羅 煥 許明飛 王 端 劉 楊

(1.中國(guó)石油大港油田公司采油工藝研究院；2.中國(guó)石油大港油田公司第六采油廠)

0 引 言

為了深入貫徹習(xí)近平總書記“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的新發(fā)展理念，落實(shí)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系總體部署，石油行業(yè)針對(duì)油氣田企業(yè)VOCs排放和甲烷排放提出了一系列管控要求和行動(dòng)方案。同時(shí)，為促進(jìn)陸上石油天然氣開采工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部2020年頒布了GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，針對(duì)陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放控制要求、監(jiān)測(cè)和監(jiān)督管理等進(jìn)行了明確規(guī)定[1]。

目前油田聯(lián)合站內(nèi)原油處理主要采用大罐沉降的開式脫水處理工藝，大罐沉降主體采用的是固定頂儲(chǔ)罐，在生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)工況和環(huán)境溫度的變化，會(huì)有部分油氣烴組分通過罐頂呼吸閥的開啟動(dòng)作揮發(fā)到周圍環(huán)境中。揮發(fā)出的油氣組分主要含有甲烷和VOCs等，甲烷是形成溫室氣體的重要組分，VOCs是形成大氣污染物PM2.5和O3的重要前體物[2-4]，因此儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)不僅造成天然氣能源的浪費(fèi)還存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

為了促進(jìn)油田高質(zhì)量、綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，有必要開展聯(lián)合站儲(chǔ)罐VOCs治理對(duì)策研究，優(yōu)選新型撬裝化的油氣回收裝置，實(shí)現(xiàn)油氣站場(chǎng)密閉集輸，滿足規(guī)范中VOCs排放控制要求，消除聯(lián)合站能源浪費(fèi)和環(huán)保隱患等問題，打造綠色低碳的油田地面生產(chǎn)建設(shè)新模式。

1 聯(lián)合站儲(chǔ)罐運(yùn)行現(xiàn)狀

油田聯(lián)合站原油處理主體采用沉降罐沉降脫水工藝，原油沉降罐主要類型是固定頂儲(chǔ)罐，固定頂儲(chǔ)罐罐頂配套有安全附件——呼吸閥和液壓安全閥[5-7]。隨著儲(chǔ)罐生產(chǎn)工況的變化和周圍環(huán)境溫度的變化，儲(chǔ)罐液位不斷波動(dòng)，從而造成儲(chǔ)罐頂部氣相空間壓力上下波動(dòng)。當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)液量增加或者環(huán)境溫度升高時(shí)，罐內(nèi)氣相空間壓力升高，當(dāng)壓力超過呼吸閥設(shè)定呼出壓力(通常為+1 765 Pa)時(shí)，呼吸閥正壓閥盤被頂開，會(huì)有一部分油氣組分從罐內(nèi)溢出揮發(fā)到大氣中；當(dāng)儲(chǔ)罐出液液位下降或者環(huán)境溫度降低時(shí)，罐內(nèi)氣相空間壓力降低，當(dāng)壓力低于呼吸閥設(shè)定吸入壓力(通常為-295 Pa)時(shí)，呼吸閥負(fù)壓閥盤被頂開，罐外會(huì)有一部分空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐，防止儲(chǔ)罐內(nèi)真空度不斷升高而被吸癟；當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力在吸入壓力和呼出壓力范圍內(nèi)時(shí)，正壓和負(fù)壓閥盤均關(guān)閉，此時(shí)呼吸閥處于平衡狀態(tài)[8-9]。儲(chǔ)罐罐頂呼吸閥示意見圖1，呼吸閥壓力平衡時(shí)狀態(tài)示意見圖2。

圖1 儲(chǔ)罐罐頂呼吸閥示意

圖2 呼吸閥壓力平衡時(shí)狀態(tài)示意

目前，聯(lián)合站大部分固定頂儲(chǔ)罐均未配套罐頂氣回收裝置，隨著工況的變化，罐頂呼吸閥連續(xù)發(fā)生呼吸動(dòng)作，通過呼吸閥的開啟，儲(chǔ)罐不斷呼出油氣且吸入空氣，存在較大的油氣揮發(fā)損耗，也給油氣站場(chǎng)造成了一定的安全隱患。

2 存在問題

根據(jù)GB 39728—2020《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]，5.2條對(duì)揮發(fā)性有機(jī)液體(原油和2號(hào)穩(wěn)定輕烴)儲(chǔ)存排放控制要求[10]進(jìn)行了規(guī)定，見表1。

