油氣加工裝置放空氣回收技術應用研究

紀寧

大慶油田有限責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、原油穩定、天然氣凈化、二氧化碳液化、產品銷售、天然氣長輸管道、儲氣庫建設管理于一體的專業化公司。主要生產資源型天然氣產品、輕烴和二氧化碳，承擔著為油田生產、工業用戶和城市居民提供原料和燃料的任務。由于建設工程不配套或設備存在技術缺陷，部分裝置存在長明燈現象，每年均有放空天然氣排入大氣無法回收。

根據國民經濟行業分類，油氣初加工行業屬于石油和天然氣開采業（B07），參照GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》要求，該行業自2023年1月1日起，對揮發性有機物排放實行新的控制要求，主要包括揮發性有機液體儲存、裝載排放控制、廢水集輸處理、設備與組件泄漏、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放空和間歇放空兩種形式。以深冷裝置為例，連續放空主要有壓縮機密封氣泄漏放空、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、壓縮機及輕烴泵啟停放空。根據測算，29 套生產裝置年放空量約482.6×104m3（表1），其中連續放空量217.5×104m3，間歇放空量約265.1×104m3。

表1 生產裝置天然氣放空量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，通過對現有壓縮機干氣密封結構改造為雙端面干氣密封，增設調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

按照GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》要求，油氣田放空天然氣應予以回收。不能回收或難以回收的，應燃燒后放空；不能燃燒需要直接放空的，應報生態環境主管部門備案。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保要求，需發展回收氣技術，其既符合環保又能創造效益，是油氣初加工企業今后的重點研究方向。

2.1 壓縮機密封氣回收技術

常用離心壓縮機密封形式為串聯式干氣密封，密封相當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）使密封系統內的動、靜密封環之間產生約3 μm 的氣膜，防止密封環磨損（圖1）。運行時一部分氣體進入工藝介質，一部分氣體（天然氣和氮氣的混合氣）經一級動靜環后進入干氣密封一級泄漏，泄漏量約10 m3/h(標況)，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 干氣密封結構Fig.1 Dry gas seal structure

通過研究壓縮機結構原理、工藝流程、運行參數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構改造、射流回收、增壓回收三種回收壓縮機密封氣放空的方法，取得了良好的效果。

2.1.1 雙端面干氣密封技術

為避免出現壓縮機一級密封氣泄漏，將串聯的單端面密封改為雙端面密封（圖2），其結構布置相當于面對面布置兩套單端面密封，兩個密封共用一個動環。采用氮氣作為阻塞氣體，控制主密封氣（氮氣）的壓力始終比工藝氣體壓力高0.2～0.3 MPa，通過主密封氣封住泄漏的工藝氣體[5-7]。

圖2 雙端面干氣密封結構Fig.2 Double end face dry gas seal structure

2020、2021 年在裝置上應用雙端面干氣密封，將一級泄漏口封堵，通過主密封氣（氮氣）封住泄漏的工藝氣體，隨前置密封氣一同進入工藝介質。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

射流回收工藝主要是將低壓氣體通過噴射式混合器轉變為高壓氣體后進入管網（圖3）。其中噴射式混合器是由噴嘴、吸入室、擴壓管三部分組成，工作時具有一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出，將壓力能轉變為速度能，吸氣區壓力降低產生真空，使被抽介質順利進入吸入室，兩股介質在擴散段內混合，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應用雙射流（串聯2個噴射混合器）回收。利用增壓機出口的高壓天然氣為工作流體，經過調壓至2.2 MPa 進入噴射器，將干氣密封泄漏氣吸入噴射器，然后進入壓縮機入口，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

增壓回收工藝主要分為兩種，一種是采用小型壓縮機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，將泄漏氣的壓力適當升高，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計工藝流程，利用增壓回收工藝回收密封氣應用在干氣深冷。干氣深冷除了壓縮機密封氣泄漏，還存在膨脹機密封氣泄漏，因此，使用增設壓縮機的方式回收泄漏的密封氣，主要工藝流程為原料氣壓縮機的密封泄漏氣和膨脹機密封泄漏氣進入緩沖器后經變頻螺桿壓縮機壓縮至1.0 MPa，由空冷器冷卻后進入原料氣壓縮機入口回收。回收裝置設計了變頻、回流、溢流調節系統，保證了回收裝置平穩運行，實現了小流量且不穩定密封氣的安全回收，應用后年回收放空氣約47×104m3。

