油田儲(chǔ)罐揮發(fā)性有機(jī)物異常排放原因分析及治理建議

劉曉

(中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司 技術(shù)檢測(cè)中心,山東 東營(yíng) 257000)

當(dāng)前階段,我國(guó)面臨細(xì)顆粒物(PM2.5)污染形勢(shì)依然嚴(yán)峻和臭氧(O3)污染日益凸顯的雙重壓力。為了深入貫徹習(xí)近平新時(shí)代生態(tài)文明思想,落實(shí)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和美麗中國(guó)建設(shè),生態(tài)環(huán)境部頒布了GB 37822—2019《揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》,針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)排放控制提出了一系列管控要求。同時(shí),為促進(jìn)陸上石油天然氣開采工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,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)大氣污染物排放控制要求、檢測(cè)和監(jiān)督管理等進(jìn)行了明確規(guī)定。

目前油田聯(lián)合站內(nèi)原油處理主要采用固定頂儲(chǔ)罐沉降的開式脫水處理工藝,在生產(chǎn)過程中,會(huì)有部分烴類氣體通過呼吸作用經(jīng)呼吸閥揮發(fā)到環(huán)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(chǔ)罐烴類氣體揮發(fā)不僅造成油氣資源浪費(fèi)還存在環(huán)境污染問題。目前,油田固定頂儲(chǔ)罐配備了烴類氣體回收治理措施,但由于工況波動(dòng)、裝置部件故障等原因仍存在VOCs超標(biāo)異常排放現(xiàn)象。

為促進(jìn)油田生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展,本文對(duì)三相分離器、儲(chǔ)罐呼吸閥、抽氣裝置等涉氣流程及裝置部件開展深入調(diào)研,分析儲(chǔ)罐揮發(fā)性有機(jī)物異常排放原因,并提出治理建議。

1 治理措施及檢測(cè)情況

1.1 儲(chǔ)罐揮發(fā)性有機(jī)物治理措施

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

原油穩(wěn)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(chǔ)存,穩(wěn)定輕烴輸送至壓力罐儲(chǔ)存,有效減少了原油儲(chǔ)存過程損耗及揮發(fā)性有機(jī)物排放。儲(chǔ)罐抽氣工藝見圖1,原油穩(wěn)定工藝見圖2。

圖1 儲(chǔ)罐抽氣工藝流程圖

圖2 原油穩(wěn)定工藝流程圖

1.2 呼吸閥作用及檢測(cè)情況

呼吸閥主要用于滿足儲(chǔ)罐大小呼吸通氣需求,通過進(jìn)氣和出氣控制儲(chǔ)罐內(nèi)部氣壓穩(wěn)定在允許范圍,是保護(hù)儲(chǔ)罐安全、減少烴類氣體揮發(fā)的重要附件。

呼吸閥由閥體、正壓閥盤、負(fù)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(chǔ)罐內(nèi)氣壓穩(wěn)定。儲(chǔ)罐內(nèi)液位上升、轉(zhuǎn)運(yùn)或溫度升高等原因?qū)е鹿迌?nèi)氣相壓力升高,當(dāng)壓力高于呼吸閥設(shè)定呼出壓力時(shí)(聯(lián)合站儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)液位下降或溫度降低等原因?qū)е鹿迌?nèi)氣相壓力降低,當(dāng)壓力低于呼吸閥設(shè)定吸入壓力時(shí)(聯(lián)合站儲(chǔ)罐呼吸閥一般為-295 Pa),負(fù)壓閥盤打開,空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐;當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力在呼出壓力、吸入壓力之間時(shí),呼吸閥用于密閉儲(chǔ)罐,減少烴類氣體排放[1-2]。呼吸閥結(jié)構(gòu)見圖3,剖面見圖4。

圖3 呼吸閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 呼吸閥剖面結(jié)構(gòu)圖

《揮發(fā)性有機(jī)物治理突出問題排查整治工作要求》(環(huán)大氣〔2021〕65號(hào))建議揮發(fā)性有機(jī)液體儲(chǔ)罐配備壓力檢測(cè)設(shè)備,要求罐內(nèi)壓力小于50%呼吸閥開啟壓力時(shí),泄漏檢測(cè)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(rèn)定濃度,選取8座聯(lián)合站儲(chǔ)罐呼吸閥開展VOCs排放情況檢測(cè),并對(duì)其三相分離器、儲(chǔ)罐、抽氣裝置等涉氣流程開展調(diào)研。調(diào)研及檢測(cè)情況見表1。