表1 原油和2號(hào)穩(wěn)定輕烴儲(chǔ)存特別控制要求(重點(diǎn)地區(qū))

①符合下列要求之一：

a)采用壓力罐或低壓罐；

b)采用固定頂罐，采取油罐烴蒸氣回收措施；

c)采取其他等效措施。

②符合下列要求之一：

a)采用浮頂罐。外浮頂罐的浮盤與罐壁之間采用雙重密封，且一次密封采用浸液式、機(jī)械式鞋形等高效密封方式；內(nèi)浮頂罐的浮盤與罐壁之間采用浸液式、機(jī)械式鞋形等高效密封方式；

b)采用固定頂罐并對(duì)排放的廢氣進(jìn)行收集處理，非甲烷總烴去除效率不低于90%；

c)采用氣相平衡系統(tǒng)；

d)采取其他等效措施。

按照規(guī)范要求對(duì)油田聯(lián)合站部分進(jìn)罐原油儲(chǔ)存溫度下的飽和蒸氣壓(真實(shí)蒸氣壓)進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知進(jìn)罐原油飽和蒸氣壓均大于5.2 kPa，飽和蒸氣壓較高、揮發(fā)性較強(qiáng)，進(jìn)入儲(chǔ)罐后呼吸損耗必然存在。根據(jù)儲(chǔ)罐運(yùn)行現(xiàn)狀，目前大部分儲(chǔ)罐罐頂未采取烴蒸氣回收措施，不滿足規(guī)范要求，需進(jìn)行VOCs治理。

表2 儲(chǔ)罐進(jìn)出口原油真實(shí)蒸氣壓檢測(cè)數(shù)據(jù)

同時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐呼吸閥呼吸損耗氣量進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)單具儲(chǔ)罐呼出氣量在600～1 300 m3/d之間。儲(chǔ)罐呼吸損耗受多種因素影響，隨著生產(chǎn)工況、來液溫度以及環(huán)境溫度的變化，呼吸氣量不斷發(fā)生波動(dòng)。鑒于目前高含水老油田生產(chǎn)現(xiàn)狀，儲(chǔ)罐的揮發(fā)氣量一般較小，但是變化波動(dòng)較頻繁。由于儲(chǔ)罐呼出氣量不穩(wěn)定，對(duì)于儲(chǔ)罐VOCs治理裝置選取具有一定的難度。

3 儲(chǔ)罐VOCs治理對(duì)策

3.1 治理對(duì)策優(yōu)選

固定頂儲(chǔ)罐VOCs治理可選擇不同的工藝措施，如固定頂罐改為內(nèi)浮頂罐、配套冷凝+活性炭吸附裝置、配套罐頂氣回收裝置等[11-13]。

固定頂儲(chǔ)罐改為內(nèi)浮頂罐工藝，在改造之前需進(jìn)行清罐、蒸罐等處理，根據(jù)油田聯(lián)合站儲(chǔ)罐運(yùn)行現(xiàn)狀，部分儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，罐體腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)罐體扭曲等問題，如果進(jìn)行改造投資較高，改造周期較長(zhǎng)，影響聯(lián)合站正常生產(chǎn)。因此，將固定頂儲(chǔ)罐改為內(nèi)浮頂罐工藝不具可行性。

冷凝+活性炭吸附工藝是利用VOCs氣體中不同有機(jī)組分在不同溫度下飽和蒸氣壓不同的性質(zhì)，通過逐級(jí)降溫對(duì)凝液回收，對(duì)于未冷凝氣體經(jīng)過活性炭吸附處理合格后排放。該工藝可以實(shí)現(xiàn)VOCs氣體達(dá)標(biāo)排放但是不能實(shí)現(xiàn)油氣資源全部回收利用，同時(shí)采用活性炭吸附劑，附有危廢產(chǎn)生，當(dāng)活性炭失活時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次污染。

罐頂氣回收工藝主要通過罐頂連接集氣管線將揮發(fā)氣進(jìn)行收集，收集后進(jìn)入回收裝置進(jìn)行增壓，增壓后接入站場(chǎng)內(nèi)已建天然氣系統(tǒng)用作燃料氣等使用。通過配套罐頂氣回收工藝既能滿足規(guī)范要求實(shí)現(xiàn)VOCs零排放，又能充分利用油氣資源，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)油田儲(chǔ)罐生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)狀，采用罐頂氣回收工藝更可行。

