基于動態仿真的火炬氣回收系統超壓保護措施

馬晨波

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

火炬系統收集管網中來自不同設備單元的放空氣,經火炬臂送至火炬頭進行燃燒處理。這部分通過火炬燃燒的氣體常被稱為“火炬氣”,通常具有較高的熱值[1-3]。火炬氣的燃燒會加劇全球溫室效應,同時造成油氣資源浪費和經濟損失[4-6]。根據世界銀行在2023年3月發布的全球火炬氣跟蹤報告,2022年度全球火炬氣放空量高達139億立方米,中國排放量位居第10位,約占全球火炬氣總排放量的1.8%[7]。由多國政府、公司和多邊機構組成的全球天然氣減少空燒合作組織,要求在2030年務必終結火炬氣的連續放空,實現火炬氣“連續放空零排放”[7]。

根據放空情形的不同,火炬氣放空可分為連續放空和應急放空兩類[8]。連續放空通常是滿足工藝流程控制需求的放空,以及來源于設備的計劃關停、閥門泄漏、管匯吹掃、不合格氣排放等;應急放空則是出于對工藝設備的安全性保護,將系統中火災、堵塞等工況引發系統超壓的氣體放空,以保護相應的設備設施。火炬氣回收是油氣資源再利用、節能環保的有效方法。火炬氣回收應按照“應收盡收”的原則,盡可能將工藝流程中的放空氣全部回收。但由于應急放空具有時間不確定、流量變化大的特點,難以實現回收再利用。因此,火炬氣回收系統主要收集工藝流程中的連續放空氣,但該回收系統的設計同樣需滿足應急放空的要求。

火炬氣回收系統包含火炬氣回收再利用和超壓保護兩方面。已有大量學者對火炬氣回收技術展開了研究,并結合應用場景對比了火炬氣回收不同技術方案的特點。根據火炬氣回收技術特點主要分為氣液轉化[9-11]、發電[12-14]和增壓三類[15-17]。Rahimpour 等[15]針對伊朗南部的Asalooye天然氣煉化廠研究發現,相比于液化和發電,火炬氣增壓所需的投資成本更低。Mousavi 等[18]對比了增壓和發電兩種火炬氣回收方法,發現增壓回注是減少火炬氣的最優方法之一。Jokar 等[19]針對2個伊朗油田研究發現,增壓和發電對于小型和中小型工廠更為適用。火炬氣回收技術已在國內外部分油氣田進行了應用。Denney等[20]研究顯示,美國El Ebanito油田采用火炬氣回收技術回收的氣量每年可創收336 780美元。Peeran等[21]的研究報道表明火炬氣回收技術已在墨西哥原油儲罐、英國北海平臺、尼日利亞油田成功應用。Ainge等[22]介紹了沙特阿拉伯某天然氣廠采用射流器實現了354 m3/h火炬氣的成功回收。張紹謙 等[23]將射流增壓技術首次應用于渤海油田低壓氣的回收,預計全年低壓氣回收量可達365萬m3,減少碳排放約7 784 t。可見,現有關于火炬氣回收系統的研究,主要集中在火炬氣回收或再利用方面,而對于火炬氣回收系統的安全核心——超壓保護措施,目前的研究深度明顯不足。在Peeran等[21]的研究中,僅描述“應確保火炬氣回收系統的超壓保護可靠,且火炬氣回收系統中火炬支路的快速開關閥要在SIL 3等級以上”。API 521推薦做法[24]中明確了超壓保護措施及其安裝位置,但對于火炬氣回收系統的關鍵參數(如壓力高高關斷、開閥時間等)并未給出具體指導意見。可見,火炬氣回收系統超壓保護措施的關鍵參數缺少定量分析手段,僅停留在定性認識層面。本文以國內首個海上火炬氣回收系統示范應用項目——文昌9-7 海上鉆井生產平臺為例,采用K-Spice動態仿真軟件建立了火炬氣回收系統仿真模型,研究不同連續放空氣量和應急放空等工況下系統的超壓情況,提出了火炬氣回收系統的超壓保護方案,以期為后續火炬氣回收系統的設計提供參考。

