火炬气回收技术研究与实施

刘帮文，尚玉明，黄 粤

（中国石油吐哈油田分公司鄯善采油厂，新疆 鄯善 838202）

一、课题背景

丘陵联合站火炬放空系统是在油田建设初期建成投用的，主要包括放空总管、火炬分液罐和主火炬。正常情况下，火炬放空天然气的组成有原料气压缩机开停机切换排放、设备气封气正常消耗、工艺阀门泄漏、气动调节阀泄漏以及火炬长明灯耗气的需要，共计每天燃烧天然气量约7 000~9 000m3。丘陵联合站火炬放空系统流程示意图见图1。放空天然气燃烧不仅会造成资源浪费，而且严重污染大气，急待消灭火炬放空。

图1

二、回收工艺

吐哈油田针对火炬放空浪费能源、污染环境的现状，与某研究所合作进行技术攻关。

1.工艺简述

火炬气回收必须保证不破坏原有安全保护功能。其工艺路线是：正常运行工况下，火炬气经火炬气抽吸设备进入天然气回收系统，火炬气回收后，火炬系统压力随之降低，可能发生空气倒吸回火炬系统，需要增加阻止倒吸；事故运行工况下，放空气量增大，火炬回收设备无法回收所有气体，火炬系统自动点火，安全放空燃烧。回收工艺流程示意图见图2。

图2

2.设计参数

火炬总管压力3～40kPa（表压），火炬气温度-5～50℃，火炬放空气量8 500m3/天（正常），172 000m3/天（最大）。

3.工艺流程

正常工况：火炬气——火炬气抽吸设备——进轻烃回收系统；事故工况：火炬气——分液罐——总管蝶阀——阻火器——自动点火装置——点火燃烧。

4.主要工程量

该项目是在现有设备的基础上进行改造，实现火炬放空气的回收，改造过程中新增设备有钢法兰闸阀、差压变送器、温度变送器、气动蝶阀、气动调节阀、爆破片、火炬阻火器、FCS现场控制系统、通信卡FORSIEMENSS7、电磁阀、UPS不间断电源、高空自动点火装置。

三、技术研究与实施

1.电子调速技术

结合现场实际，发现现场有一台运行中的低压天然气压缩机，其进、排气压力范围及处理余量和抽吸火炬气的条件接近，数据见表1。

利用现有设备实施技术改造。首先，利用现有管线连通火炬汇管与低压天然气压缩机进口，建立火炬回收的工艺流程。然后，为了适应火炬系统低压范围，通过咨询往复式压缩机厂家，将进气压力低限设定从5kPa降低到3kPa。技术的关键是压缩机需要适应11.5～18.5万m3/天大范围的处理量。利用现有的压缩机回流工艺可以实现低流量范围内调节，但是回流工艺将压缩机出口气体返回到入口维持进气压力，从节能上是不合理的。此次技术改造将GOV10电子调速器替代了原机组手动机械液压式调速器。GOV10是美国某公司针对天然气发动机或内燃机设计的一种高科技电子产品，它集成了先进的测量、控制技术以及现代信息技术，近几年广泛应用于各种天然气发动机的调速控制。GOV10电子调速器在机组上配套技术应用之后，压缩机转速能够依据进气压力自动调节，处理气量范围在4 800～7 700m3/h，满足了火炬系统大范围放空量的需要。

表1

图3

2.压力控制技术

火炬气回收自动控制逻辑关联图见图3。实现火炬气回收，需要满足两方面工艺控制要求：一是能够自动调节回收火炬系统天然气；二是火炬系统有大量放空时能安全放空燃烧。控制技术由二台气动调节阀完成，分别是火炬气回收调节阀和火炬总管蝶阀，控制方案如下： （1） 当火炬总管压力高于20kPa时，火炬气回收调节阀打开，低压天然气压缩机开始抽吸火炬气； （2） 当火炬系统压力继续升高，达到40kPa时，火炬气回收调节阀关闭，停止抽气，防止憋停低压天然气压缩机； （3） 当火炬系统压力继续升高，高于50kPa时，表示低压天然气压缩机没有能力再抽吸火炬天然气，火炬总管蝶阀自动打开放空燃烧； （4） 当火炬系统压力回落到5kPa时，火炬总管蝶阀自动关闭，当检测到火炬总管压力高于20kPa时，火炬气回收调节阀开始打开进入抽吸火炬放空气的状态。

3.蝶阀密封技术

传统的火炬密封为保证密封性能一般使用水封罐水封阻隔，随着现代技术的发展，蝶阀密封性能已经达到火炬气封的要求，该项目选用KOSO气动蝶阀，该产品已经达到美国ANSIB16·104-1976调节阀泄漏量Ⅴ级标准，泄漏量满足小于20m3/h的要求（总管压力50kPa的工况下）。选用蝶阀密封避免了水封罐冬季冻堵的可能。

选用蝶阀密封的同时，也安装了爆破片和阻火器保证系统安全。火炬气动蝶阀并联爆破片旁通回路一套，以防止气动蝶阀故障时火炬总管的通畅，从而达到保护站内装置和火炬系统的目的。设置火炬阻火器一套，气体分级IIB级，选用波纹板式阻火器，材质304SS。设计最恶劣工况下可有效防止火炬回火，产生的压力降满足火炬回收和正常排放的需要。

4.自动点火技术

自动点火装置型号为DHS-B，由火焰温度检测、火炬压力检测、高能点火发生器、高压电缆、抗蚀电极发弧装置、电磁阀组、高空点火枪以及一套PLC系统组成。从安全方面考虑，自动点火装置采用“双保险”的一备一用的设置。另外，考虑到高压电缆易被火炬点燃发生故障，项目施工过程对高压电缆做了阻燃技术处理。

PLC系统设置西门子分布式现场总线控制，就地安装在火炬区，并就近将火炬总管压力信号、火焰温度信号、火炬总管蝶阀开关位置以及高压发生器点火动作、点火电磁阀等控制信号引入到该PLC柜，实现自动点火。

点火方案是：根据火炬总管压力信号判断是否有天然气排放，并根据长明灯的温度信号决定是否发出点火信号。若火炬系统有天然气排放，并且长明灯处于熄灭状态时，点火控制单元将发出点火信号，打开燃料气管线上的点火电磁阀，并触发高空点火装置点燃高空点火枪。当火炬热电偶检测到高空火炬已燃，点火控制单元将切断燃气电磁阀，停止点火，自动点火系统回到巡检状态。

四、实施效果

项目自2006年4月开始，2007年3月投运，从此燃烧了13年的丘陵油田放空火炬熄灭。项目实施过程中应用了多项国内外领先技术，解决了压缩机气量自动调节、回收系统压力自动控制、火高空自动点火等技术难题。特别是为了避免使用传统水封罐带来水的消耗和冬季冻堵等安全问题，首次大胆采用了大口径蝶阀，成功实现了火炬系统密封。

该项目取得了良好的经济效益和社会效益，项目改造一次性投资65.5万元，实施后每天节约天然气8 500m3，按照0.7元/m3计算，年经济效益214万元。该项目产生环保效益意义重大，项目实施后每年减少二氧化碳排量约6 825t。参考文献：

[1]陈永江.火炬气回收系统的设计 [J].石油化工设计，2002（3）.