海洋油氣田高效節能智能火炬技術應用

姚蘭

（中海油能源發展裝備技術有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

目前，海上平臺所使用的火炬均采用傳統火炬，屬于典型的長明火炬。因投運時間較早，部分設計已不符合國家有關規范要求。且點火系統，檢測系統可靠性低；排放量較大、不節能、不環保。等離子火炬技術，為徹底熄滅長明火炬提供一套科學、安全、高效的解決方案。等離子火炬新技術，能夠保證火炬安全運行，能實現不再消耗點火燃料氣，最大可能降低密封氣體消耗（減少90%以上），實現節能減排和低碳運行。該項目的成功運用，推進了油氣行業數字化轉型，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。

1 海洋油氣田傳統火炬存在的問題

海洋油氣田傳統火炬存在的問題有：（1）地面爆燃和高空高能點火技術可靠性、穩定性較低，故障率高，點火難度大；（2）敞口火炬吹掃氣量較小時容易熄火，空氣易侵入、引起回火、爆燃、悶燒事故；（3）傳統火炬密封需要消耗大量燃料氣，存在能源浪費；（4）長明需要消耗大量的燃料氣，不僅造成能源浪費，還產生大量碳排放，污染環境；（5）點火控制系統無法實現遠程和全自動控制。

2 等離子火炬工作原理

等離子火炬采用高溫等離子點火、微正壓燃燒器、微正壓保持等技術的新型火炬，可在火炬放空瞬間或意外熄滅時，立即啟動等離子點火裝置、引燃排放氣體。當火炬放空時，燃燒器被空氣體打開，控制系統隨即啟動等離子點火，點燃并監控火炬燃燒火焰；放空完畢，燃燒器關閉，微正壓系統保持火炬微正壓安全狀態。保證火炬系統運行可操作性、可靠性、安全性（圖1）。

圖1

等離子火炬滿足海上工況，具有在火炬放空瞬間采用強等離子點火技術瞬時直接可靠點燃、在不防空時自動關閉燃燒器功能。火炬具有穩定燃燒功能，在12級以上臺風（風速≥32.7m/s）及特大暴雨(降雨量≥250mm/d）環境下正常工作、不熄滅。

2.1 等離子火焰點火技術

等離子體是物質固態、液態、氣態之外的第四態，高溫下的等離子體溫度可達數千至數億攝氏度，具有超高溫、強電離、催化燃燒等特性。宏觀上，高溫等離子體以等離子火焰的形式存在，微觀上是劇烈反應的高能帶電離子集合體。高溫持續等離子火焰溫度高達6000℃以上，高溫等離子火焰即為高溫等離子體，是氣體在強電場的激發作用下產生強電離、高溫、發光離子集團，其點火機理通過極高溫度、極高能量密度、強電離和快速催化速度點燃接觸的一切氣體，包括空氣、惰性氣體和可燃氣體。高溫等離子火焰點火具有可靠性高、穩定性強、壽命長、不受電蝕影響、可持續點火、具有超自然的抗風能力等優點，被稱為“吹不滅的火焰”。

在海洋油氣田將傳統點火系統更換為微正壓主動分支燃燒器，并具備燃燒器開關狀態檢測器和微正壓調節系統，微正壓調節系統由微正壓變送器及配套電動調節閥組構成，設計壓力為2 ～10kPa。點火裝置采用強等離子點火裝置，配備防爆等離子點火發生器、強等離子點火槍和等離子點火火焰檢測系統。

2.2 等離子火炬頭性能特點

等離子火炬頭采用自火炬頭下部分支結構的多管束式火炬頭，在分支根部設計自啟排閉裝置。結構類似安全閥結構，可調開啟壓力，進行分級受控開啟。安全閥結構是普遍采用的泄壓方式，是非常可靠的結構，具有本質安全屬性。材質選用316L 不銹鋼、耐高溫、耐腐蝕，可以長期可靠穩定運行。并且這個安裝部位位于火炬頭下方，遠離火焰，在運用的過程中沒有變形的現象。

等離子火炬頭相比傳統火炬頭增加了可調控功能，避免長期小排量工況對火炬頭的傷害，避免因排放量過小使火炬燃燒不穩定、冒煙、火焰下卷的問題。排閉裝置由排放氣流分級沖開，在強電弧點火器點燃，實現隨機燃燒。也可由控制系統依據風向選擇最有利的分支，優先開啟燃燒。

