油田儲罐揮發性有機物異常排放原因分析及治理建議

劉曉

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 技術檢測中心,山東 東營 257000)

當前階段,我國面臨細顆粒物(PM2.5)污染形勢依然嚴峻和臭氧(O3)污染日益凸顯的雙重壓力。為了深入貫徹習近平新時代生態文明思想,落實經濟高質量發展和美麗中國建設,生態環境部頒布了GB 37822—2019《揮發性有機物無組織排放控制標準》,針對揮發性有機物(VOCs)排放控制提出了一系列管控要求。同時,為促進陸上石油天然氣開采工業的可持續發展,頒布了GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業大氣污染物排放標準》,針對大氣污染物排放控制要求、檢測和監督管理等進行了明確規定。

目前油田聯合站內原油處理主要采用固定頂儲罐沉降的開式脫水處理工藝,在生產過程中,會有部分烴類氣體通過呼吸作用經呼吸閥揮發到環境空氣中。排放的烴類氣體組分主要為甲烷和VOCs(C2及以上的烴類氣體),甲烷是溫室氣體的主要組分,VOCs是生成PM2.5和O3污染的重要前體物,儲罐烴類氣體揮發不僅造成油氣資源浪費還存在環境污染問題。目前,油田固定頂儲罐配備了烴類氣體回收治理措施,但由于工況波動、裝置部件故障等原因仍存在VOCs超標異常排放現象。

為促進油田生態環境高水平保護及高質量發展,本文對三相分離器、儲罐呼吸閥、抽氣裝置等涉氣流程及裝置部件開展深入調研,分析儲罐揮發性有機物異常排放原因,并提出治理建議。

1 治理措施及檢測情況

1.1 儲罐揮發性有機物治理措施

目前油田聯合站固定頂儲罐一般配備儲罐抽氣、原油穩定等烴類氣體減排治理裝置。儲罐抽氣工藝主要是通過在罐頂連接集氣管線,將儲罐內烴類氣體進行收集、增壓,經干燥、脫硫后用作聯合站加熱爐燃料氣或輸送至天然氣集中處理站庫;聯合站儲罐罐頂及集氣管線匯管通過壓力表檢測氣相壓力,儲罐抽氣裝置與集氣管線匯管氣相壓力聯鎖控制,當匯管壓力高于設定值時抽氣裝置啟動,抽氣裝置設定開啟壓力小于呼吸閥開啟壓力,正常情況下呼吸閥不會排放烴類氣體。

原油穩定工藝是將脫水原油中的甲烷至戊烷等輕烴組分脫除出來,處理后的原油輸送至固定頂罐儲存,穩定輕烴輸送至壓力罐儲存,有效減少了原油儲存過程損耗及揮發性有機物排放。儲罐抽氣工藝見圖1,原油穩定工藝見圖2。

圖1 儲罐抽氣工藝流程圖

圖2 原油穩定工藝流程圖

1.2 呼吸閥作用及檢測情況

呼吸閥主要用于滿足儲罐大小呼吸通氣需求,通過進氣和出氣控制儲罐內部氣壓穩定在允許范圍,是保護儲罐安全、減少烴類氣體揮發的重要附件。

呼吸閥由閥體、正壓閥盤、負壓閥盤、阻火板等部件組成,通過閥盤的重量或彈簧張力控制儲罐內氣壓穩定。儲罐內液位上升、轉運或溫度升高等原因導致罐內氣相壓力升高,當壓力高于呼吸閥設定呼出壓力時(聯合站儲罐呼吸閥一般為+980 Pa),正壓閥盤打開,烴類氣體排放到大氣中;儲罐內液位下降或溫度降低等原因導致罐內氣相壓力降低,當壓力低于呼吸閥設定吸入壓力時(聯合站儲罐呼吸閥一般為-295 Pa),負壓閥盤打開,空氣進入儲罐;當罐內氣體壓力在呼出壓力、吸入壓力之間時,呼吸閥用于密閉儲罐,減少烴類氣體排放[1-2]。呼吸閥結構見圖3,剖面見圖4。

圖3 呼吸閥結構示意圖

圖4 呼吸閥剖面結構圖

《揮發性有機物治理突出問題排查整治工作要求》(環大氣〔2021〕65號)建議揮發性有機液體儲罐配備壓力檢測設備,要求罐內壓力小于50%呼吸閥開啟壓力時,泄漏檢測值不宜超過2 000×10-6。參照上述要求,以2 000×10-6作為呼吸閥異常排放認定濃度,選取8座聯合站儲罐呼吸閥開展VOCs排放情況檢測,并對其三相分離器、儲罐、抽氣裝置等涉氣流程開展調研。調研及檢測情況見表1。

