基于动态仿真的火炬气回收系统超压保护措施

马晨波

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

火炬系统收集管网中来自不同设备单元的放空气,经火炬臂送至火炬头进行燃烧处理。这部分通过火炬燃烧的气体常被称为“火炬气”,通常具有较高的热值[1-3]。火炬气的燃烧会加剧全球温室效应,同时造成油气资源浪费和经济损失[4-6]。根据世界银行在2023年3月发布的全球火炬气跟踪报告,2022年度全球火炬气放空量高达139亿立方米,中国排放量位居第10位,约占全球火炬气总排放量的1.8%[7]。由多国政府、公司和多边机构组成的全球天然气减少空烧合作组织,要求在2030年务必终结火炬气的连续放空,实现火炬气“连续放空零排放”[7]。

根据放空情形的不同,火炬气放空可分为连续放空和应急放空两类[8]。连续放空通常是满足工艺流程控制需求的放空,以及来源于设备的计划关停、阀门泄漏、管汇吹扫、不合格气排放等;应急放空则是出于对工艺设备的安全性保护,将系统中火灾、堵塞等工况引发系统超压的气体放空,以保护相应的设备设施。火炬气回收是油气资源再利用、节能环保的有效方法。火炬气回收应按照“应收尽收”的原则,尽可能将工艺流程中的放空气全部回收。但由于应急放空具有时间不确定、流量变化大的特点,难以实现回收再利用。因此,火炬气回收系统主要收集工艺流程中的连续放空气,但该回收系统的设计同样需满足应急放空的要求。

火炬气回收系统包含火炬气回收再利用和超压保护两方面。已有大量学者对火炬气回收技术展开了研究,并结合应用场景对比了火炬气回收不同技术方案的特点。根据火炬气回收技术特点主要分为气液转化[9-11]、发电[12-14]和增压三类[15-17]。Rahimpour 等[15]针对伊朗南部的Asalooye天然气炼化厂研究发现,相比于液化和发电,火炬气增压所需的投资成本更低。Mousavi 等[18]对比了增压和发电两种火炬气回收方法,发现增压回注是减少火炬气的最优方法之一。Jokar 等[19]针对2个伊朗油田研究发现,增压和发电对于小型和中小型工厂更为适用。火炬气回收技术已在国内外部分油气田进行了应用。Denney等[20]研究显示,美国El Ebanito油田采用火炬气回收技术回收的气量每年可创收336 780美元。Peeran等[21]的研究报道表明火炬气回收技术已在墨西哥原油储罐、英国北海平台、尼日利亚油田成功应用。Ainge等[22]介绍了沙特阿拉伯某天然气厂采用射流器实现了354 m3/h火炬气的成功回收。张绍谦 等[23]将射流增压技术首次应用于渤海油田低压气的回收,预计全年低压气回收量可达365万m3,减少碳排放约7 784 t。可见,现有关于火炬气回收系统的研究,主要集中在火炬气回收或再利用方面,而对于火炬气回收系统的安全核心——超压保护措施,目前的研究深度明显不足。在Peeran等[21]的研究中,仅描述“应确保火炬气回收系统的超压保护可靠,且火炬气回收系统中火炬支路的快速开关阀要在SIL 3等级以上”。API 521推荐做法[24]中明确了超压保护措施及其安装位置,但对于火炬气回收系统的关键参数(如压力高高关断、开阀时间等)并未给出具体指导意见。可见,火炬气回收系统超压保护措施的关键参数缺少定量分析手段,仅停留在定性认识层面。本文以国内首个海上火炬气回收系统示范应用项目——文昌9-7 海上钻井生产平台为例,采用K-Spice动态仿真软件建立了火炬气回收系统仿真模型,研究不同连续放空气量和应急放空等工况下系统的超压情况,提出了火炬气回收系统的超压保护方案,以期为后续火炬气回收系统的设计提供参考。