1 火炬氣回收系統工藝流程

傳統火炬系統由火炬管匯、火炬分液罐和火炬組成(圖1a)。火炬管匯接收來自上游設備設施的火炬氣,經過火炬分液罐進行氣液分離后,氣相經過管線直接去往火炬,該管路上不設置閥門,因此火炬系統沒有壓力高高關斷(pressure alarm high-high,PAHH);分離的液相通過重力自留或泵增壓的方式送至下游。不同于傳統的火炬系統,火炬氣回收系統的工藝中(圖1b),經過火炬分液罐分離后的氣相則根據不同的泄放工況去往不同支路:①正常情況下,通往火炬支路的快速開關閥(emergency shutdown valve,ESD)處于關閉狀態、回收支路的ESD處于打開狀態,連續放空的火炬氣通過回收支路去往下游的回收裝置;②緊急情況下,應急放空的火炬氣經管匯進入火炬分液罐,當罐內壓力積聚到一定程度時,去往回收裝置的快速開關閥關閉,火炬放空支路的快速開關閥打開,應急放空的火炬氣去往火炬燃燒。為了確保系統能夠及時泄壓,火炬放空支路的快速開關閥作為火炬氣回收系統的一級保護措施,通常按照一用一備設計。對于火炬氣回收系統而言,PAHH的意義在于當火炬分液罐內壓力達到設定值時,回收支路的ESD關閉,同時火炬支路的ESD打開。爆破膜(pressure safety element,PSE)作為系統的二級保護措施,與快速開關閥并聯設置。為了防止火炬筒體倒灌空氣,火炬支路無排放情況下采用燃料氣或氮氣作為吹掃氣進行吹掃。

圖1 傳統火炬系統和火炬氣回收系統工藝流程示意圖

2 火炬氣回收系統動態仿真模型

2.1 系統基礎參數

火炬分液罐為氣液兩相分離器,其尺寸為3 600 mm(內徑)×7 400 mm(長度)。火炬氣來源可分為連續放空和應急放空兩類,連續放空量根據周邊平臺統計的實際放空量,結合本平臺工藝流程預估為400 m3/d;應急放空量是平臺壓縮機堵塞工況的最大放空氣量,為140×104m3/d。火炬氣組分見表1,火炬氣回收系統各管線尺寸見表2。

表1 火炬氣組分

表2 火炬氣回收系統各管線尺寸

2.2 火炬分液罐壓力設定

火炬分液罐屬于壓力容器的一種,參照QSH 3042規范[25]得到其設定值。火炬分液罐正常工況下操作壓力(operating pressure,OP)為10 kPa,壓力高高關斷(PAHH)為210 kPa,設計壓力(design pressure,DP)為460 kPa。PAHH是整個火炬氣回收系統ESD動作的重要判據,按照現行規范得到的火炬分液罐PAHH(210 kPa)設定值明顯偏高,會導致平臺流程中諸多低壓設備在事故狀態下無法及時泄放至火炬分液罐。因此,火炬氣回收系統的PAHH不能直接參照現行壓力容器PAHH推薦設定值來確定。

2.3 系統仿真模型

根據火炬氣回收系統工藝流程圖(process flow diagram,PFD)和設備設施的管道儀表流程圖(piping &instrument diagram,P&ID),在K-Spice軟件中建立了火炬氣回收系統動態仿真模型(圖2)。火炬氣回收系統壓縮機處理能力考慮設計裕量,將其設定為連續放空氣量的1.2倍,即壓縮機設計處理能力為480 m3/d。火炬氣動態模型入口采用流量邊界,出口采用壓力邊界,各節點的工藝參數根據質量-流量網格求解得到[26-27]。

圖2 基于K-Spice的火炬氣回收系統仿真模型

3 火炬氣回收系統超壓保護措施分析

火炬氣回收系統涉及連續放空和應急放空兩種工況。正常情況下,火炬氣回收系統將連續放空氣進行回收利用;當連續放空氣量超出回收裝置的設計能力時,火炬氣分液罐會出現憋壓情況,需進行超壓分析。針對應急放空,火炬氣回收系統設置有火炬支路ESD(一級保護)和爆破膜(二級保護),需根據平臺最大應急放空量對上述兩級保護措施進行定量分析,以確保系統安全。