表1 聯(lián)合站調(diào)研及檢測(cè)情況

2 揮發(fā)性有機(jī)物異常排放原因分析

2.1 聯(lián)合站來液

聯(lián)合站采用油氣水三相分離器分離氣相和液相,當(dāng)來液穩(wěn)定時(shí),分離器內(nèi)氣相、液相界面平穩(wěn),分離后的原油中含氣及儲(chǔ)罐液位穩(wěn)定,儲(chǔ)罐氣相壓力上升趨勢(shì)平穩(wěn),抽氣裝置的運(yùn)行可使儲(chǔ)罐中氣相壓力始終保持在呼吸閥開啟壓力以下;當(dāng)來液增加時(shí),如開新井、作業(yè)洗井等,分離器內(nèi)液相界面上升導(dǎo)致原油停留時(shí)間減少,分離后的原油中含氣增加、儲(chǔ)罐液位上升,導(dǎo)致儲(chǔ)罐氣相壓力快速上升,抽氣裝置的運(yùn)行不能及時(shí)降低儲(chǔ)罐氣相壓力,當(dāng)高于呼吸閥呼出壓力時(shí)出現(xiàn)VOCs異常排放現(xiàn)象。

2.2 呼吸閥

表1中檢測(cè)結(jié)果表明,采用儲(chǔ)罐抽氣工藝的6座聯(lián)合站20個(gè)呼吸閥密封良好,8個(gè)呼吸閥在未達(dá)到設(shè)計(jì)開啟壓力+980 Pa時(shí)出現(xiàn)VOCs異常排放現(xiàn)象,且同一儲(chǔ)罐呼吸閥排放VOCs濃度存在較大差距,如1#聯(lián)合站一次罐、凈化罐等,分析原因?yàn)楫惓Ｅ欧藕粑y存在故障導(dǎo)致不能良好密封。

《石油儲(chǔ)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(guān)閉狀態(tài)時(shí)存在泄漏,以0.75倍開啟壓力作為測(cè)試壓力時(shí)泄漏量應(yīng)滿足表2要求。目前呼吸閥為年度校驗(yàn),對(duì)呼吸閥開啟壓力、通氣量和阻火器通氣量進(jìn)行檢測(cè),0.75倍開啟壓力條件下的泄漏量檢測(cè)。呼吸閥在使用過程中,不能確保密封性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 不同規(guī)格呼吸閥允許泄漏量

現(xiàn)場(chǎng)拆解異常排放呼吸閥發(fā)現(xiàn),呼吸閥閥盤密封材料為聚四氟乙烯,符合《石油儲(chǔ)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(xiàn)象,導(dǎo)致呼吸閥不能良好密封?，F(xiàn)場(chǎng)拆解圖見圖5、圖6。

圖5 呼吸閥閥盤及密封圈油垢嚴(yán)重

圖6 呼吸閥閥盤銹蝕

儲(chǔ)罐揮發(fā)氣體中存在大量烴類氣體和水蒸汽,烴類氣體中的重質(zhì)組分遇冷后凝結(jié),并與閥盤、閥座、導(dǎo)桿等部件上積聚的灰塵、雜質(zhì)等混合沉積為油垢,油垢長(zhǎng)時(shí)間積累可能導(dǎo)致閥盤、閥座之間密封不嚴(yán)或?qū)е聦?dǎo)桿粘連卡死在某個(gè)位置。

部分區(qū)塊原油中含硫,導(dǎo)致儲(chǔ)罐揮發(fā)氣體中含有硫化氫,硫化氫長(zhǎng)期與閥盤、閥座等部件接觸產(chǎn)生表面氫蝕,導(dǎo)致呼吸閥密封不嚴(yán)。

