蘇里格天然氣處理廠放空技術(shù)優(yōu)化探討

劉子兵，郭瑞華，薛政

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018

2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300

蘇里格天然氣處理廠放空技術(shù)優(yōu)化探討

劉子兵，郭瑞華，薛政

1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018

2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300

文章對(duì)蘇里格氣田50億m3/a標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠放空系統(tǒng)的6項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行探討分析，通過(guò)采用與ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖等級(jí)的有效結(jié)合，減小放空系統(tǒng)規(guī)模超過(guò)1/2；通過(guò)調(diào)整放空閥組的設(shè)置，進(jìn)一步提高了放空系統(tǒng)的安全性和可靠性；通過(guò)采用音速火炬，節(jié)省放空系統(tǒng)的投資超過(guò)30%；通過(guò)熄滅火炬長(zhǎng)明燈提高處理廠的節(jié)能減排效果；對(duì)安全閥進(jìn)行優(yōu)化；采用分子封作為防回火措施，使整個(gè)放空系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

天然氣處理廠；放空系統(tǒng)；ESD；放空閥組；長(zhǎng)明燈；安全閥；分子封

1 概述

為提高天然氣處理廠運(yùn)行過(guò)程中的安全等級(jí)，降低意外事故導(dǎo)致嚴(yán)重后果的幾率，同時(shí)盡可能減小放空氣量進(jìn)而減輕對(duì)環(huán)境造成的污染，處理廠必須設(shè)置可靠的放空系統(tǒng)[1]。放空系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包括放空閥組、系統(tǒng)管網(wǎng)、分液裝置、火炬及點(diǎn)火裝置、控制系統(tǒng)等，在處理廠意外事故下緊急啟動(dòng)放空閥組，截?cái)啾匾腟DV（緊急截?cái)嚅y），打開(kāi)對(duì)應(yīng)的BDV（緊急放空閥），達(dá)到切斷氣源和放空泄壓的目的，從而減輕事故后果。

放空閥組是放空系統(tǒng)的核心，其數(shù)量、位置、規(guī)格和控制方式?jīng)Q定了放空規(guī)模、氣量和系統(tǒng)的安全性與可靠性，也決定了系統(tǒng)的工程投資。

以蘇里格氣田50億m3/a（20℃，101.325 kPa，以下略）的標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠為例，該類(lèi)處理廠主體工藝裝置包括500萬(wàn)m3/d脫油脫水裝置3套，250萬(wàn)m3/d天然氣壓縮機(jī)組7臺(tái)，集配氣裝置、清管裝置、進(jìn)出站閥組及甲醇回收、凝析油穩(wěn)定和放空系統(tǒng)等裝置各1套。第一座標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠已于2009年建成投產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行至今，第四座標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠已于2013年底建成并順利投產(chǎn)。

2 天然氣處理廠放空優(yōu)化

2.1 放空規(guī)模的優(yōu)化

第一座標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠設(shè)計(jì)放空規(guī)模為1 500萬(wàn)m3/d，放空規(guī)模與處理廠處理規(guī)模相同，設(shè)計(jì)理念是全處理量放空，主要依據(jù)《氣田天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中的相關(guān)規(guī)定和氣田集輸系統(tǒng)及處理廠的自控設(shè)置等級(jí)。該放空規(guī)模明顯偏大，既增加投資，又浪費(fèi)天然氣資源。

在進(jìn)行其余標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)HAZOP專業(yè)分析，把放空系統(tǒng)的設(shè)置與安全儀表系統(tǒng)的ESD聯(lián)鎖功能有機(jī)結(jié)合，把ESD聯(lián)鎖功能分為四個(gè)等級(jí)：1級(jí)為全廠ESD關(guān)斷并泄壓；2級(jí)為全廠ESD關(guān)斷不泄壓；3級(jí)為單元裝置ESD關(guān)斷不泄壓；4級(jí)為設(shè)備級(jí)ESD關(guān)斷不泄壓。

在滿足最不利工況的泄壓需求時(shí)，盡量減小放空規(guī)模。經(jīng)分析，處理廠大面積火災(zāi)事故下對(duì)應(yīng)ESD1級(jí)，要求緊急切斷氣源，并對(duì)廠內(nèi)設(shè)備、管系儲(chǔ)存氣體進(jìn)行緊急泄放降壓，廠外集氣干線、外輸管道儲(chǔ)存的天然氣不聯(lián)鎖泄壓，從而避免了全處理量放空的方式。