3.1 連續放空流量對系統超壓保護的影響

目標平臺火炬氣回收系統正常運行時(分液罐內壓力 10 kPa,溫度 20.01 ℃)回收流量為400 m3/d,火炬氣的回收流量存在小幅波動,最大連續放空火炬氣流量不超過600 m3/d。因此,以正常工況(分液罐內壓力 10 kPa,溫度 20.01 ℃)為基礎,模擬分析不同火炬氣連續放空流量下(320～600 m3/d,間隔40 m3/d),火炬分液罐內的壓力變化情況。開始的0.5 h內,火炬氣回收系統穩定運行,分液罐內操作壓力為10 kPa;從0.5 h起,火炬分液罐入口流量分別變化至不同流量后維持不變,入口氣組分始終為連續放空氣組分。以壓縮機的設計能力(480 m3/d)為界限,分析火炬分液罐在不超過設計流量(≤480 m3/d)和大于設計流量(>480 m3/d)兩種情形的壓力變化情況。

當火炬氣系統入口流量不超過壓縮機設計流量時,壓力變化呈現出3種情形(圖3a):①當入口流量小于400 m3/d時,分液罐內壓力經歷“先降低后升高”的振蕩,最終穩定在10 kPa不變;②當入口流量介于400 m3/d至480 m3/d之間,分離器內壓力呈現出“先升高后降低”的振蕩,最終穩定在10 kPa;③入口流量為480 m3/d(壓縮機設計能力)時,分液罐內壓力迅速升高后逐漸降低,最終穩定在10 kPa。由此可見,當火炬氣分液罐入口流量不超過壓縮機設計流量480 m3/d時,分液罐內壓力最終都會穩定在原操作壓力10 kPa。

圖3 不同連續放空流量下火炬分液罐內壓力變化

當火炬分液罐的入口流量超出壓縮機設計流量時,罐內壓力呈現出“先快后慢”升高,最終基本穩定的變化(圖3b)。當入口流量為600 m3/d,火炬分液罐內操作壓力升高至38.5 kPa后基本穩定。因此,將連續放空情況下,最大入口流量下分液罐內的最高壓力作為火炬分液罐的PAHH,即PAHH為38.5 kPa。可見,目前QSH 3042規范推薦的PAHH設定值(210 kPa)明顯偏高,建議按照動態仿真所得火炬分液罐的PAHH設定值(38.5 kPa)調整系統的PAHH設定值,從而滿足平臺低壓設備的泄放背壓要求。

3.2 火炬支路ESD開閥時間對系統超壓保護的影響

火炬支路的ESD是火炬氣回收系統的一級保護措施,在連續放空正常流量變化范圍內保持關閉狀態;應急放空時,火炬分液罐內壓力積聚至PAHH時火炬支路ESD開始打開。火炬支路ESD的開閥時間對系統安全尤為重要,如果該ESD開閥時間較長,可能導致分液罐內壓力超過設計壓力無法有效保護容器,同時也會觸發爆破膜保護(一級保護與二級保護同時啟動,不相互獨立)。因此,需要確保在應急放空工況下,ESD打開后分液罐內最大壓力低于其設計壓力。

以火炬氣回收系統正常工況(分液罐內壓力 10 kPa,溫度 20.01 ℃,入口流量400 m3/d)為基礎,模擬分析了應急放空時ESD不同開閥時間(基于火炬支路管線尺寸(表2),經咨詢廠家,分別設為15、20、25、30 s)下分液罐內的壓力變化情況(圖4a)。可以看出,在開始的10 s內,火炬氣回收系統穩定運行,入口流量保持400 m3/d不變,入口氣為連續放空氣組分(表1),火炬支路的ESD處于關閉狀態,回收管路ESD處于打開狀態;從10 s起,入口流量變為140×104m3/d并維持不變,入口組分變為應急放空氣組分(表1),分液罐內壓力經歷了“先升高、后降低,最終穩定”的變化。分液罐內壓力在21.1 s后達到PAHH時,火炬支路ESD開始打開,回收支路ESD開始關閉,壓縮機停機,其中回收支路ESD關閥時間為2 s。進一步分析不同火炬支路ESD的開閥時間對分液罐內壓力的影響:當火炬支路ESD的開閥時間為15 s時,分液罐內壓力在27 s達到最大值356 kPa,明顯低于分液罐設計壓力(460 kPa);當開閥時間為25 s時,分液罐內壓力在31 s達到最大值446 kPa,接近分液罐的設計壓力;當開閥時間為30 s時,分液罐內壓力在28 s達到463 kPa,已超過分液罐的設計壓力,最大值出現在33 s,為485 kPa。為了得到應急放空工況下ESD合理開閥時間的最大值,進一步調整ESD開閥時間試算得到:火炬支路ESD開閥時間為27 s時,分液罐壓力在32 s達到最大值460 kPa(火炬分液罐的設計壓力)(圖4b)。由此可見,火炬支路ESD開閥時間小于27 s可確保應急放空過程中分液罐內最大壓力低于分液罐設計壓力。