2.3 儲(chǔ)罐抽氣裝置

2.3.1 抽氣裝置非正常運(yùn)行

抽氣裝置啟動(dòng)壓力根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力進(jìn)行設(shè)定、調(diào)整,一般為+600 Pa;當(dāng)集氣管線匯管壓力高于設(shè)定值時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng),收集儲(chǔ)罐內(nèi)烴類氣體,但由于儲(chǔ)罐密封不嚴(yán)、阻火器堵塞、集氣管線積液等問題使儲(chǔ)罐氣相壓力傳遞至集氣管線匯管過程中出現(xiàn)壓損,導(dǎo)致抽氣裝置不能正常啟動(dòng),儲(chǔ)罐揮發(fā)性有機(jī)物出現(xiàn)異常排放現(xiàn)象。

儲(chǔ)罐密封不嚴(yán)。儲(chǔ)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(dǎo)致密封不嚴(yán),烴類氣體在上述位置泄漏,罐內(nèi)氣相壓力始終保持低數(shù)值,抽氣裝置不能正常運(yùn)行。

阻火器堵塞。為保障儲(chǔ)罐安全運(yùn)行,儲(chǔ)罐抽氣裝置集氣管線與罐頂連接處安裝有阻火器;調(diào)研發(fā)現(xiàn),部分阻火器波紋板被油垢、鐵銹等阻塞,使罐內(nèi)氣相壓力不能傳遞或經(jīng)過較大壓損之后傳遞至集氣管線匯管,導(dǎo)致抽氣裝置不能啟動(dòng)或不能及時(shí)啟動(dòng)。

抽氣裝置集氣管線積液。儲(chǔ)罐抽氣裝置管線流程存在低點(diǎn),儲(chǔ)罐揮發(fā)氣中水蒸氣在管線流程低點(diǎn)凝結(jié)、積累導(dǎo)致管線積液,需人工及時(shí)排液,才能保證抽氣裝置正常運(yùn)行。

2.3.2 抽氣裝置運(yùn)行頻率低

儲(chǔ)罐抽氣裝置運(yùn)行頻率存在人工、自動(dòng)兩種調(diào)節(jié)方式。人工調(diào)頻,工作人員根據(jù)集氣管線匯管壓力調(diào)節(jié)抽氣裝置運(yùn)行頻率,人工調(diào)頻難以及時(shí)適應(yīng)儲(chǔ)罐工況,當(dāng)儲(chǔ)存液體來液量增加或環(huán)境溫度升高時(shí),儲(chǔ)罐揮發(fā)氣量高于正常工況,抽氣裝置難以及時(shí)降低罐內(nèi)氣相壓力;當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力高于呼吸閥開啟壓力時(shí),部分儲(chǔ)罐揮發(fā)氣體直接排放到環(huán)境空氣中。自動(dòng)調(diào)頻,抽氣裝置根據(jù)匯管壓力自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行頻率,快速及時(shí)收集氣體,可有效杜絕罐內(nèi)氣相壓力高于呼吸閥開啟壓力。

1#、3#聯(lián)合站抽氣裝置為人工調(diào)頻,且裝置低頻率運(yùn)行,罐內(nèi)氣相壓力不斷上升;提高1#聯(lián)合站抽氣裝置運(yùn)行頻率后,38 min后集氣管線匯管壓力降至+370 Pa。抽氣裝置調(diào)整前后運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 抽氣裝置調(diào)整前后參數(shù)對(duì)比

2.4 原油穩(wěn)定裝置

原油經(jīng)穩(wěn)定塔閃蒸后,甲烷至戊烷等輕烴組分被脫除,穩(wěn)定后原油易揮發(fā)氣體較少,當(dāng)儲(chǔ)罐及呼吸閥密封良好、罐內(nèi)液位平穩(wěn)、原油及環(huán)境溫度較穩(wěn)定時(shí),不會(huì)出現(xiàn)VOCs異常排放現(xiàn)象。7#、8#聯(lián)合站呼吸閥排放檢測(cè)結(jié)果與結(jié)論相符。

3 改進(jìn)建議

針對(duì)儲(chǔ)罐VOCs異常排放問題,結(jié)合聯(lián)合站涉氣流程,提出以下改進(jìn)建議。

1)及時(shí)更換故障呼吸閥。定期開展儲(chǔ)罐呼吸閥檢測(cè)排查,及時(shí)做好故障呼吸閥更換,優(yōu)先減少環(huán)境敏感區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐VOCs異常排放;建議更換低泄漏呼吸閥,如德國(guó)優(yōu)秀產(chǎn)品不同型號(hào)呼吸閥允許泄漏量范圍為0.001 7～0.008 m3/h,遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求0.04～0.40 m3/h[3]。

