劉幫文，尚玉明，黃 粵

（中國石油吐哈油田分公司鄯善采油廠，新疆 鄯善 838202）

一、課題背景

丘陵聯(lián)合站火炬放空系統(tǒng)是在油田建設(shè)初期建成投用的，主要包括放空總管、火炬分液罐和主火炬。正常情況下，火炬放空天然氣的組成有原料氣壓縮機(jī)開停機(jī)切換排放、設(shè)備氣封氣正常消耗、工藝閥門泄漏、氣動調(diào)節(jié)閥泄漏以及火炬長明燈耗氣的需要，共計(jì)每天燃燒天然氣量約7 000~9 000m3。丘陵聯(lián)合站火炬放空系統(tǒng)流程示意圖見圖1。放空天然氣燃燒不僅會造成資源浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染大氣，急待消滅火炬放空。

圖1

二、回收工藝

吐哈油田針對火炬放空浪費(fèi)能源、污染環(huán)境的現(xiàn)狀，與某研究所合作進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

1.工藝簡述

火炬氣回收必須保證不破壞原有安全保護(hù)功能。其工藝路線是：正常運(yùn)行工況下，火炬氣經(jīng)火炬氣抽吸設(shè)備進(jìn)入天然氣回收系統(tǒng)，火炬氣回收后，火炬系統(tǒng)壓力隨之降低，可能發(fā)生空氣倒吸回火炬系統(tǒng)，需要增加阻止倒吸；事故運(yùn)行工況下，放空氣量增大，火炬回收設(shè)備無法回收所有氣體，火炬系統(tǒng)自動點(diǎn)火，安全放空燃燒。回收工藝流程示意圖見圖2。

圖2

2.設(shè)計(jì)參數(shù)

火炬總管壓力3～40kPa（表壓），火炬氣溫度-5～50℃，火炬放空氣量8 500m3/天（正常），172 000m3/天（最大）。

3.工藝流程

正常工況：火炬氣——火炬氣抽吸設(shè)備——進(jìn)輕烴回收系統(tǒng)；事故工況：火炬氣——分液罐——總管蝶閥——阻火器——自動點(diǎn)火裝置——點(diǎn)火燃燒。

4.主要工程量

該項(xiàng)目是在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)火炬放空氣的回收，改造過程中新增設(shè)備有鋼法蘭閘閥、差壓變送器、溫度變送器、氣動蝶閥、氣動調(diào)節(jié)閥、爆破片、火炬阻火器、FCS現(xiàn)場控制系統(tǒng)、通信卡FORSIEMENSS7、電磁閥、UPS不間斷電源、高空自動點(diǎn)火裝置。

三、技術(shù)研究與實(shí)施

1.電子調(diào)速技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場有一臺運(yùn)行中的低壓天然氣壓縮機(jī)，其進(jìn)、排氣壓力范圍及處理余量和抽吸火炬氣的條件接近，數(shù)據(jù)見表1。

利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)施技術(shù)改造。首先，利用現(xiàn)有管線連通火炬匯管與低壓天然氣壓縮機(jī)進(jìn)口，建立火炬回收的工藝流程。然后，為了適應(yīng)火炬系統(tǒng)低壓范圍，通過咨詢往復(fù)式壓縮機(jī)廠家，將進(jìn)氣壓力低限設(shè)定從5kPa降低到3kPa。技術(shù)的關(guān)鍵是壓縮機(jī)需要適應(yīng)11.5～18.5萬m3/天大范圍的處理量。利用現(xiàn)有的壓縮機(jī)回流工藝可以實(shí)現(xiàn)低流量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但是回流工藝將壓縮機(jī)出口氣體返回到入口維持進(jìn)氣壓力，從節(jié)能上是不合理的。此次技術(shù)改造將GOV10電子調(diào)速器替代了原機(jī)組手動機(jī)械液壓式調(diào)速器。GOV10是美國某公司針對天然氣發(fā)動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的一種高科技電子產(chǎn)品，它集成了先進(jìn)的測量、控制技術(shù)以及現(xiàn)代信息技術(shù)，近幾年廣泛應(yīng)用于各種天然氣發(fā)動機(jī)的調(diào)速控制。GOV10電子調(diào)速器在機(jī)組上配套技術(shù)應(yīng)用之后，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速能夠依據(jù)進(jìn)氣壓力自動調(diào)節(jié)，處理氣量范圍在4 800～7 700m3/h，滿足了火炬系統(tǒng)大范圍放空量的需要。

表1

圖3

2.壓力控制技術(shù)