目前國(guó)內(nèi)油田應(yīng)用的罐頂氣回收工藝主要是大罐抽氣，采用壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，但是傳統(tǒng)的大罐抽氣工藝選用的壓縮機(jī)排量通常較大，適用于儲(chǔ)罐揮發(fā)氣量較大工況，并且配套的設(shè)備大多占地面積大，后期運(yùn)行維護(hù)量大、運(yùn)行成本較高[14-15]。根據(jù)目前油田生產(chǎn)現(xiàn)狀，儲(chǔ)罐揮發(fā)氣量較小但是波動(dòng)較頻繁，同時(shí)已建站內(nèi)改造位置較為有限，對(duì)于儲(chǔ)罐改造需尋求小型撬裝化的工藝裝置[16]。

3.2 新型VOCs治理裝置

1)裝置適應(yīng)性

根據(jù)油田儲(chǔ)罐揮發(fā)氣特點(diǎn)，選用新型撬裝式儲(chǔ)罐揮發(fā)氣增壓回收裝置適用于油田揮發(fā)氣量小、波動(dòng)變化頻繁工況。采用小型撬裝結(jié)構(gòu)，通過實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐罐頂氣相壓力和緩沖罐氣相壓力，采用氣相平衡原理智能控制系統(tǒng)的抽氣和補(bǔ)氣流程，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐揮發(fā)氣密閉回收系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)VOCs零排放。

裝置包括罐頂壓力檢測(cè)部分和地面撬裝設(shè)備部分。罐頂壓力檢測(cè)模塊包括壓力變送器、阻火器、切斷閥等；地面撬裝設(shè)備由緩沖罐、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、含氧分析儀、調(diào)節(jié)閥、控制系統(tǒng)等組成。整體撬裝結(jié)構(gòu)占地小，便于安裝，適用于聯(lián)合站改造工程。撬裝式儲(chǔ)罐揮發(fā)氣增壓回收工藝流程見圖3。

圖3 撬裝式儲(chǔ)罐揮發(fā)氣增壓回收工藝流程

2)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

撬裝系統(tǒng)可對(duì)多個(gè)儲(chǔ)罐進(jìn)行油氣回收，實(shí)現(xiàn)罐與罐之間的氣相平衡，減少揮發(fā)油氣的抽取。系統(tǒng)進(jìn)口配置緩沖罐，對(duì)于氣量波動(dòng)頻繁工況具有緩沖作用。撬裝裝置入口配套含氧分析儀，嚴(yán)格監(jiān)控氧氣濃度，當(dāng)氧氣超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切斷，保護(hù)上下游設(shè)備安全。

撬裝系統(tǒng)整體采用PLC自動(dòng)控制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)油氣壓力來控制調(diào)節(jié)回收裝置的抽氣和補(bǔ)氣過程，實(shí)現(xiàn)罐頂油氣自動(dòng)回收。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)部油氣壓力增高至設(shè)定壓力時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)緩沖罐與儲(chǔ)氣罐氣體流量，使緩沖罐壓力低于儲(chǔ)罐壓力，從而油氣進(jìn)入緩沖罐，再經(jīng)壓縮機(jī)增壓至儲(chǔ)氣罐后排放到站內(nèi)天然氣管網(wǎng)；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到儲(chǔ)罐壓力降低時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)緩沖罐與儲(chǔ)氣罐氣體流量，使緩沖罐壓力高于儲(chǔ)罐壓力，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行油氣補(bǔ)充。通過以上兩種動(dòng)作始終維持儲(chǔ)罐內(nèi)部處于微正壓狀態(tài)，控制罐頂呼吸閥不呼吸，使呼吸閥成為安全閥，達(dá)到VOCs治理目的。

3.3 儲(chǔ)罐VOCs治理技術(shù)方案

以油田某聯(lián)合站為例進(jìn)行儲(chǔ)罐VOCs治理工藝方案研究，該聯(lián)合站儲(chǔ)罐區(qū)共有4具固定頂儲(chǔ)罐，均為非密閉集輸，分別為原油沉降罐1具、采出水沉降罐2具和低含水油儲(chǔ)罐1具。根據(jù)4具儲(chǔ)罐平面位置以及日處理量等情況配置1套撬裝式儲(chǔ)罐揮發(fā)氣增壓回收裝置。儲(chǔ)罐運(yùn)行現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 儲(chǔ)罐運(yùn)行現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

1)工藝系統(tǒng)