2.2 容器放空回收技術

油氣初加工企業因為各種生產工況，經常產生容器放空，這些放空氣因量小和不可確定性，導致企業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境污染，給企業創造效益。

輕烴儲罐放空的一般工況如下：

（1）在夏季由于受環境溫度影響，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）個別裝置輕烴泵揚程低，下游儲罐壓力升高時需泄壓保證輕烴進入。

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，基本實現了輕烴儲罐零放空（表2、3）。

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

表3 減少放空量統計Tab.3 Statistics of reduced venting volume

2.3 閃蒸罐放空回收技術

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臺二次閃蒸罐實施了放空氣回收改造，新建管線將罐內放空氣引入氣處理裝置入口，經過運行觀察，沒有對裝置運行產生影響，改造基本實現了工藝要求，年回收放空天然氣21×104m3（表4）。

表4 優化后放空量統計Tab.4 Statistics of venting volume after optimization

2.4 壓力排污罐放空回收技術

現所有初加工裝置壓力排污罐均為充減壓運行方式，排液時需對其進行充壓，排液完畢后再將罐內氣體進行泄壓排放至火炬，其運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，將罐內放空氣引入氣處理裝置入口，經過運行觀察，沒有對裝置運行產生影響，改造實現了工藝要求，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計Tab.5 Statistics of reduced venting volume of pressure blowdown tank and flash tank

3 優化設備運行回收研究

裝置生產每年產生大量凈化裝置尾氣，考慮對這部分氣體進行回收，并且優化生產運行啟停機流程，進一步降低氣體放空。

3.1 徐深9閃蒸氣優化運行

徐深9 天然氣凈化3 套裝置閃蒸氣CO2含量約20%～23%（體積分數），年處理天然氣7×108m3，生產二氧化碳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備進行燃燒，節約了燃料氣消耗。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行進一步優化，通過徐深9三期工程建設閃蒸氣壓縮機，將一期、二期、三期閃蒸氣增壓后返回吸收塔循環吸收。預計日減少放空量最高1.15×104m3，全年預計回收天然氣115×104m3。

3.2 優化停機泄壓操作，降低放空量

停機分為計劃停機和故障停機，其中，計劃停機有檢維修停機和指令停機。檢維修停機時，需將天然氣泄放至火炬系統，指令停機和故障停機時可進行系統保壓。為減少泄壓操作方式，將高壓的天然氣通過調整外輸調節閥設定值、系統回流、充壓線等方式回到管網，將高壓氣降為低壓氣，然后再進行放空，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計Tab.6 Statisticsofnaturalgasrecoveryduringdevice maintenance

4 技術應用

4.1 壓縮機密封氣回收技術

天然氣壓縮機是天然氣裝置的核心，在實際運行中可以看出，通過雙端面干氣密封改造、射流回收、增壓回收均能實現密封氣回收的效果，但射流回收、增壓回收均需配套新設備輔助且都產生能耗，推薦實施雙端面干氣密封改造，從設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，可將密封氣消耗的工藝氣大部分回收到壓縮機入口，降低了天然氣的消耗量，減少了生產成本。

4.2 容器放空氣回收技術

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裝置的經濟效益。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

目前，徐深9凈化廠一期裝置將閃蒸氣進行燃燒，雖然節約了燃料氣，但并未從根本上將閃蒸氣全部利用。通過在二期裝置建設閃蒸氣增壓機可實現將凈化裝置尾氣回收，增壓后返回吸收塔進一步處理，此后將繼續開展此方面的研究，讓該技術能夠適應更多工況。

5 結束語

裝置生產過程中的放空氣既浪費了原料資源，又會對自然環境產生不良影響，因此對生產裝置放空氣進行回收意義重大。大慶天然氣分公司針對放空氣產生的原因進行深入分析，通過大量數據調研，找準杜絕或減少放空氣的切入點，主要通過技術改造和優化運行的方式，沒有對主要流程進行大范圍改造，既減少了投資，也降低了運行風險。重點介紹了雙端面密封技術改造在已投用壓縮機上的應用以及通過優化設備運行回收放空氣的研究，其已在企業中實際運行，并取得良好效果，這些技術措施是企業成功實踐的經驗，同時總結了其他可行的裝置放空氣治理方案和技術路線應用技術的實踐，既為同行業的其他油氣初加工企業技術改造實踐提供借鑒，又節約了能源并對環境保護作出了貢獻。