海上天然气处理平台火炬气回收的研究

李晓旭

中海石油（中国）有限公司海南分公司 海南 海口 570312

近几年，随着可持续发展战略的提出，需要全面落实低碳环保的相关要求。而海上天然气处理平台因火炬燃烧产生大量黑烟，不仅会对自然生态环境造成污染和破坏，同时还会造成天然气的浪费和损耗，严重影响经济效益和生态效益的稳步提升。通过开展火炬气回收处理，能够有效减少温室气体的排放数量，同时还能增加天然气的供应总量，实现能源的节约利用的，推动人与自然的和谐共生。

1 海上天然气处理平台火炬气回收的现实意义

火炬气本身其实是天然气的其中一种叫法，主要由烷烃所构成，另外还有硫化氢、二氧化碳，以及氮气、水分和少量的惰性气体，在特定环境下存在燃烧或者爆炸等风险。以前在对海上天然气进行开发的过程中，由于技术水平尚未达到当前的阶段，加上少部分火炬气是通过设备仪器经过处理后过滤出来的，本身数量偏少，回收处理并不方便，因此经常会通过将其引入高空燃烧的方式来进行处理。结合丘陵联合站火炬放空系统的成功处理案例，实现海上天然气处理平台的火炬气回收，促进天然气能源的循环开发与利用。

2 现阶段海上天然气处理平台火炬气回收工艺

2.1 可回收气来源与气量分析

第一，是装置运行损耗气，例如设备仪器密封气损耗、阀门内漏、不凝气排放等，由于后两者本身具有不确定性，所以无法对其进行完全掌控，且本身其总体流量相对较少，可以在其进入到火炬汇管之后再对其进行回收处理。第二，是火炬筒体的引导气，为了确保火炬内气体的稳定高效燃烧，以及完成废气的全面分解，需要适度引进干气来为燃烧提供引导作用，相较于装置运行损耗气来讲，引导气本身相对比较稳定，且能够通过人工操作的方式进行掌控，可以完成火炬系统点火技术的优化改造后进行回收处理。第三，开启和关闭机器所产生的排放气，相关工作人员在装置开关机时，会按照固定的操作程序来对各个单元具体装置实施高效有序且能够掌控的冲压和泄压操作，在这过程中往往会产生大量气体，由于本身是通过人为控制而产生，因此可以通过回收设备来对其进行处理。

实验证明，放空火炬的气体具有流速低、压力小、瞬间放空以及持续放空变化极差大等特点，因此可选择使用火焰高度法和累积气量差值法来进行评估和计算，前者主要是按照火炬内部火焰的高度来对火炬气体流速和释放热量等工作原理进行计算，应用范围相对比较广泛。

需要注意的是，该公司仅仅适用于天然气处理平台火炬头出口气体马赫数Ma≤0.06；L代表火焰高度，D代表火炬头出口的总体直径大小。而累积气量插值法通常被应用于装置内部消耗的气体总量和燃料气体总量的分析中，通常放空火炬的气体数量大约为设备装置本身消耗和燃料气体总量之间差额的95%，另外5%则是跑冒滴漏的平均数值[1]。

2.2 分析和确定火炬气回收工艺的路线

以回收利用的主要方式进行划分，通常表现为原料型和燃料型，经过反复实验和综合分析，最终在对海上天然气处理平台火炬气回收时，选择运用原料型回收火炬气的工作方案，其主要的运行路线以气柜储存加压回收和直接抽吸压缩回收为代表。在气柜存储加压回收的工艺中，火炬气的放空气体可以得到一定缓冲和滞留，加上不同仪器设备的火炬气在气柜中进行混合，能够在一定程度上降低总体组合的实际波动范围，使后续的压缩机器能够保持稳定的操作，实现回收效率高达95%的目标。但由于额外增加了气柜装置，投资成本相对偏大，还会消耗更多的占地面积，一旦发生故障问题，则通常需要高昂的维修费用，对经济效益的增长产生一定影响。直接抽吸压缩的回收工艺技术虽然投入的资金相对较少，但是由于没有气柜来进行缓冲，所以产生的回收效率会整体相对偏低，系统内部管网的压力波动更大，容易出现不稳定的情况。

2.3 明确关键设备的型号选择和参数要求

首先，对于气柜储存加压回收工艺而言，气柜的选择必不可少，目前主要分为干式气柜、湿式气柜和膜式气柜等3种类型，其中，干式气柜通常以传统的威金斯干式气柜为代表，其主要以侧板、顶架、立柱、活塞以及密封橡胶膜和活塞调平装置等构成，通过在外壳内形成可活动的活塞，并使用合成橡胶来制作密封的薄膜，使其形成储存气体的实际空间。湿式气柜本身钢材料的使用数量相对较少，施工难度也相对偏低，但是由于本身内部设置水封装置，因此其柜体相对于干式气柜来讲会更加容易出现锈蚀情况，导致其总体使用寿命相对偏短，需要耗费大量的资金来进行维护[2]。

2.4 开发海上火炬气回收安全控制系统

参照三气场火炬系统开发海上燃气处理平台火炬气回收安全控制系统，要求系统内具备紧急放空设备、应急点火技术以及防回火技术，以确保火炬系统正常运行，同时高质量完成火炬气回收工作[3]。