根據(jù)APIRP 521的規(guī)定，火災(zāi)泄壓放空通常根據(jù)輸送介質(zhì)是否含有輕烴來(lái)設(shè)置泄放壓力。對(duì)于輸送介質(zhì)含輕烴的裝置，應(yīng)在15 min內(nèi)降至690 kPa或壓力容器設(shè)計(jì)壓力的50%，取其較低者；對(duì)于輸送介質(zhì)不含輕烴的裝置，考慮15 min內(nèi)降至壓力容器設(shè)計(jì)壓力的50%[3]。蘇里格氣田天然氣中含輕烴較多，因此裝置壓力在15 min內(nèi)由最高6.1 MPa降至690 kPa即可，由此確定對(duì)應(yīng)的泄壓孔徑和瞬時(shí)最大放空量。

放空過(guò)程為瞬態(tài)過(guò)程，放空初期由于氣源壓力高，瞬時(shí)氣量最大，決定了放空系統(tǒng)的規(guī)模，圖1及圖2即為蘇里格氣田50億m3/a處理廠的放空系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，圖1為放空氣量的變化曲線，圖2為高、低壓系統(tǒng)放空壓力的變化曲線。放空過(guò)程中出現(xiàn)的最大泄放量作為放空系統(tǒng)規(guī)模。

圖1 放空氣量變化曲線

圖2 放空壓力變化曲線

由于廠內(nèi)管系中天然氣儲(chǔ)量是放空規(guī)模的主要影響因素之一，若能減小管系的水容積，可大大降低放空規(guī)模。因此在處理廠配管設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)管網(wǎng)的布置、走向進(jìn)行優(yōu)化，縮短管系長(zhǎng)度；在管系規(guī)格選擇時(shí)，應(yīng)盡可能提高天然氣流速，縮小管系規(guī)格。

經(jīng)過(guò)以上措施，放空規(guī)?？捎? 500萬(wàn)m3/d縮小到700萬(wàn)m3/d以下，大幅度降低了放空系統(tǒng)的規(guī)模。

2.2 放空閥組的優(yōu)化

標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠的放空閥組統(tǒng)一采用“電動(dòng)球閥+手動(dòng)節(jié)流截止放空閥”的設(shè)置模式，見(jiàn)圖3（a）。為了提高放空的可靠性，電動(dòng)球閥采用“UPS直供電+電纜溝埋敷設(shè)”的方式。手動(dòng)節(jié)流截止放空閥的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)放空實(shí)際情況調(diào)整閥門(mén)的開(kāi)度，但受人為因素影響較大，存在開(kāi)度的精度不夠的問(wèn)題，造成放空的不可控隱患增加。在第六處理廠項(xiàng)目設(shè)計(jì)中則借鑒了國(guó)際較為先進(jìn)的作法，采用了“氣動(dòng)球閥+限流孔板”的設(shè)置模式，見(jiàn)圖3（b），氣動(dòng)方式更利于故障安全功能的實(shí)現(xiàn)，限流孔板可以避免人為誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高安全性和可靠性。但要求對(duì)設(shè)備、管系的水容積和放空點(diǎn)的位置、數(shù)量要嚴(yán)格計(jì)算和控制，限流孔板的規(guī)格既要滿足泄放時(shí)間的要求，也要滿足泄壓的需求，因此需利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。

圖3 放空閥組優(yōu)化

2.3 音速火炬的應(yīng)用

放空火炬的類(lèi)型根據(jù)泄放的流速可分為音速火炬和非音速火炬，音速火炬頭采用獨(dú)特的噴嘴設(shè)計(jì)，使得具有一定壓力的放空氣體通過(guò)文丘里型噴嘴出口時(shí)流速達(dá)到或接近音速，其火炬頭背壓可達(dá)0.6 MPa，高壓差、高流速排放是其關(guān)鍵技術(shù)。音速火炬可實(shí)現(xiàn)無(wú)蒸汽、寬流量范圍的100%無(wú)煙燃燒，具有熱輻射低、火焰穩(wěn)定性高、操作彈性大和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。放空系統(tǒng)最高運(yùn)行壓力可達(dá)到1.0 MPa（而常規(guī)火炬一般為0.2～0.4 MPa），具有管網(wǎng)規(guī)格小、火炬筒體直徑小、分液罐尺寸小的特點(diǎn)，綜合投資可節(jié)省30%以上。音速火炬在蘇里格氣田2座標(biāo)準(zhǔn)化處理廠得到推廣應(yīng)用，投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2.4 長(zhǎng)明燈的優(yōu)化

目前處理廠的火炬都設(shè)有長(zhǎng)明燈，其目的是確保放空時(shí)天然氣能及時(shí)燃燒，減少原料氣的直接排放，但存在浪費(fèi)資源和CO2排放量大的缺點(diǎn)。熄滅長(zhǎng)明燈每年可減排CO2約980 t、節(jié)省燃料氣50萬(wàn)m3。