1 火炬气回收系统工艺流程

传统火炬系统由火炬管汇、火炬分液罐和火炬组成(图1a)。火炬管汇接收来自上游设备设施的火炬气,经过火炬分液罐进行气液分离后,气相经过管线直接去往火炬,该管路上不设置阀门,因此火炬系统没有压力高高关断(pressure alarm high-high,PAHH);分离的液相通过重力自留或泵增压的方式送至下游。不同于传统的火炬系统,火炬气回收系统的工艺中(图1b),经过火炬分液罐分离后的气相则根据不同的泄放工况去往不同支路:①正常情况下,通往火炬支路的快速开关阀(emergency shutdown valve,ESD)处于关闭状态、回收支路的ESD处于打开状态,连续放空的火炬气通过回收支路去往下游的回收装置;②紧急情况下,应急放空的火炬气经管汇进入火炬分液罐,当罐内压力积聚到一定程度时,去往回收装置的快速开关阀关闭,火炬放空支路的快速开关阀打开,应急放空的火炬气去往火炬燃烧。为了确保系统能够及时泄压,火炬放空支路的快速开关阀作为火炬气回收系统的一级保护措施,通常按照一用一备设计。对于火炬气回收系统而言,PAHH的意义在于当火炬分液罐内压力达到设定值时,回收支路的ESD关闭,同时火炬支路的ESD打开。爆破膜(pressure safety element,PSE)作为系统的二级保护措施,与快速开关阀并联设置。为了防止火炬筒体倒灌空气,火炬支路无排放情况下采用燃料气或氮气作为吹扫气进行吹扫。

图1 传统火炬系统和火炬气回收系统工艺流程示意图

2 火炬气回收系统动态仿真模型

2.1 系统基础参数

火炬分液罐为气液两相分离器,其尺寸为3 600 mm(内径)×7 400 mm(长度)。火炬气来源可分为连续放空和应急放空两类,连续放空量根据周边平台统计的实际放空量,结合本平台工艺流程预估为400 m3/d;应急放空量是平台压缩机堵塞工况的最大放空气量,为140×104m3/d。火炬气组分见表1,火炬气回收系统各管线尺寸见表2。

表1 火炬气组分

表2 火炬气回收系统各管线尺寸

2.2 火炬分液罐压力设定

火炬分液罐属于压力容器的一种,参照QSH 3042规范[25]得到其设定值。火炬分液罐正常工况下操作压力(operating pressure,OP)为10 kPa,压力高高关断(PAHH)为210 kPa,设计压力(design pressure,DP)为460 kPa。PAHH是整个火炬气回收系统ESD动作的重要判据,按照现行规范得到的火炬分液罐PAHH(210 kPa)设定值明显偏高,会导致平台流程中诸多低压设备在事故状态下无法及时泄放至火炬分液罐。因此,火炬气回收系统的PAHH不能直接参照现行压力容器PAHH推荐设定值来确定。

2.3 系统仿真模型

根据火炬气回收系统工艺流程图(process flow diagram,PFD)和设备设施的管道仪表流程图(piping &instrument diagram,P&ID),在K-Spice软件中建立了火炬气回收系统动态仿真模型(图2)。火炬气回收系统压缩机处理能力考虑设计裕量,将其设定为连续放空气量的1.2倍,即压缩机设计处理能力为480 m3/d。火炬气动态模型入口采用流量边界,出口采用压力边界,各节点的工艺参数根据质量-流量网格求解得到[26-27]。

图2 基于K-Spice的火炬气回收系统仿真模型

3 火炬气回收系统超压保护措施分析

火炬气回收系统涉及连续放空和应急放空两种工况。正常情况下,火炬气回收系统将连续放空气进行回收利用;当连续放空气量超出回收装置的设计能力时,火炬气分液罐会出现憋压情况,需进行超压分析。针对应急放空,火炬气回收系统设置有火炬支路ESD(一级保护)和爆破膜(二级保护),需根据平台最大应急放空量对上述两级保护措施进行定量分析,以确保系统安全。

