姚蘭

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

目前，海上平臺(tái)所使用的火炬均采用傳統(tǒng)火炬，屬于典型的長(zhǎng)明火炬。因投運(yùn)時(shí)間較早，部分設(shè)計(jì)已不符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范要求。且點(diǎn)火系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)可靠性低；排放量較大、不節(jié)能、不環(huán)保。等離子火炬技術(shù)，為徹底熄滅長(zhǎng)明火炬提供一套科學(xué)、安全、高效的解決方案。等離子火炬新技術(shù)，能夠保證火炬安全運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)不再消耗點(diǎn)火燃料氣，最大可能降低密封氣體消耗（減少90%以上），實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和低碳運(yùn)行。該項(xiàng)目的成功運(yùn)用，推進(jìn)了油氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。

1 海洋油氣田傳統(tǒng)火炬存在的問(wèn)題

海洋油氣田傳統(tǒng)火炬存在的問(wèn)題有：（1）地面爆燃和高空高能點(diǎn)火技術(shù)可靠性、穩(wěn)定性較低，故障率高，點(diǎn)火難度大；（2）敞口火炬吹掃氣量較小時(shí)容易熄火，空氣易侵入、引起回火、爆燃、悶燒事故；（3）傳統(tǒng)火炬密封需要消耗大量燃料氣，存在能源浪費(fèi)；（4）長(zhǎng)明需要消耗大量的燃料氣，不僅造成能源浪費(fèi)，還產(chǎn)生大量碳排放，污染環(huán)境；（5）點(diǎn)火控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和全自動(dòng)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(diǎn)火、微正壓燃燒器、微正壓保持等技術(shù)的新型火炬，可在火炬放空瞬間或意外熄滅時(shí)，立即啟動(dòng)等離子點(diǎn)火裝置、引燃排放氣體。當(dāng)火炬放空時(shí)，燃燒器被空氣體打開(kāi)，控制系統(tǒng)隨即啟動(dòng)等離子點(diǎn)火，點(diǎn)燃并監(jiān)控火炬燃燒火焰；放空完畢，燃燒器關(guān)閉，微正壓系統(tǒng)保持火炬微正壓安全狀態(tài)。保證火炬系統(tǒng)運(yùn)行可操作性、可靠性、安全性（圖1）。

圖1

等離子火炬滿(mǎn)足海上工況，具有在火炬放空瞬間采用強(qiáng)等離子點(diǎn)火技術(shù)瞬時(shí)直接可靠點(diǎn)燃、在不防空時(shí)自動(dòng)關(guān)閉燃燒器功能。火炬具有穩(wěn)定燃燒功能，在12級(jí)以上臺(tái)風(fēng)（風(fēng)速≥32.7m/s）及特大暴雨(降雨量≥250mm/d）環(huán)境下正常工作、不熄滅。

2.1 等離子火焰點(diǎn)火技術(shù)

等離子體是物質(zhì)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四態(tài)，高溫下的等離子體溫度可達(dá)數(shù)千至數(shù)億攝氏度，具有超高溫、強(qiáng)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(yīng)的高能帶電離子集合體。高溫持續(xù)等離子火焰溫度高達(dá)6000℃以上，高溫等離子火焰即為高溫等離子體，是氣體在強(qiáng)電場(chǎng)的激發(fā)作用下產(chǎn)生強(qiáng)電離、高溫、發(fā)光離子集團(tuán)，其點(diǎn)火機(jī)理通過(guò)極高溫度、極高能量密度、強(qiáng)電離和快速催化速度點(diǎn)燃接觸的一切氣體，包括空氣、惰性氣體和可燃?xì)怏w。高溫等離子火焰點(diǎn)火具有可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、不受電蝕影響、可持續(xù)點(diǎn)火、具有超自然的抗風(fēng)能力等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為“吹不滅的火焰”。

在海洋油氣田將傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)更換為微正壓主動(dòng)分支燃燒器，并具備燃燒器開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)器和微正壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，微正壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)由微正壓變送器及配套電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組構(gòu)成，設(shè)計(jì)壓力為2 ～10kPa。點(diǎn)火裝置采用強(qiáng)等離子點(diǎn)火裝置，配備防爆等離子點(diǎn)火發(fā)生器、強(qiáng)等離子點(diǎn)火槍和等離子點(diǎn)火火焰檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2 等離子火炬頭性能特點(diǎn)

等離子火炬頭采用自火炬頭下部分支結(jié)構(gòu)的多管束式火炬頭，在分支根部設(shè)計(jì)自啟排閉裝置。結(jié)構(gòu)類(lèi)似安全閥結(jié)構(gòu)，可調(diào)開(kāi)啟壓力，進(jìn)行分級(jí)受控開(kāi)啟。安全閥結(jié)構(gòu)是普遍采用的泄壓方式，是非常可靠的結(jié)構(gòu)，具有本質(zhì)安全屬性。材質(zhì)選用316L 不銹鋼、耐高溫、耐腐蝕，可以長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。并且這個(gè)安裝部位位于火炬頭下方，遠(yuǎn)離火焰，在運(yùn)用的過(guò)程中沒(méi)有變形的現(xiàn)象。