表1 聯合站調研及檢測情況

2 揮發性有機物異常排放原因分析

2.1 聯合站來液

聯合站采用油氣水三相分離器分離氣相和液相,當來液穩定時,分離器內氣相、液相界面平穩,分離后的原油中含氣及儲罐液位穩定,儲罐氣相壓力上升趨勢平穩,抽氣裝置的運行可使儲罐中氣相壓力始終保持在呼吸閥開啟壓力以下;當來液增加時,如開新井、作業洗井等,分離器內液相界面上升導致原油停留時間減少,分離后的原油中含氣增加、儲罐液位上升,導致儲罐氣相壓力快速上升,抽氣裝置的運行不能及時降低儲罐氣相壓力,當高于呼吸閥呼出壓力時出現VOCs異常排放現象。

2.2 呼吸閥

表1中檢測結果表明,采用儲罐抽氣工藝的6座聯合站20個呼吸閥密封良好,8個呼吸閥在未達到設計開啟壓力+980 Pa時出現VOCs異常排放現象,且同一儲罐呼吸閥排放VOCs濃度存在較大差距,如1#聯合站一次罐、凈化罐等,分析原因為異常排放呼吸閥存在故障導致不能良好密封。

《石油儲罐附件 第1部分:呼吸閥》(SY/T 0511.1—2010)要求呼吸閥有效密封,但允許呼吸閥處于關閉狀態時存在泄漏,以0.75倍開啟壓力作為測試壓力時泄漏量應滿足表2要求。目前呼吸閥為年度校驗,對呼吸閥開啟壓力、通氣量和阻火器通氣量進行檢測,0.75倍開啟壓力條件下的泄漏量檢測。呼吸閥在使用過程中,不能確保密封性符合標準要求。

表2 不同規格呼吸閥允許泄漏量

現場拆解異常排放呼吸閥發現,呼吸閥閥盤密封材料為聚四氟乙烯,符合《石油儲罐附件 第1部分:呼吸閥》(SY/T 0511.1—2010)要求。但閥座、閥盤等部件存在油污、生銹等現象,導致呼吸閥不能良好密封。現場拆解圖見圖5、圖6。

圖5 呼吸閥閥盤及密封圈油垢嚴重

圖6 呼吸閥閥盤銹蝕

儲罐揮發氣體中存在大量烴類氣體和水蒸汽,烴類氣體中的重質組分遇冷后凝結,并與閥盤、閥座、導桿等部件上積聚的灰塵、雜質等混合沉積為油垢,油垢長時間積累可能導致閥盤、閥座之間密封不嚴或導致導桿粘連卡死在某個位置。

部分區塊原油中含硫,導致儲罐揮發氣體中含有硫化氫,硫化氫長期與閥盤、閥座等部件接觸產生表面氫蝕,導致呼吸閥密封不嚴。

2.3 儲罐抽氣裝置

2.3.1 抽氣裝置非正常運行

抽氣裝置啟動壓力根據儲罐內氣相壓力進行設定、調整,一般為+600 Pa;當集氣管線匯管壓力高于設定值時壓縮機啟動,收集儲罐內烴類氣體,但由于儲罐密封不嚴、阻火器堵塞、集氣管線積液等問題使儲罐氣相壓力傳遞至集氣管線匯管過程中出現壓損,導致抽氣裝置不能正常啟動,儲罐揮發性有機物出現異常排放現象。

儲罐密封不嚴。儲罐透光孔、量油孔由于鎖緊裝置、密封墊片等部件老化、損壞導致密封不嚴,烴類氣體在上述位置泄漏,罐內氣相壓力始終保持低數值,抽氣裝置不能正常運行。

阻火器堵塞。為保障儲罐安全運行,儲罐抽氣裝置集氣管線與罐頂連接處安裝有阻火器;調研發現,部分阻火器波紋板被油垢、鐵銹等阻塞,使罐內氣相壓力不能傳遞或經過較大壓損之后傳遞至集氣管線匯管,導致抽氣裝置不能啟動或不能及時啟動。

抽氣裝置集氣管線積液。儲罐抽氣裝置管線流程存在低點,儲罐揮發氣中水蒸氣在管線流程低點凝結、積累導致管線積液,需人工及時排液,才能保證抽氣裝置正常運行。

2.3.2 抽氣裝置運行頻率低

儲罐抽氣裝置運行頻率存在人工、自動兩種調節方式。人工調頻,工作人員根據集氣管線匯管壓力調節抽氣裝置運行頻率,人工調頻難以及時適應儲罐工況,當儲存液體來液量增加或環境溫度升高時,儲罐揮發氣量高于正常工況,抽氣裝置難以及時降低罐內氣相壓力;當罐內氣相壓力高于呼吸閥開啟壓力時,部分儲罐揮發氣體直接排放到環境空氣中。自動調頻,抽氣裝置根據匯管壓力自動調整運行頻率,快速及時收集氣體,可有效杜絕罐內氣相壓力高于呼吸閥開啟壓力。

