海上油田火炬氣回收技術研究

張海兵，喬勝勇，孫海防，陳景峰，邱 爽，陳長欽

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

火炬在燃燒過程中，向大氣排放二氧化碳和其他有害氣體，既對環境造成一定程度的污染，也是一種資源浪費。隨著國家環境治理力度的加強，碳排放要求越來越嚴格，陸地石化企業一部分生產裝置已經實施了火炬熄滅項目。與陸地石化企業相比，海上油氣田由于其地理位置和相對特殊的運行環境，目前還無法實現火炬的“0排放”，因此針對海上油氣田火炬氣回收的可行性研究十分必要，也非常迫切。

本研究項目以渤海某油田為研究對象，將海上石油平臺排放的火炬低壓天然氣通過新增低壓壓縮機增壓，滿足其燃料氣壓縮機入口壓力要求后，與燃料氣一起經燃料氣壓縮機再增壓，為燃氣透平發電機供氣，以補充燃料氣缺口。

1 研究概況

渤海某油田中心平臺CEPA 通過棧橋與井口平臺APP連接，處理來自WHPAⅠ、WHPAⅡ油氣混合來液，APP平臺生產物流通過棧橋進入CEPA 生產系統。

APP平臺配備1臺天然氣壓縮機，增壓后的天然氣輸送到CEPA 平臺；兩平臺天然氣匯合后，作為燃料氣，供應透平發電機；同時，因燃料氣存在缺口，需要從外部天然氣海管補充天然氣，平均補氣約3×104Sm3/d。

APP平臺產生低壓伴生氣通過火炬分液罐排放到火炬燃燒，約0.34×104Sm3/d；CEPA 平臺產生低壓伴生氣，經閉排/火炬分液罐后，通過棧橋排放到APP平臺火炬燃燒，約1.46×104Sm3/d。兩平臺火炬放空低壓天然氣參數見表1。

由以上數據可以看出，火炬排放低壓天然氣回收，可有效補充CEPA 平臺透平燃料氣缺口，具有比較現實的需求。

表1某油田火炬放空低壓天然氣參數Tab.1 Low pressure natural gas parameters of flare in an oilfield

APP平臺及CEPA 平臺放空氣分析結果如表2所示。

表2 APP/CEPA放空氣分析數據Tab.2 Analysis data of air release of APP/CEPA

2 火炬氣回收工藝流程及關鍵設備

在APP平臺火炬分液罐和火炬總管之間設置水封罐。在火炬分液罐前火炬總管上引一路氣體到新增壓縮機，將壓縮機組出口管線接至伴生氣洗滌罐，經燃料氣冷卻器冷卻后，由APP平臺燃料氣壓縮機再次增壓后送入CEPA 平臺透平發電機。

火炬氣回收工藝流程見圖1。

2.1 火炬水封罐

使用火炬水封罐的目的是通過一定高度的水封建立起一定的天然氣背壓，保證壓縮機的安全運轉，同時起到確保防火炬回火的安全功能。

2.1.1 水封高度計算火炬設計最大流量41.3×104Sm3/d(數據取自平臺基設文件)，安全閥開啟最大背壓值236.767 kPaA，根據Flaresim 計算，此時火炬分液罐背壓值最高為167 kPaA。

模擬最大火區泄放時管線背壓，計算結果見圖2。

本方案擬新增臥式可調水封罐1套，在原來已有分液罐和火炬之間增設水封罐，考慮設置不同高度的水封，用以滿足回收火炬低壓氣建立不同背壓的需求，水封罐背壓最大值Pmax應滿足：Pmax≤(安全閥設定值×0.21-火災工況下安全閥壓力值)，即：

因此火炬水封罐背壓區間0～15.3 kPa，即水封高度必須在0～1530 mm，本次研究確定水封高度500～1000 mm(火炬氣背壓5～10 kPaG)。

根據計算選用水封罐尺寸為2000 mm(ID)×5000 mm(T/T)。罐內設置堰板、撇油槽及撇油泵，采用定期增加水封液位和撇油泵排放的方法撇油。

2.1.2 火炬氣回收在設定水封高度時(火炬氣背壓5～10 kPaG)，通過壓縮機入口分液罐壓力變送器控制變頻器及回流閥(設定壓力8 kPaG)，實現火炬氣回收；當火炬氣低于3 kPaG 或高于45 kPaG 時，壓縮機停止運行，回收系統關停。

圖1火炬氣回收工藝流程圖Fig.1 Flow chart of flare gas recovery process

圖2天然氣背壓計算Fig.2 Calculation of natural gas back pressure

2.2 回收壓縮機

根據放空氣特點、平臺現狀及后期維護等方面考慮擬選用滑片壓縮機，采用變頻+回流控制，壓縮機入口分液罐上設置壓力變送器，用壓力控制變頻及回流。對逐年放空氣量進行模擬，確定本次研究回收火炬低壓氣量波動范圍為500～20000 Sm3/d，回收量最初按500 Sm3/d，系統穩定后逐步調高回收氣量，最終實現全回收。

除了上述壓力保護關斷功能之外，同時在火炬主管設置超聲波流量計。當氣量小于1200 Sm3/d 并且持續時間達到10 s時，關停回收系統；當氣量回升，火炬總管流量持續10 s 以上大于1200 Sm3/d，可重新啟動回收系統。

2.3 火炬改造

更換現有長明燈為高能電點火器的長明燈，通過高壓導線及發弧裝置點燃長明燈。火炬長明燈長期點燃，確保出現火炬總管排放時能夠隨時點燃火炬。長明燈配套自動點火系統，一旦長明燈熄滅，控制系統自動啟動電點火裝置，重新點燃長明燈。選用氮氣作為火炬筒吹掃氣，以避免空氣進入火炬筒發生回火爆燃。

3 經濟效益分析

根據平臺資料，火炬低壓氣回收再利用改造，2020—2035年的總節氣量為4444.82×104m3，回收氣總價值為8889.65萬元。按照決策氣價參數評價，經濟年限至2021年收回成本，投資回收期1.44年，可減少二氧化碳總排放量為164014 t。

4 結論

通過對火炬氣的回收利用，可減少平臺的放空，降低有毒氣體和溫室氣體的排放量，減少資源浪費，提高經濟效益。本次研究分析得出如下結論：

①從火炬氣回收再利用的工藝流程、設備、控制儀表等方面分析本方案在技術上是可行的。

②通過火炬氣回收，補充燃料氣缺口可減少天然氣海管補氣量，提高經濟效益。預計2020—2035年可回收氣量4444.82×104m3，回收氣總價值為8889.65萬元。

③2020—2035年可減少二氧化碳總排放量為164014 t，有效減少溫室氣體的排放和對大氣的污染，具有一定的環境社會效益。