓火炬系統(tǒng)最大泄放量工況（表1、表2）為堵塞工況（一級分離器泄放考慮了未來的氣舉氣量）。

表1 高壓火炬最大泄放量工況Tab.1 Maximum discharge volume for HP flare

表2 低壓火炬最大泄放量工況Tab.2 Maximum discharge volume for LP flare

若采用方案一（已建火炬系統(tǒng)與新建火炬系統(tǒng)并聯(lián)運行），通過使用ASPEN Flare Analyzer（Flarenet）軟件進行模擬分析。Flarenet 軟件是火炬管網(wǎng)設(shè)計校核常用的計算軟件，其計算出的火炬管線尺寸能夠符合設(shè)計要求，對于系統(tǒng)的綜合分析可以提出安全可靠的技術(shù)方案[1]。模擬中需要通過調(diào)整新建管網(wǎng)控制進已建火炬的泄放量在其設(shè)計處理量以下，同時滿足背壓的要求，計算得到新建火炬的實際泄放量。

若采用方案二（已建火炬系統(tǒng)與新建火炬系統(tǒng)獨立運行），從火炬系統(tǒng)的主要泄放工況來看，氣油比升高主要影響的是一級分離器的氣量，因此將一級分離器的泄放源集中改造，接入新建高壓火炬管網(wǎng)，其他已建系統(tǒng)保持不變。后期新建設(shè)施除新增的低壓壓縮機系統(tǒng)泄放接入已建高壓火炬系統(tǒng)外，新建高壓壓縮機、氣舉壓縮機系統(tǒng)均接入新建高壓火炬管網(wǎng)。在最大泄放量工況下，已建和新建火炬系統(tǒng)的泄放量見表3。

表3 不同方案火炬系統(tǒng)最大泄放量Tab.3 Maximum discharge volume of flare system for different schemes

在方案一中，通過Flaresim 軟件模擬計算新建火炬高度為100 m，而已建火炬高度為60 m，新建火炬系統(tǒng)和已建火炬系統(tǒng)共用1 套火炬管網(wǎng)，兩個火炬設(shè)計規(guī)模不同，高度差明顯，可能存在流量分配不均衡的問題，尤其是泄放氣體相對分子質(zhì)量小，小氣量工況或者是緊急泄放后期，偏流將會更嚴重[2-3]。

3.4 規(guī)范要求

國內(nèi)外項目也有由于已建火炬系統(tǒng)運行存在問題，新建1 套完全相同的火炬系統(tǒng)與已建火炬系統(tǒng)并聯(lián)運行，或者建設(shè)初期就采用“一用一備”的火炬系統(tǒng)[4]，或者采用完全相同的火炬系統(tǒng)并聯(lián)，但是對于不同規(guī)模火炬的并聯(lián)運行可參考的項目很少。

ADNOC 公司兩套相同規(guī)模并聯(lián)運行的火炬共用火炬管網(wǎng)，實際運行中，其中一套火炬出現(xiàn)回火悶燒的現(xiàn)象。初步分析可能的原因是氣量小，氣體相對分子質(zhì)量小，只在火炬總匯管上設(shè)置了吹掃氣，吹掃氣存在偏流，且火炬筒底部也未設(shè)置水封罐。

TOTAL 企業(yè)規(guī)格書中《Pressure protection relief and hydrocarbon disposal systems》 第5.4.7 對火炬系統(tǒng)并聯(lián)運行進行了明確的規(guī)定：為了避免由于流量分配不均導致的其中一個火炬頭過載，而使另一個火炬筒出現(xiàn)部分真空的情況，不允許并聯(lián)運行的火炬系統(tǒng)共用火炬管網(wǎng)[5]。

國內(nèi)石化標準SH 3009《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)范8.2.2 中有如下的要求：對于同一個排放系統(tǒng)中有兩個或兩個以上火炬同時操作時，每個火炬均應設(shè)置水封罐，不同火炬水封罐的水封高度宜分層設(shè)置。主要是考慮同一個放空系統(tǒng)中兩個或兩個以上火炬同時操作時，不同火炬之間會存在壓力差，當火炬氣排放量較小時可能發(fā)生火炬之間的互吸現(xiàn)象而導致空氣進入火炬筒內(nèi)發(fā)生爆炸事故（含氫量較高時極易發(fā)生），因此火炬之間必須采用水封罐以阻斷氣體在火炬筒內(nèi)的倒流，分層設(shè)置水封高度有利于減少小氣量工況時火炬頭的悶燒問題[6]。