這種等離子火炬頭的壽命相比傳統火炬頭能延長幾倍，并且有個別損壞時，只需要更換個別小火炬頭分支。配件和維修費用也能降低幾倍。大大降低了長期運行費用，并且在海洋油氣田環境鐘使用更安全、更可靠、更經濟、更環保。

2.3 等離子火焰檢測

等離子火焰監測技術采用兩種方式，一種是熱電偶測溫，另一種是紫外火焰監測。這兩種方式在海上平臺都十分適用，熱電偶測溫是對熱電偶進行核實的安裝、定位和配置合適保護管，控制合理的測溫值，在配合智能控制系統的趨勢判斷能力，可實時監測火焰情況；紫外線火焰檢測是通過火焰傳感器遠距離進行遙控測試，這種傳感器只對明火火焰敏感，對高溫和陽光、燈光均不響應，不敏感，遠離火焰進行遙測，避免被污染和燒毀，因此時目前最理想的火炬火焰檢測方式。

2.4 火炬自控安全連鎖報警

等離子火炬的所有檢測、控制、報警有一套PLC 系統完成，PLC 安裝在帶有溫度調節功能的防爆控制箱內，布置在原有火炬操作盤上。PLC 具備與總（分）控制室通訊功能。可以控制室內遠程操作、監視、處理報警。

PLC 配置功能：依據風向標信號，在火炬氣達到排放壓力時，擇優選擇下風位火炬分支開啟；

開啟小火炬的同時輸出對應的自動點火器進行精準、瞬時點火；檢測火焰情況，火焰趨于失效風險時，啟動自動點火；火焰失效報警；點火器、火焰檢測聯合自檢，失效報警；密封氣體壓力（或流量）低限報警；火炬管道壓力異常報警；PLC 系統運行故障自檢、報警；遠程、就地操作切換；現場應急手動、硬手動啟動小火炬和高空點火器；遠程通訊。

3 國內海上油氣田放空火炬未來發展趨勢

等離子火炬成功在油氣田上的運用，徹底熄滅長明火炬。在無放空下，不再有長明燈和火炬主火，從而可100%節約點火器長明燈燃料和吹掃氣燃燒，在有少量放空時，可自動調節，將放空氣體點燃燒掉，在大量放空時，自動調節至100%，將放空氣體可靠點燃并燃燒，對氣田長期有大量排放氣體的火炬，可增加壓縮回收撬將放空氣體回收，保持火炬完全熄滅，節約幾乎100%的點火器長明燈、吹掃氣和放空氣。每天節約氣量約3000m3左右，每年火炬可減少維修維護成本約10 萬，若加上節約燃燒價值，可節約210 萬以上生產運行成本。減少天然氣排放燃燒量，減少二氧化碳排放約3000t，對大氣環境保護具有重大的意義，可實現節約燃燒氣能源的同時，具有很顯著的降低碳排放功能。

等離子火炬在南海東部海域適用性改造的成功，為中國海洋石油油氣開發綠色低碳轉型提供有效途徑。消滅了長明燈后，節約運行成本效果顯著。在安全、環保、節能等方面發揮了重要作用，提高了火炬安全性、節能減排、方便操作、減少維護成本，取得良好的經濟效益和社會效益，為海洋石油油氣綠色經濟發展做出貢獻。

4 結語

隨著國內經濟的迅猛發展，推進數字化轉型和智能化發展是貫徹落實習近平總書記重要指示精神和黨中央相關決策部署的必然要求。我國是世界能源生產第一大國，同時，能源產業面臨“雙碳”目標約束下的綠色轉型、傳統能源和新能源的供需不匹配等多方面挑戰。順應能源革命與數字革命深度融合發展趨勢，加快利用智能化通信技術，不斷推動數字化和智能化升級已經成為貫徹國家“雙碳”戰略的重要方式。能源行業加速數字化轉型，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，已成為全球油氣行業的共識和發展方向。等離子火炬在海洋油氣田上的應用，與國家節能減排，綠色經濟發展，實現“碳達峰碳中和”目標相符合，對提高企業經濟效益和社會效益具有重要的意義。