3.1 连续放空流量对系统超压保护的影响

目标平台火炬气回收系统正常运行时(分液罐内压力 10 kPa,温度 20.01 ℃)回收流量为400 m3/d,火炬气的回收流量存在小幅波动,最大连续放空火炬气流量不超过600 m3/d。因此,以正常工况(分液罐内压力 10 kPa,温度 20.01 ℃)为基础,模拟分析不同火炬气连续放空流量下(320～600 m3/d,间隔40 m3/d),火炬分液罐内的压力变化情况。开始的0.5 h内,火炬气回收系统稳定运行,分液罐内操作压力为10 kPa;从0.5 h起,火炬分液罐入口流量分别变化至不同流量后维持不变,入口气组分始终为连续放空气组分。以压缩机的设计能力(480 m3/d)为界限,分析火炬分液罐在不超过设计流量(≤480 m3/d)和大于设计流量(>480 m3/d)两种情形的压力变化情况。

当火炬气系统入口流量不超过压缩机设计流量时,压力变化呈现出3种情形(图3a):①当入口流量小于400 m3/d时,分液罐内压力经历“先降低后升高”的振荡,最终稳定在10 kPa不变;②当入口流量介于400 m3/d至480 m3/d之间,分离器内压力呈现出“先升高后降低”的振荡,最终稳定在10 kPa;③入口流量为480 m3/d(压缩机设计能力)时,分液罐内压力迅速升高后逐渐降低,最终稳定在10 kPa。由此可见,当火炬气分液罐入口流量不超过压缩机设计流量480 m3/d时,分液罐内压力最终都会稳定在原操作压力10 kPa。

图3 不同连续放空流量下火炬分液罐内压力变化

当火炬分液罐的入口流量超出压缩机设计流量时,罐内压力呈现出“先快后慢”升高,最终基本稳定的变化(图3b)。当入口流量为600 m3/d,火炬分液罐内操作压力升高至38.5 kPa后基本稳定。因此,将连续放空情况下,最大入口流量下分液罐内的最高压力作为火炬分液罐的PAHH,即PAHH为38.5 kPa。可见,目前QSH 3042规范推荐的PAHH设定值(210 kPa)明显偏高,建议按照动态仿真所得火炬分液罐的PAHH设定值(38.5 kPa)调整系统的PAHH设定值,从而满足平台低压设备的泄放背压要求。

3.2 火炬支路ESD开阀时间对系统超压保护的影响

火炬支路的ESD是火炬气回收系统的一级保护措施,在连续放空正常流量变化范围内保持关闭状态;应急放空时,火炬分液罐内压力积聚至PAHH时火炬支路ESD开始打开。火炬支路ESD的开阀时间对系统安全尤为重要,如果该ESD开阀时间较长,可能导致分液罐内压力超过设计压力无法有效保护容器,同时也会触发爆破膜保护(一级保护与二级保护同时启动,不相互独立)。因此,需要确保在应急放空工况下,ESD打开后分液罐内最大压力低于其设计压力。

以火炬气回收系统正常工况(分液罐内压力 10 kPa,温度 20.01 ℃,入口流量400 m3/d)为基础,模拟分析了应急放空时ESD不同开阀时间(基于火炬支路管线尺寸(表2),经咨询厂家,分别设为15、20、25、30 s)下分液罐内的压力变化情况(图4a)。可以看出,在开始的10 s内,火炬气回收系统稳定运行,入口流量保持400 m3/d不变,入口气为连续放空气组分(表1),火炬支路的ESD处于关闭状态,回收管路ESD处于打开状态;从10 s起,入口流量变为140×104m3/d并维持不变,入口组分变为应急放空气组分(表1),分液罐内压力经历了“先升高、后降低,最终稳定”的变化。分液罐内压力在21.1 s后达到PAHH时,火炬支路ESD开始打开,回收支路ESD开始关闭,压缩机停机,其中回收支路ESD关阀时间为2 s。进一步分析不同火炬支路ESD的开阀时间对分液罐内压力的影响:当火炬支路ESD的开阀时间为15 s时,分液罐内压力在27 s达到最大值356 kPa,明显低于分液罐设计压力(460 kPa);当开阀时间为25 s时,分液罐内压力在31 s达到最大值446 kPa,接近分液罐的设计压力;当开阀时间为30 s时,分液罐内压力在28 s达到463 kPa,已超过分液罐的设计压力,最大值出现在33 s,为485 kPa。为了得到应急放空工况下ESD合理开阀时间的最大值,进一步调整ESD开阀时间试算得到:火炬支路ESD开阀时间为27 s时,分液罐压力在32 s达到最大值460 kPa(火炬分液罐的设计压力)(图4b)。由此可见,火炬支路ESD开阀时间小于27 s可确保应急放空过程中分液罐内最大压力低于分液罐设计压力。

