油田火炬管網系統設計及優化研究

薛超 吳昊 何懿倫 朱德聞

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

油田聯合站是油田生產的中樞，主要目標是通過油氣處理設施生產飽和蒸氣壓、含水率等指標合格的原油及壓縮副產的伴生氣并外輸進行綜合利用[1-3]。為實現不同的工藝目的可以將聯合站的所有工藝流程分為原油處理系統、伴生氣壓縮系統、原油儲存系統等。原油處理過程中在油氣系統超壓、設備檢修或聯合站出現火災、油氣泄漏等緊急工況時，均需將裝置中大量的伴生氣排放至火炬管網系統以降低系統壓力，保障現場操作人員和設備安全[4-5]。

聯合站泄放源位于不同工藝系統，其排放介質組成、溫度、壓力、泄放量均不相同。在保證安全和泄放需求的前提下降低固定投資，需將泄放源分類，對火炬管網所連接的所有泄放源進行工況分析，得出該火炬泄放系統的最大泄放工況[4-7]。借助Aspen Flare System Analyzer 軟件進一步對整個火炬泄放系統的主匯管及支管尺寸進行設計和核算[8-9]，確?；鹁嫘狗畔到y滿足API STD 521—2020 《減壓和泄壓系統》、API STD 520—2020《煉油廠泄壓裝置定徑、選擇和安裝》[10-11]標準的要求。此設計依托國外某油田的火炬系統，對火炬管網系統進行工藝設計及優化研究。

1 油氣處理工藝流程

國外某油田原油設計產量為每天20×104bbl，伴生氣設計外輸量為480×104m3/d（標況，下同）。油氣處理流程如圖1 所示。含水原油首先進入一級分離器（1.1 MPa(G)下同，50 ℃）進行一次油氣水分離。一級分離器處理后原油加熱至105 ℃并減壓至0.3 MPa 后，進入二級分離器進行二次油氣水分離。二級分離器處理后原油再減壓至0.02 MPa后進入穩定塔（0.02 MPa，100 ℃）閃蒸后，合格原油從出口進入原油儲罐儲存或外輸。穩定塔塔頂伴生氣（0.02 MPa，100 ℃）經穩定氣壓縮單元（共2 套，每套設計壓縮量1.25×104m3/h）壓縮冷卻后（0.3 MPa，60 ℃）與二級分離器產生的伴生氣（0.3 MPa，120 ℃）匯合進入低壓壓縮機單元（共1 套，每套設計壓縮量3.333 3×104m3/h）。經壓縮冷卻后（1.1 MPa，60～65 ℃）與一級分離器伴生氣（1.1 MPa，50 ℃）匯合進入高壓壓縮機單元（共3 套，每套設計壓縮量6.666 7×104m3/h）。經壓縮冷卻后（4.7 MPa，60～65 ℃）外輸至用戶。

圖1 聯合站油氣處理工藝流程Fig.1 Oil and gas treatment process flow of the multi-purpose station

2 火炬泄放系統工藝優化

該油田火炬系統泄放源操作壓力范圍為0.0035～4.7 MPa，主要泄放方式可分為調壓放空（PV）、事故泄放（PSV）、緊急泄放（BDV），各閥門的最大背壓應小于最大允許背壓（約設定壓力的10%），常規流程中，各泄放源均公用同一火炬泄放系統。但部分情況下需多泄放源同時泄放。例如壓縮機投產前，一級、二級分離器伴生氣需要全量泄放至火炬系統，即PV-1A（1.1 MPa）和PV-2A（0.3 MPa）全量泄放，但原油儲罐操作壓力較低，若PV-4A 與PV-1A 處于同一火炬管網，需為PV-4A 提供巨大尺寸尾管和主匯管，以滿足呼吸閥PV-4A 背壓低于0.003 5 MPa 的需求，將極大增加項目固定投資（A、B、C、D 列的工藝參數均相同）。

針對以上問題，建議優化單火炬管網系統，根據泄放源壓力，劃分為高、低壓火炬雙管網系統，主要泄放源、泄放系統管網、排放物標況密度、泄放壓力和溫度、泄放量等參數如表1、表2 所示。

表1 高壓火炬管網系統泄放源Tab.1 Relief sources of high-pressure flare pipe network system

表2 低壓火炬管網系統泄放源Tab.2 Relief sources of low-pressure flare pipe network system

3 泄放工況分析

火炬系統泄放源較多，應首先分別計算各泄放源負荷，再分析同一管網中所有可能的組合泄放形式，進而確定設計泄放量和最大負荷。最大負荷并不一定是最大的排放量，最大負荷應是泄放介質流經整個處理系統時產生最大壓力損失的流量。對于高、低壓火炬雙管網系統，應按照高壓火炬泄放系統和低壓火炬泄放系統分別進行工況分析。