第一，具备紧急放空设施。紧急放空设备已经成为重要内容之一，主要是为了保障装置在异常情况下也能够正常运行，能够顺利回收火炬气，同时也要保障回收工作的安全性以及稳定性。通过分析三气场火炬气系统，发现在紧急设施设计中需要具备以下几点内容。首先，需要具备紧急放空阀，启动快速球阀具备灵敏性的优点，同时结构设计相对简单，能够满足设备紧急状态下的切换需求；其次，需要具备水封设施，一般情况下会选择使用水封罐作为水封设施，其具备防止回火的优点，并且能够将其作为压力设备进行使用，使用价值相对较大；最后，需要具备非重闭式压力泄放装置，确保当预定值达到一定数值后及时泄放出特定气体。

第二，具备应急点火技术。标准的应急点火系统需要具备3个部分：（1）火炬长明灯需要优选节能型长明灯，并确保长明灯以最佳的状态运行，其中节能型长明灯具备使用寿命长、低污染等优势；（2）高空高压点火装置将高压发生器放在地面，主要用于长明灯以及火炬的点火；（3）地面爆燃系统对于气密性具有极高的要求。另外还需灵活使用防回火技术，主要是为了避免空气进入放空气系统中引发爆炸问题，如在火炬头前设置阻火器等设备，避免火焰熄灭等问题。除此之外，需要确保回气量的最小化，尽可能地避免空气流入。

2.5 结合实际情况确定最终回收方案

（1）确定科学的工艺方案。当装置正常运行时保障设备内部水封高度的合理性，同时借助背压将火炬气放空。若气柜中存储的气体总量已经达到了一定阈值，则要及时启动气体压缩设备，将气体借助机器压强进行回收。在这个过程中需要注意的一点是，尽可能地降低原料气压上升对机器运行产生的不良影响。当装置处于紧急状态时，要及时关闭阀门，确定放空的火炬气进入到筒体内部后将长明灯点燃，利用专门的仪器设备进行检测，若检测到对应的信号，则重新打开阀门，正常进行火炬气回收。

（2）确定合理的控制方案。为了保障火炬气回收工作的正常运行，要求制定出两套控制方案，一套运用正常运行状态，而另一套用于紧急状态。正常运行状态下的控制方案需要明确控制的主要内容，对于橡胶薄膜干式气柜，主要的控制内容是对气柜内部活塞板高度的有效控制，采用的主要控制方法是通过调整电机频率实现活塞高度的控制[4]。紧急状态下控制方案的关键内容在于系统的切换，必要时以手动的方式控制开关；应急点火的控制方案主要是为了能够确保处于紧急状态的装置能够在火炬气进入到筒体后，孔明灯能够顺利点火，其中若是点火装置出现异常则会启动自动式点火模式。

3 高压火炬气与低压火炬气的不同回收方案选择

3.1 高压火炬气回收方案的优化选择

由于海上天然气处理平台火炬气回收工作的特殊性，在高压火炬气回收处理的过程中，初步确定两种工作方案，以期达到火炬气回收的理想效果。第一个方案是通过新增加一台凝析油处理系统的增压泵，帮助有效提高二级分离系统和凝析油闪蒸罐的总体压力数值，确保其始终处于2000kpa(G)以上，并且经过持续增压达到2500kpa(G)，进而通过使其压缩机来对其进行有序回收处理。而第二个方案同样是新增加一台增压泵，带动二级分离系统和闪蒸罐内部压力的持续上升，确保其压力处于2500kpa(G)以上，并通过设置新增管线的方式，把凝析油闪蒸罐内的蒸汽引导进湿气压缩机的入口周边，从而有效达到火炬气回收的主体目标。

3.2 低压火炬气回收方案的优化选择

通常海上天然气处理平台火炬气回收的过程中，低压火炬气主要来源于三甘醇再生系统汽提气和乙二醇再生系统的放空气，其中前者占据总比例的60%以上，且最高温度能够达到90℃，后者单日的放空气量大约在5000Sm3。为了有效实现对低压火炬气的有效回收，通过对水封罐回收和压力控制回收两种不同的方案进行对比。前者主要适用水封罐、低气压回收压缩机和补水系统，经常被应用于陆地的油田开发工作，具有更高的安全系数。但是因本身占地面积相对较大，在海上操作比较困难，对于海上天然气处理平台火炬气回收工作存在一定限制和阻碍[5]。而后者出现意外事故的情况下，对阀门的总体性能具有更高的要求和标准，在爆破片出现不同程度的损坏后，必须立即对其进行更换。

4 结束语

综上所述，在对海上天然气处理平台进行火炬气回收处理的过程中，需要充分结合目标区域的实际情况，实时调整各项应用设备的具体工作参数，可以有效实现天然气资源的循环利用，促进能源结构的优化调整。加上做好火炬气回收处理工作，可以减少对自然生态环境平衡的破坏，带动社会经济效益和生态效益的同步增长，深入发掘低碳节能环保的内在潜力，为可持续发展战略的有机达成奠定基础。