圖4 放空支路ESD不同開閥時間下的分液罐壓力變化

3.3 爆破膜選型對系統超壓保護的影響

一般地,火炬氣回收系統出現超壓情況,應由火炬支路的ESD泄壓保護。但火炬系統作為海上平臺安全保障的最關鍵系統,應慎重考慮其安全性。爆破膜作為火炬支路ESD的后備,是火炬氣回收系統的二級保護,同時也是該系統的最終保護手段。本研究中爆破膜起跳壓力與火炬分液罐設計壓力保持一致。以火炬氣回收系統穩定運行(分液罐內壓力 10 kPa,溫度 20.01 ℃)為基礎,模擬分析應急放空情況下,火炬支路ESD故障失效,分液罐內采用爆破膜泄壓保護的情況。開始的30 s內,分液罐入口流量維持400 m3/d,入口氣為連續放空氣組分,從30 s起入口流量變為140×104m3/d并維持不變,入口氣變為應急放空氣組分,分液罐內壓力迅速升高;當壓力達到分液罐PAHH時,火炬支路ESD故障關閉,回收支路ESD開始關閉,壓縮機停機;當壓力達到分液罐設計壓力時,爆破膜起跳開始泄壓。按照泄放面積從大到小依次針對4類爆破膜進行了超壓泄放模擬:Z、W、T、R型爆破膜泄放面積分別為 0.102 6、0.036 9、0.016 8、0.010 3 m2。

分析不同類型爆破膜泄壓時分液罐內壓力變化情況,可以看出:43 s時火炬分液罐內壓力達到設計壓力,爆破膜起跳進行泄壓保護;Z型爆破膜泄壓后,分液罐內壓力迅速下降最終穩定在139 kPa;W型爆破膜泄壓后,分液罐壓力下降后最終穩定在261 kPa;而R型和T型爆破膜泄壓時,由于泄放面積較小,導致應急放空過程中火炬分液罐內壓力沒有降低反而繼續升高,無法起到保護分液罐的作用(圖5)。可見W型和Z型爆破膜均能實現火炬分液罐泄放后降壓,但考慮到火炬分液罐內壓力對上游設備設施泄放時背壓的影響,同時兼顧火炬氣回收系統爆破膜起跳后應盡快降低分液罐內壓力,針對本文火炬氣回收系統,建議采用Z型爆破膜。

圖5 不同類型PSE泄壓時分液罐內壓力變化情況

文昌9-7海上鉆井平臺設計中結合上述關鍵參數形成了一套完整的火炬氣回收方案。目前該平臺作為國內首個海上火炬氣回收系統的示范應用項目,已進入建造階段,其火炬氣回收系統的應用將實現該平臺“常規零排放”,預期回收火炬氣氣量可達13萬立方米/年以上,碳減排效果顯著。

4 結論及建議

1) 對于火炬氣回收系統,分液罐PAHH設定值應根據連續放空氣量變化情況來確定。本研究項目依據現行規范推薦的PAHH設定值為210 kPa,明顯偏高,應調至38.5 kPa,以確保超壓值不高于分液罐設計壓力又滿足平臺低壓設備的泄放背壓要求。

2) 應急放空工況下,為了確保火炬回收系統超壓值不高于火炬分液罐的設計壓力,同時確保一級保護和二級保護相互獨立,需根據超壓情況確定火炬支路ESD合理的開閥時間。本研究項目火炬支路ESD的開閥時間應小于27 s。

3) 爆破膜作為火炬氣回收系統的最終保護措施,須確保火炬支路ESD故障時,應急放空過程中分液罐內壓力不超過設計壓力,同時爆破膜泄壓要考慮對上游設備設施泄放背壓的影響。本研究項目最終選擇Z型爆破膜。

4) 建議后續研究可結合平臺油氣工藝流程和設備設施情況,進一步明確火炬氣回收系統壓力變化對全平臺工藝系統的影響。