通過(guò)設(shè)置相關(guān)的儀表檢測(cè)設(shè)備、采用自動(dòng)點(diǎn)火達(dá)到熄滅長(zhǎng)明燈的目的，由于蘇里格氣田天然氣中不含硫化氫，短時(shí)的直接排放對(duì)環(huán)境影響不大，因此熄滅長(zhǎng)明燈從技術(shù)和環(huán)保方面完全可行。通過(guò)在放空總管適當(dāng)位置設(shè)置放空氣體的壓力或流量檢測(cè)設(shè)備，當(dāng)檢測(cè)到壓力或流量信號(hào)時(shí)，指示啟動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)；并設(shè)置火焰檢測(cè)裝置，以確保點(diǎn)火的成功，火焰檢測(cè)采用熱電偶或離子與紫外線的組合檢測(cè)；流量檢測(cè)一般采用靈敏度較高的熱值流量計(jì)。

2.5 安全閥的優(yōu)化

通過(guò)ESD系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備、管系的BDV泄壓或高低壓SDV自動(dòng)截?cái)鄬儆谕饨绺深A(yù)，是儀表保護(hù)的范疇，可根據(jù)邏輯設(shè)定值自動(dòng)進(jìn)行聯(lián)鎖，但通常還需設(shè)置安全閥作為最后的機(jī)械保護(hù)屏障。另外根據(jù)規(guī)范規(guī)定，在可能超壓的上游壓力管道上、壓力容器上或高低壓系統(tǒng)的低壓側(cè)管系需設(shè)置安全閥，但存在所有安全閥的泄放量疊加超過(guò)處理廠BDV閥的總泄放量的問(wèn)題，甚至達(dá)到處理廠的最大處理規(guī)模。為避免該情況的發(fā)生，可采用分階梯設(shè)定安全閥起跳值，即把安全閥的起跳壓力設(shè)置成互有差別，從而避免泄放量的峰值疊加；對(duì)管輸量較大的壓力管道，可采用提高ESD系統(tǒng)SDV閥的SIL等級(jí)而取消安全閥。

2.6 防回火措施的優(yōu)化

由于天然氣的密度小于空氣的密度，必須采取密封措施來(lái)防止空氣下沉倒流入火炬而發(fā)生閃爆等事故。目前常采用的防止回火措施有三種：阻火器、水封和分子封。阻火器采用金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中有被固體等雜質(zhì)堵塞的情況，造成放空不暢而存在安全風(fēng)險(xiǎn)；水封則采用水封罐，但對(duì)于天然氣處理廠站，由于放空量大、氣體流速高，水氣容易被天然氣攜帶，在寒冷地區(qū)冬季易結(jié)冰而造成安全事故；而分子封是利用一定壓力與流量的天然氣或氮?dú)猓灰烊粴饣虻獨(dú)獾纳仙俣却笥诳諝庀蛳聰U(kuò)散速度就可以隔絕空氣，從而達(dá)到防回火的目的。因而選用分子封，可使整個(gè)放空系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)蘇里格氣田50億m3/a標(biāo)準(zhǔn)化天然氣處理廠放空系統(tǒng)的6項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行探討分析，通過(guò)采用與ESD系統(tǒng)聯(lián)鎖等級(jí)的有效結(jié)合，可減小放空系統(tǒng)規(guī)模1/2以上；通過(guò)調(diào)整放空閥組的設(shè)置，可進(jìn)一步提高放空系統(tǒng)的安全性和可靠性；通過(guò)采用音速火炬可節(jié)省放空系統(tǒng)的投資30%以上；熄滅火炬長(zhǎng)明燈可提高處理廠的節(jié)能減排效果；對(duì)安全閥的設(shè)置提出了優(yōu)化設(shè)置；防回火措施采用了分子封，使整個(gè)放空系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

[1]GB 50183-2004，石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2]SY/T0011-2007，氣田天然氣凈化廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]APISTD 521 ERTA-2007，壓力泄放和降壓系統(tǒng)[S].

Studyon Optimization ofGas Flaring Technique for Gas Processing Plant in Sulige Gas Field

Liu Zibing，Guo Ruihua，Xue Zheng
1.Xi’an Changqing Technology Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi 017300，China

The six technical optimizations of the gas flaring system at the 50×108m3/a gas processing plant in Sulige Gas Field are discussed and analyzed.The system size can be reduced by more than 1/2 in terms of effective combination with interlock ESD system grade.The safety and reliability of the flaring system can be further improved after adjusting the vent valve group settings.The investment for the flaring system can be saved by more than 30%if the sonic torch is adopted.The effect of energy conservation and emission reduction can be improved after putting out the ever-burning lamp.The safety valve is optimized，and the molecular sealing used to prevent backfire to make the gas flaring system more safety.

gas processing plant；flaring system；ESD；vent valve group；everlasting fire；safety valve；gas seal

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.013

劉子兵（1972-），男，四川南充人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事天然氣集輸、凈化和油田伴生氣綜合利用、甲醇水處理等設(shè)計(jì)及科研工作。

2014-06-20