图4 放空支路ESD不同开阀时间下的分液罐压力变化

3.3 爆破膜选型对系统超压保护的影响

一般地,火炬气回收系统出现超压情况,应由火炬支路的ESD泄压保护。但火炬系统作为海上平台安全保障的最关键系统,应慎重考虑其安全性。爆破膜作为火炬支路ESD的后备,是火炬气回收系统的二级保护,同时也是该系统的最终保护手段。本研究中爆破膜起跳压力与火炬分液罐设计压力保持一致。以火炬气回收系统稳定运行(分液罐内压力 10 kPa,温度 20.01 ℃)为基础,模拟分析应急放空情况下,火炬支路ESD故障失效,分液罐内采用爆破膜泄压保护的情况。开始的30 s内,分液罐入口流量维持400 m3/d,入口气为连续放空气组分,从30 s起入口流量变为140×104m3/d并维持不变,入口气变为应急放空气组分,分液罐内压力迅速升高;当压力达到分液罐PAHH时,火炬支路ESD故障关闭,回收支路ESD开始关闭,压缩机停机;当压力达到分液罐设计压力时,爆破膜起跳开始泄压。按照泄放面积从大到小依次针对4类爆破膜进行了超压泄放模拟:Z、W、T、R型爆破膜泄放面积分别为 0.102 6、0.036 9、0.016 8、0.010 3 m2。

分析不同类型爆破膜泄压时分液罐内压力变化情况,可以看出:43 s时火炬分液罐内压力达到设计压力,爆破膜起跳进行泄压保护;Z型爆破膜泄压后,分液罐内压力迅速下降最终稳定在139 kPa;W型爆破膜泄压后,分液罐压力下降后最终稳定在261 kPa;而R型和T型爆破膜泄压时,由于泄放面积较小,导致应急放空过程中火炬分液罐内压力没有降低反而继续升高,无法起到保护分液罐的作用(图5)。可见W型和Z型爆破膜均能实现火炬分液罐泄放后降压,但考虑到火炬分液罐内压力对上游设备设施泄放时背压的影响,同时兼顾火炬气回收系统爆破膜起跳后应尽快降低分液罐内压力,针对本文火炬气回收系统,建议采用Z型爆破膜。

图5 不同类型PSE泄压时分液罐内压力变化情况

文昌9-7海上钻井平台设计中结合上述关键参数形成了一套完整的火炬气回收方案。目前该平台作为国内首个海上火炬气回收系统的示范应用项目,已进入建造阶段,其火炬气回收系统的应用将实现该平台“常规零排放”,预期回收火炬气气量可达13万立方米/年以上,碳减排效果显著。

4 结论及建议

1) 对于火炬气回收系统,分液罐PAHH设定值应根据连续放空气量变化情况来确定。本研究项目依据现行规范推荐的PAHH设定值为210 kPa,明显偏高,应调至38.5 kPa,以确保超压值不高于分液罐设计压力又满足平台低压设备的泄放背压要求。

2) 应急放空工况下,为了确保火炬回收系统超压值不高于火炬分液罐的设计压力,同时确保一级保护和二级保护相互独立,需根据超压情况确定火炬支路ESD合理的开阀时间。本研究项目火炬支路ESD的开阀时间应小于27 s。

3) 爆破膜作为火炬气回收系统的最终保护措施,须确保火炬支路ESD故障时,应急放空过程中分液罐内压力不超过设计压力,同时爆破膜泄压要考虑对上游设备设施泄放背压的影响。本研究项目最终选择Z型爆破膜。

4) 建议后续研究可结合平台油气工艺流程和设备设施情况,进一步明确火炬气回收系统压力变化对全平台工艺系统的影响。