SHELL 企業(yè)規(guī)范《Design of Pressure Relief，flare and vent systems》第5.7.8.10.1 節(jié)中也認為水封罐是防止空氣倒流進火炬筒最好的密封措施，可替代水封罐的其他密封方式還有增加吹掃氣量[7]。

4 方案優(yōu)選

結(jié)合以上分析，方案一采用不同火炬并聯(lián)的方式，因兩個火炬之間存在壓力差，可能會發(fā)生火炬之間互吸現(xiàn)象而引起火炬筒悶燒。為了防止這種事故的發(fā)生，需要采取一定的措施，例如在已建和新建火炬筒底部加水封罐，或者在各自火炬筒底部加大吹掃氣的氣量等。方案一需要對已建系統(tǒng)改造點頗多，且對已建火炬系統(tǒng)增加水封罐較為困難，存在一定的風險，綜合以上考慮，不推薦采用方案一。

方案二采用已建火炬與新建火炬各自獨立運行的方案，新增高壓火炬采用音速火炬，不需要鼓風機助燃，也可以滿足無煙燃燒的要求，且其輻射熱低。音速火炬應用較為廣泛，火炬無煙燃燒效果很好。音速火炬頭通過增加氣體出口流速達到1 馬赫（300 m/s），火炬頭在燃燒區(qū)域可以吸收大量空氣，從而使燃燒更充分，輻射熱更低，火焰燃燒動量較高，火焰形狀筆直向上[8]。咨詢相關(guān)音速火炬廠家，其背壓可以低至70 kPa。由于采用音速火炬背壓提高，大大降低了新建火炬匯管尺寸；另外音速火炬不需要風機助燃，輔助設(shè)施少，降低了設(shè)備檢修量；對于同等規(guī)模的火炬采用不加風機助燃的音速火炬比采用加風機助燃的普通火炬經(jīng)濟成本要低。該方案高壓火炬系統(tǒng)主要改造工作量是將一級分離器連接的火炬匯管與已建匯管分開后整體連入新建火炬，同時由于提高了系統(tǒng)背壓，一級分離器安全閥需要由普通彈簧式安全閥替換成平衡波紋管式安全閥。將一級分離器泄放匯管引入新建高壓火炬系統(tǒng)后，由于主要泄放量集中在新建高壓音速火炬上，通過Flaresim 軟件計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可極大地降低站場導熱油區(qū)域的輻射熱和輻射溫度（極端溫度情況下低于65 ℃）。

新建低壓火炬系統(tǒng)允許背壓較低，通過采用風機助燃的方式滿足無煙燃燒的要求。方案二需要對已建低壓火炬管網(wǎng)進行改動，主要是將已建油罐（3×104m3）進火炬匯管整體接入新建低壓火炬匯管，降低已建低壓火炬系統(tǒng)背壓及泄放量。這樣新建低壓火炬系統(tǒng)接入的除了大罐呼氣系統(tǒng)外，其他均是新建和將要建的設(shè)施。油罐接入新建低壓火炬系統(tǒng)后，經(jīng)Flarenet 軟件核算，進火炬系統(tǒng)調(diào)壓閥背壓降低至1.4 kPa，可以正常排入新建低壓火炬系統(tǒng)，不會出現(xiàn)油罐真空呼吸閥打開的情況。

5 結(jié)束語

（1）油氣站場1 套泄放管網(wǎng)需要采用2 套火炬并聯(lián)進行放空時，盡量采用相同規(guī)模尺寸的放空火炬，并盡量保證對稱安裝，以便減小偏流及火炬負壓現(xiàn)象。

（2）2 套并聯(lián)運行的火炬系統(tǒng)共用1 套泄放管網(wǎng)時，需考慮設(shè)置水封罐，或者在火炬筒底部設(shè)置吹掃氣，并加大吹掃氣量，防止因偏流引起火炬互吸、悶燒現(xiàn)象。

（3）如必須采用2 套不同規(guī)格的火炬時，建議設(shè)置相互獨立的泄放管網(wǎng)和放空分液設(shè)施，分別與相應的火炬系統(tǒng)配套。

（4）對于高壓火炬，特別是對于放空量大的火炬系統(tǒng)，在背壓條件允許的前提下建議采用音速火炬，可以實現(xiàn)無煙燃燒，并大大降低火炬輻射熱，同時減小火炬匯管尺寸。