3.1 高壓火炬泄放系統

由于聯合站壓縮伴生氣的下游用戶需求量不穩定，因此存在1 臺或多臺壓縮機不運行，一級、二級分離器產生的伴生氣部分或全部泄放至高壓火炬系統的工況。

高壓壓縮機不運行時，低壓壓縮機也不運行。為了確定系統負荷，不需要假設互不相干的2 個或更多偶然事故同時發生。例如，無需考慮2 個不存在邏輯關系的安全閥同時起跳，無需考慮因火災導致2 個安全閥同時起跳，無需考慮2 個工藝設備距離460 m2以外的火災工況同時泄放。根據以上分析，高壓火炬系統可能的最大負荷工況如表3所示。

表3 高壓火炬泄放系統泄放工況Tab.3 Relief conditions of high-pressure flare relief system

3.2 低壓火炬泄放系統

聯合站壓縮伴生氣的下游用戶需求量不穩定時，存在只有1 臺或沒有穩定氣壓縮機運行的情況，穩定塔產生的伴生氣部分或全部泄放至低壓火炬系統的工況；不存在2 個安全閥同時起跳的工況。根據以上分析，低壓火炬系統可能的最大負荷工況如表4 所示。

表4 低壓火炬泄放系統泄放工況Tab.4 Relief conditions of low-pressure flare relief system

4 火炬管網尺寸設計

以該油田總平面布置圖、管線和儀表控制圖及配管初步3D 模型為基礎，通過Aspen Flare System Analyzer 火炬管網系統模擬計算軟件，分別建立典型站場高壓火炬管網系統（圖2）和低壓火炬管網系統模型（圖3）。

圖2 聯合站高壓火炬管網系統Fig.2 High-pressure flare pipe network system of the multi-purpose station

圖3 聯合站低壓火炬管網系統Fig.3 Low-pressure flare pipe network system of the multi-purpose station

對于多壓力泄放源的火炬管網系統，應根據各釋放源實際位置，分析每段管線的最大負荷和最快流速。當泄放流速過快時，泄放介質在流動過程中對截面的剪應力和管線的摩擦具有很大的沖擊力，破壞泄放管網的管線穩定性，甚至造成嚴重的安全事故。根據API STD 521—2020 《減壓和泄壓系統》中的規定，一般主匯管馬赫數應低于0.2，支管馬赫數應低于0.5。緊急泄放工況下，火炬泄放系統主匯管的馬赫數應低于0.5，支管馬赫數應低于0.7。

經計算，高壓火炬系統最大處理量為26.684 4×104kg/h，低壓火炬系統最大處理量為8.345 8×104kg/h，使用Aspen Flare System Analyzer 設計模塊確定高壓火炬管網主匯管尺寸為1 000 mm，低壓火炬管網主匯管尺寸為1 150 mm，高、低壓火炬管網模擬主匯管最大背壓和主匯管最大馬赫數如表5、表6 所示，符合標準中的規定。

表5 高壓火炬泄放系統泄放工況計算結果Tab.5 Calculation results of relief conditions for high-pressure flare relief system

表6 低壓火炬泄放系統泄放工況計算結果Tab.6 Calculation results of relief conditions for low-pressure flare relief system

5 極端泄放工況校核

高、低壓火炬管網在極端工況下的泄放應保證各安全閥泄放源的連接支管最大馬赫數均小于0.7的流速要求，同時還要考慮到泄放過程中在泄放源處的最大背壓。泄放源的泄放量在進行計算時，最大泄放量是以其最大允許背壓為前提的，如果泄放過程中背壓超過最大允許背壓，泄放源在極端工況下的泄放量將不能滿足泄放需求，被保護容器或流程依然將面臨超壓威脅。

最大馬赫數應為火炬管網壓力為常壓時，泄放源按設計泄放量泄放時的馬赫數；最大泄放背壓應為非事故工況的泄放量最大時，泄放源按設計泄放量泄放時的背壓。表7、表8 為火炬泄放系統極端泄放工況校核結果。

表7 高壓火炬泄放系統極端泄放工況校核Tab.7 Verification of extreme relief conditions for high-pressure flare relief system

表8 低壓火炬泄放系統極端泄放工況校核Tab.8 Verification of extreme relief conditions for low-pressure flare relief system

6 結論

以典型油田聯合站為例，通過泄放源分析、泄放工況分析和Aspen Flare System Analyzer 軟件對火炬泄放管網系統進行工藝設計和模擬研究，得到以下結論：

（1）如果泄放源壓力相差較大，應將火炬系統拆分為2 套獨立的火炬管網，分別泄放，可大幅降低裝置整體投資。

（2）各火炬管網應利用Aspen Flare System Analyzer 工藝設計和模擬，確認主匯管尺寸和支管尺寸，并保證火炬系統主匯管馬赫數應低于0.2，支管馬赫數應低于0.5。緊急泄放工況下，火炬泄放系統主匯管的馬赫數應低于0.5，支管馬赫數應低于0.7。

（3）火炬管網計算過程中，應依次進行泄放系統分析、泄放工況分析、火炬系統尺寸設計，并根據極端泄放工況對管網進行校核，確保連接支管最大馬赫數均小于0.7，最大泄放背壓均小于最大允許背壓。