2)加強(qiáng)呼吸閥、阻火器定期檢查和日常維護(hù)。對(duì)呼吸閥、阻火器實(shí)行季度檢查制度,如遇特殊情況加密檢查、維護(hù)頻次,主要方法為檢查呼吸閥的閥盤、閥座、導(dǎo)桿、導(dǎo)孔、彈簧等部位是否存在銹蝕和油垢,油垢及時(shí)清潔,銹蝕及時(shí)送校驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢測(cè)泄漏量,不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)及時(shí)更換銹蝕部件;檢查閥盤的運(yùn)行是否靈活,有無(wú)卡澀或者卡死現(xiàn)象,必要時(shí)對(duì)其進(jìn)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(shí)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(zhì)、鐵銹堵塞,必要時(shí)可使用煤油、蒸汽吹掃等方法疏通,保證氣體正常進(jìn)出暢通。

3)保障呼吸閥檢驗(yàn)頻次及檢驗(yàn)質(zhì)量。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際情況,將呼吸閥外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)閉壓力等指標(biāo)納入檢測(cè)范圍,每半年開展一次呼吸閥檢驗(yàn),必要時(shí)開展不同檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)能力比對(duì)測(cè)試,做好呼吸閥的校驗(yàn)管理工作。

4)加強(qiáng)儲(chǔ)罐密閉管理。儲(chǔ)罐罐體應(yīng)保持密閉,不應(yīng)存在孔洞、縫隙,罐頂破損、穿孔部位應(yīng)及時(shí)維修;儲(chǔ)罐附件開口(孔),除采樣、計(jì)量、例行檢查、維護(hù)和其他正?；顒?dòng)外應(yīng)保持密閉,附件開口(孔)鎖緊裝置、密封墊圈等部件應(yīng)定期維保、更換,確保儲(chǔ)罐密閉良好。

5)優(yōu)化儲(chǔ)罐抽氣裝置流程。對(duì)抽氣裝置管線流程開展排查,針對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口不是管線流程最低位置的儲(chǔ)罐抽氣裝置,優(yōu)化、改造儲(chǔ)罐抽氣裝置管線流程,將壓縮機(jī)進(jìn)口調(diào)整為管線流程最低位置,或增設(shè)儲(chǔ)液罐存儲(chǔ)管線積液,確保儲(chǔ)罐抽氣裝置高效運(yùn)行。

6)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐抽氣裝置、儲(chǔ)罐智能化管理。對(duì)新建儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐抽氣裝置完善信息化設(shè)計(jì),對(duì)在用儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐抽氣裝置進(jìn)行信息化改造,將儲(chǔ)罐液位、罐內(nèi)氣相壓力及集氣管線匯管壓力、儲(chǔ)罐抽氣裝置頻率、有效運(yùn)行時(shí)率等運(yùn)行參數(shù)納入信息化采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐抽氣裝置自動(dòng)監(jiān)控、異常報(bào)警和自動(dòng)變頻控制。

4 結(jié)論

建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型,是我國(guó)解決資源環(huán)境生態(tài)問題的基礎(chǔ)之策。近年來,國(guó)家陸續(xù)發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求,強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)甲烷及VOCs協(xié)同控制。油田也將有效控制溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)VOCs的凈零排放作為推行綠色低碳戰(zhàn)略的重要目標(biāo)。

原油儲(chǔ)罐氣體揮發(fā)是陸上石油天然氣開采行業(yè)甲烷及VOCs的重點(diǎn)排放環(huán)節(jié),對(duì)儲(chǔ)罐甲烷及VOCs異常排放進(jìn)行有效治理涉及聯(lián)合站來液、儲(chǔ)罐、呼吸閥、抽氣裝置、阻火器等多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同管理,采用低泄漏呼吸閥、抽氣裝置信息化、加強(qiáng)涉氣流程日常維保等手段,可有效管控儲(chǔ)罐甲烷及VOCs排放問題。