根據(jù)儲(chǔ)罐數(shù)量及運(yùn)行情況，并考慮一定富余量確定儲(chǔ)罐揮發(fā)氣回收裝置規(guī)模為2 000 m3/d，出口壓力0.5 MPa。分別從4具儲(chǔ)罐罐頂透光孔連接集氣管線，在集氣管線出口配套壓變、阻火器和切斷閥等。各罐頂集氣管線匯合到集氣干線后，通過干線進(jìn)入儲(chǔ)罐揮發(fā)氣回收裝置。氣體經(jīng)裝置增壓后通過管道接入站內(nèi)立式分離器進(jìn)口管線，并從立式分離器出口配套補(bǔ)氣管線至回收裝置入口。

2)控制系統(tǒng)

各儲(chǔ)罐罐頂集氣管線上設(shè)置壓力變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐和裝置內(nèi)緩沖罐的壓力，當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)部油氣壓力增高至設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)與調(diào)節(jié)閥自動(dòng)動(dòng)作吸入多余的揮發(fā)氣，由壓縮機(jī)將揮發(fā)的油氣由緩沖罐壓縮至儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存，儲(chǔ)氣罐的氣體達(dá)到壓力后自動(dòng)排放至站內(nèi)立式分離器；當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力降低接近呼吸閥吸氣開啟壓力時(shí)，氣體調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，將儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體補(bǔ)充到緩沖罐，使緩沖罐壓力升高，進(jìn)而將油氣補(bǔ)充至儲(chǔ)罐內(nèi)，保持儲(chǔ)罐維持在微正壓狀態(tài)。

通過以上動(dòng)作始終維持儲(chǔ)罐內(nèi)部微正壓和較高的油氣濃度，達(dá)到儲(chǔ)罐呼吸閥不動(dòng)作，過量的油氣接入天然氣管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)油氣回收治理。系統(tǒng)內(nèi)吸氣和補(bǔ)氣過程為裝置內(nèi)部油氣循環(huán)控制，主要依靠壓縮機(jī)吸氣和調(diào)節(jié)閥控制油氣循環(huán)量，保證整個(gè)系統(tǒng)處于氣量平衡。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況造成儲(chǔ)罐壓力持續(xù)降低時(shí)，可利用站內(nèi)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)氣，保證儲(chǔ)罐本質(zhì)安全。

3)安全保護(hù)措施

撬裝裝置入口配套含氧分析儀，當(dāng)氧氣含量超標(biāo)，自動(dòng)停機(jī)，并且切換至安全排空管線。設(shè)備本身采用整體防爆設(shè)計(jì)，上下游設(shè)備之間設(shè)置高壓保護(hù)、低壓保護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)故障保護(hù)等安全保障措施，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

某聯(lián)合站儲(chǔ)罐VOCs治理工藝流程示意見圖4。

圖4 某聯(lián)合站儲(chǔ)罐VOCs治理工藝流程

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

由于該技術(shù)采用氣相平衡原理在抽氣同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，按裝置規(guī)模50%回收氣量進(jìn)行考慮，預(yù)計(jì)該站每年可回收天然氣約36.5萬m3，綜合考慮裝置的運(yùn)行效率等影響因素，預(yù)計(jì)年創(chuàng)效約41萬元。通過配置VOCs治理裝置，有效降低了聯(lián)合站儲(chǔ)罐油氣揮發(fā)損耗，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會(huì)效益

聯(lián)合站通過配套VOCs治理裝置，可有效控制油田地面系統(tǒng)的VOCs排放，提高地面系統(tǒng)的集輸密閉率，消除油氣排放產(chǎn)生的安全環(huán)保隱患，保障油田安全平穩(wěn)生產(chǎn)，有力踐行綠色低碳、清潔安全高效的能源發(fā)展戰(zhàn)略，具有良好的社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

新型撬裝式儲(chǔ)罐揮發(fā)氣增壓回收裝置能夠適應(yīng)聯(lián)合站儲(chǔ)罐揮發(fā)氣量小、變化波動(dòng)頻繁工況，并且整體設(shè)備占地面積小、采用自動(dòng)化控制、運(yùn)行維護(hù)方便，適用于油田聯(lián)合站儲(chǔ)罐VOCs治理工程。通過該技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)固定頂儲(chǔ)罐密閉運(yùn)行，降低油氣資源損耗，消除站場(chǎng)安全環(huán)保隱患，有利于構(gòu)建清潔低碳、綠色環(huán)保的油田地面新模式。