火炬氣回收自動控制邏輯關(guān)聯(lián)圖見圖3。實(shí)現(xiàn)火炬氣回收，需要滿足兩方面工藝控制要求：一是能夠自動調(diào)節(jié)回收火炬系統(tǒng)天然氣；二是火炬系統(tǒng)有大量放空時能安全放空燃燒。控制技術(shù)由二臺氣動調(diào)節(jié)閥完成，分別是火炬氣回收調(diào)節(jié)閥和火炬總管蝶閥，控制方案如下： （1） 當(dāng)火炬總管壓力高于20kPa時，火炬氣回收調(diào)節(jié)閥打開，低壓天然氣壓縮機(jī)開始抽吸火炬氣； （2） 當(dāng)火炬系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高，達(dá)到40kPa時，火炬氣回收調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，停止抽氣，防止憋停低壓天然氣壓縮機(jī)； （3） 當(dāng)火炬系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高，高于50kPa時，表示低壓天然氣壓縮機(jī)沒有能力再抽吸火炬天然氣，火炬總管蝶閥自動打開放空燃燒； （4） 當(dāng)火炬系統(tǒng)壓力回落到5kPa時，火炬總管蝶閥自動關(guān)閉，當(dāng)檢測到火炬總管壓力高于20kPa時，火炬氣回收調(diào)節(jié)閥開始打開進(jìn)入抽吸火炬放空氣的狀態(tài)。

3.蝶閥密封技術(shù)

傳統(tǒng)的火炬密封為保證密封性能一般使用水封罐水封阻隔，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，蝶閥密封性能已經(jīng)達(dá)到火炬氣封的要求，該項(xiàng)目選用KOSO氣動蝶閥，該產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到美國ANSIB16·104-1976調(diào)節(jié)閥泄漏量Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)，泄漏量滿足小于20m3/h的要求（總管壓力50kPa的工況下）。選用蝶閥密封避免了水封罐冬季凍堵的可能。

選用蝶閥密封的同時，也安裝了爆破片和阻火器保證系統(tǒng)安全?；鹁鏆鈩拥y并聯(lián)爆破片旁通回路一套，以防止氣動蝶閥故障時火炬總管的通暢，從而達(dá)到保護(hù)站內(nèi)裝置和火炬系統(tǒng)的目的。設(shè)置火炬阻火器一套，氣體分級IIB級，選用波紋板式阻火器，材質(zhì)304SS。設(shè)計(jì)最惡劣工況下可有效防止火炬回火，產(chǎn)生的壓力降滿足火炬回收和正常排放的需要。

4.自動點(diǎn)火技術(shù)

自動點(diǎn)火裝置型號為DHS-B，由火焰溫度檢測、火炬壓力檢測、高能點(diǎn)火發(fā)生器、高壓電纜、抗蝕電極發(fā)弧裝置、電磁閥組、高空點(diǎn)火槍以及一套PLC系統(tǒng)組成。從安全方面考慮，自動點(diǎn)火裝置采用“雙保險”的一備一用的設(shè)置。另外，考慮到高壓電纜易被火炬點(diǎn)燃發(fā)生故障，項(xiàng)目施工過程對高壓電纜做了阻燃技術(shù)處理。

PLC系統(tǒng)設(shè)置西門子分布式現(xiàn)場總線控制，就地安裝在火炬區(qū)，并就近將火炬總管壓力信號、火焰溫度信號、火炬總管蝶閥開關(guān)位置以及高壓發(fā)生器點(diǎn)火動作、點(diǎn)火電磁閥等控制信號引入到該P(yáng)LC柜，實(shí)現(xiàn)自動點(diǎn)火。

點(diǎn)火方案是：根據(jù)火炬總管壓力信號判斷是否有天然氣排放，并根據(jù)長明燈的溫度信號決定是否發(fā)出點(diǎn)火信號。若火炬系統(tǒng)有天然氣排放，并且長明燈處于熄滅狀態(tài)時，點(diǎn)火控制單元將發(fā)出點(diǎn)火信號，打開燃料氣管線上的點(diǎn)火電磁閥，并觸發(fā)高空點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃高空點(diǎn)火槍。當(dāng)火炬熱電偶檢測到高空火炬已燃，點(diǎn)火控制單元將切斷燃?xì)怆姶砰y，停止點(diǎn)火，自動點(diǎn)火系統(tǒng)回到巡檢狀態(tài)。

四、實(shí)施效果

項(xiàng)目自2006年4月開始，2007年3月投運(yùn)，從此燃燒了13年的丘陵油田放空火炬熄滅。項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)用了多項(xiàng)國內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)，解決了壓縮機(jī)氣量自動調(diào)節(jié)、回收系統(tǒng)壓力自動控制、火高空自動點(diǎn)火等技術(shù)難題。特別是為了避免使用傳統(tǒng)水封罐帶來水的消耗和冬季凍堵等安全問題，首次大膽采用了大口徑蝶閥，成功實(shí)現(xiàn)了火炬系統(tǒng)密封。

該項(xiàng)目取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，項(xiàng)目改造一次性投資65.5萬元，實(shí)施后每天節(jié)約天然氣8 500m3，按照0.7元/m3計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益214萬元。該項(xiàng)目產(chǎn)生環(huán)保效益意義重大，項(xiàng)目實(shí)施后每年減少二氧化碳排量約6 825t。參考文獻(xiàn)：

[1]陳永江.火炬氣回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].石油化工設(shè)計(jì)，2002（3）.