1#、3#聯合站抽氣裝置為人工調頻,且裝置低頻率運行,罐內氣相壓力不斷上升;提高1#聯合站抽氣裝置運行頻率后,38 min后集氣管線匯管壓力降至+370 Pa。抽氣裝置調整前后運行參數見表3。

表3 抽氣裝置調整前后參數對比

2.4 原油穩定裝置

原油經穩定塔閃蒸后,甲烷至戊烷等輕烴組分被脫除,穩定后原油易揮發氣體較少,當儲罐及呼吸閥密封良好、罐內液位平穩、原油及環境溫度較穩定時,不會出現VOCs異常排放現象。7#、8#聯合站呼吸閥排放檢測結果與結論相符。

3 改進建議

針對儲罐VOCs異常排放問題,結合聯合站涉氣流程,提出以下改進建議。

1)及時更換故障呼吸閥。定期開展儲罐呼吸閥檢測排查,及時做好故障呼吸閥更換,優先減少環境敏感區內儲罐VOCs異常排放;建議更換低泄漏呼吸閥,如德國優秀產品不同型號呼吸閥允許泄漏量范圍為0.001 7～0.008 m3/h,遠低于國內標準要求0.04～0.40 m3/h[3]。

2)加強呼吸閥、阻火器定期檢查和日常維護。對呼吸閥、阻火器實行季度檢查制度,如遇特殊情況加密檢查、維護頻次,主要方法為檢查呼吸閥的閥盤、閥座、導桿、導孔、彈簧等部位是否存在銹蝕和油垢,油垢及時清潔,銹蝕及時送校驗機構檢測泄漏量,不符合標準要求時及時更換銹蝕部件;檢查閥盤的運行是否靈活,有無卡澀或者卡死現象,必要時對其進行整改或者修理;檢查閥盤壓蓋襯墊是否老化、安裝緊固,必要時予以緊固更換;檢查呼吸閥及抽氣裝置與罐頂連接處阻火器波紋板是否存在油垢、雜質、鐵銹堵塞,必要時可使用煤油、蒸汽吹掃等方法疏通,保證氣體正常進出暢通。

3)保障呼吸閥檢驗頻次及檢驗質量。結合相關標準及實際情況,將呼吸閥外觀、內部結構腐蝕情況、0.75倍開啟壓力條件下的泄漏量、通氣量、開啟及關閉壓力等指標納入檢測范圍,每半年開展一次呼吸閥檢驗,必要時開展不同檢驗機構能力比對測試,做好呼吸閥的校驗管理工作。

4)加強儲罐密閉管理。儲罐罐體應保持密閉,不應存在孔洞、縫隙,罐頂破損、穿孔部位應及時維修;儲罐附件開口(孔),除采樣、計量、例行檢查、維護和其他正常活動外應保持密閉,附件開口(孔)鎖緊裝置、密封墊圈等部件應定期維保、更換,確保儲罐密閉良好。

5)優化儲罐抽氣裝置流程。對抽氣裝置管線流程開展排查,針對壓縮機進口不是管線流程最低位置的儲罐抽氣裝置,優化、改造儲罐抽氣裝置管線流程,將壓縮機進口調整為管線流程最低位置,或增設儲液罐存儲管線積液,確保儲罐抽氣裝置高效運行。

6)實現儲罐抽氣裝置、儲罐智能化管理。對新建儲罐、儲罐抽氣裝置完善信息化設計,對在用儲罐、儲罐抽氣裝置進行信息化改造,將儲罐液位、罐內氣相壓力及集氣管線匯管壓力、儲罐抽氣裝置頻率、有效運行時率等運行參數納入信息化采集系統,實現儲罐、儲罐抽氣裝置自動監控、異常報警和自動變頻控制。

4 結論

建立健全綠色低碳循環發展經濟體系,促進經濟社會發展全面綠色轉型,是我國解決資源環境生態問題的基礎之策。近年來,國家陸續發布相關標準及要求,強調加強甲烷及VOCs協同控制。油田也將有效控制溫室氣體排放、實現VOCs的凈零排放作為推行綠色低碳戰略的重要目標。

原油儲罐氣體揮發是陸上石油天然氣開采行業甲烷及VOCs的重點排放環節,對儲罐甲烷及VOCs異常排放進行有效治理涉及聯合站來液、儲罐、呼吸閥、抽氣裝置、阻火器等多個環節的協同管理,采用低泄漏呼吸閥、抽氣裝置信息化、加強涉氣流程日常維保等手段,可有效管控儲罐甲烷及VOCs排放問題。