等離子火炬頭相比傳統(tǒng)火炬頭增加了可調(diào)控功能，避免長(zhǎng)期小排量工況對(duì)火炬頭的傷害，避免因排放量過(guò)小使火炬燃燒不穩(wěn)定、冒煙、火焰下卷的問(wèn)題。排閉裝置由排放氣流分級(jí)沖開(kāi)，在強(qiáng)電弧點(diǎn)火器點(diǎn)燃，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)燃燒。也可由控制系統(tǒng)依據(jù)風(fēng)向選擇最有利的分支，優(yōu)先開(kāi)啟燃燒。

這種等離子火炬頭的壽命相比傳統(tǒng)火炬頭能延長(zhǎng)幾倍，并且有個(gè)別損壞時(shí)，只需要更換個(gè)別小火炬頭分支。配件和維修費(fèi)用也能降低幾倍。大大降低了長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用，并且在海洋油氣田環(huán)境鐘使用更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。

2.3 等離子火焰檢測(cè)

等離子火焰監(jiān)測(cè)技術(shù)采用兩種方式，一種是熱電偶測(cè)溫，另一種是紫外火焰監(jiān)測(cè)。這兩種方式在海上平臺(tái)都十分適用，熱電偶測(cè)溫是對(duì)熱電偶進(jìn)行核實(shí)的安裝、定位和配置合適保護(hù)管，控制合理的測(cè)溫值，在配合智能控制系統(tǒng)的趨勢(shì)判斷能力，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火焰情況；紫外線火焰檢測(cè)是通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鬟h(yuǎn)距離進(jìn)行遙控測(cè)試，這種傳感器只對(duì)明火火焰敏感，對(duì)高溫和陽(yáng)光、燈光均不響應(yīng)，不敏感，遠(yuǎn)離火焰進(jìn)行遙測(cè)，避免被污染和燒毀，因此時(shí)目前最理想的火炬火焰檢測(cè)方式。

2.4 火炬自控安全連鎖報(bào)警

等離子火炬的所有檢測(cè)、控制、報(bào)警有一套PLC 系統(tǒng)完成，PLC 安裝在帶有溫度調(diào)節(jié)功能的防爆控制箱內(nèi)，布置在原有火炬操作盤(pán)上。PLC 具備與總（分）控制室通訊功能。可以控制室內(nèi)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)視、處理報(bào)警。

PLC 配置功能：依據(jù)風(fēng)向標(biāo)信號(hào)，在火炬氣達(dá)到排放壓力時(shí)，擇優(yōu)選擇下風(fēng)位火炬分支開(kāi)啟；

開(kāi)啟小火炬的同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)點(diǎn)火器進(jìn)行精準(zhǔn)、瞬時(shí)點(diǎn)火；檢測(cè)火焰情況，火焰趨于失效風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火；火焰失效報(bào)警；點(diǎn)火器、火焰檢測(cè)聯(lián)合自檢，失效報(bào)警；密封氣體壓力（或流量）低限報(bào)警；火炬管道壓力異常報(bào)警；PLC 系統(tǒng)運(yùn)行故障自檢、報(bào)警；遠(yuǎn)程、就地操作切換；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急手動(dòng)、硬手動(dòng)啟動(dòng)小火炬和高空點(diǎn)火器；遠(yuǎn)程通訊。

3 國(guó)內(nèi)海上油氣田放空火炬未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

等離子火炬成功在油氣田上的運(yùn)用，徹底熄滅長(zhǎng)明火炬。在無(wú)放空下，不再有長(zhǎng)明燈和火炬主火，從而可100%節(jié)約點(diǎn)火器長(zhǎng)明燈燃料和吹掃氣燃燒，在有少量放空時(shí)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)，將放空氣體點(diǎn)燃燒掉，在大量放空時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)至100%，將放空氣體可靠點(diǎn)燃并燃燒，對(duì)氣田長(zhǎng)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(jié)約幾乎100%的點(diǎn)火器長(zhǎng)明燈、吹掃氣和放空氣。每天節(jié)約氣量約3000m3左右，每年火炬可減少維修維護(hù)成本約10 萬(wàn)，若加上節(jié)約燃燒價(jià)值，可節(jié)約210 萬(wàn)以上生產(chǎn)運(yùn)行成本。減少天然氣排放燃燒量，減少二氧化碳排放約3000t，對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)具有重大的意義，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃燒氣能源的同時(shí)，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(guó)海洋石油油氣開(kāi)發(fā)綠色低碳轉(zhuǎn)型提供有效途徑。消滅了長(zhǎng)明燈后，節(jié)約運(yùn)行成本效果顯著。在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面發(fā)揮了重要作用，提高了火炬安全性、節(jié)能減排、方便操作、減少維護(hù)成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為海洋石油油氣綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記重要指示精神和黨中央相關(guān)決策部署的必然要求。我國(guó)是世界能源生產(chǎn)第一大國(guó)，同時(shí)，能源產(chǎn)業(yè)面臨“雙碳”目標(biāo)約束下的綠色轉(zhuǎn)型、傳統(tǒng)能源和新能源的供需不匹配等多方面挑戰(zhàn)。順應(yīng)能源革命與數(shù)字革命深度融合發(fā)展趨勢(shì)，加快利用智能化通信技術(shù)，不斷推動(dòng)數(shù)字化和智能化升級(jí)已經(jīng)成為貫徹國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的重要方式。能源行業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，已成為全球油氣行業(yè)的共識(shí)和發(fā)展方向。等離子火炬在海洋油氣田上的應(yīng)用，與國(guó)家節(jié)能減排，綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)相符合，對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要的意義。