海上油田火炬气回收技术研究

张海兵，乔胜勇，孙海防，陈景峰，邱 爽，陈长钦

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

火炬在燃烧过程中，向大气排放二氧化碳和其他有害气体，既对环境造成一定程度的污染，也是一种资源浪费。随着国家环境治理力度的加强，碳排放要求越来越严格，陆地石化企业一部分生产装置已经实施了火炬熄灭项目。与陆地石化企业相比，海上油气田由于其地理位置和相对特殊的运行环境，目前还无法实现火炬的“0排放”，因此针对海上油气田火炬气回收的可行性研究十分必要，也非常迫切。

本研究项目以渤海某油田为研究对象，将海上石油平台排放的火炬低压天然气通过新增低压压缩机增压，满足其燃料气压缩机入口压力要求后，与燃料气一起经燃料气压缩机再增压，为燃气透平发电机供气，以补充燃料气缺口。

1 研究概况

渤海某油田中心平台CEPA 通过栈桥与井口平台APP连接，处理来自WHPAⅠ、WHPAⅡ油气混合来液，APP平台生产物流通过栈桥进入CEPA 生产系统。

APP平台配备1台天然气压缩机，增压后的天然气输送到CEPA 平台；两平台天然气汇合后，作为燃料气，供应透平发电机；同时，因燃料气存在缺口，需要从外部天然气海管补充天然气，平均补气约3×104Sm3/d。

APP平台产生低压伴生气通过火炬分液罐排放到火炬燃烧，约0.34×104Sm3/d；CEPA 平台产生低压伴生气，经闭排/火炬分液罐后，通过栈桥排放到APP平台火炬燃烧，约1.46×104Sm3/d。两平台火炬放空低压天然气参数见表1。

由以上数据可以看出，火炬排放低压天然气回收，可有效补充CEPA 平台透平燃料气缺口，具有比较现实的需求。

表1某油田火炬放空低压天然气参数Tab.1 Low pressure natural gas parameters of flare in an oilfield

APP平台及CEPA 平台放空气分析结果如表2所示。

表2 APP/CEPA放空气分析数据Tab.2 Analysis data of air release of APP/CEPA

2 火炬气回收工艺流程及关键设备

在APP平台火炬分液罐和火炬总管之间设置水封罐。在火炬分液罐前火炬总管上引一路气体到新增压缩机，将压缩机组出口管线接至伴生气洗涤罐，经燃料气冷却器冷却后，由APP平台燃料气压缩机再次增压后送入CEPA 平台透平发电机。

火炬气回收工艺流程见图1。

2.1 火炬水封罐

使用火炬水封罐的目的是通过一定高度的水封建立起一定的天然气背压，保证压缩机的安全运转，同时起到确保防火炬回火的安全功能。

2.1.1 水封高度计算火炬设计最大流量41.3×104Sm3/d(数据取自平台基设文件)，安全阀开启最大背压值236.767 kPaA，根据Flaresim 计算，此时火炬分液罐背压值最高为167 kPaA。

模拟最大火区泄放时管线背压，计算结果见图2。

本方案拟新增卧式可调水封罐1套，在原来已有分液罐和火炬之间增设水封罐，考虑设置不同高度的水封，用以满足回收火炬低压气建立不同背压的需求，水封罐背压最大值Pmax应满足：Pmax≤(安全阀设定值×0.21-火灾工况下安全阀压力值)，即：

因此火炬水封罐背压区间0～15.3 kPa，即水封高度必须在0～1530 mm，本次研究确定水封高度500～1000 mm(火炬气背压5～10 kPaG)。

根据计算选用水封罐尺寸为2000 mm(ID)×5000 mm(T/T)。罐内设置堰板、撇油槽及撇油泵，采用定期增加水封液位和撇油泵排放的方法撇油。

2.1.2 火炬气回收在设定水封高度时(火炬气背压5～10 kPaG)，通过压缩机入口分液罐压力变送器控制变频器及回流阀(设定压力8 kPaG)，实现火炬气回收；当火炬气低于3 kPaG 或高于45 kPaG 时，压缩机停止运行，回收系统关停。

图1火炬气回收工艺流程图Fig.1 Flow chart of flare gas recovery process

图2天然气背压计算Fig.2 Calculation of natural gas back pressure

2.2 回收压缩机

根据放空气特点、平台现状及后期维护等方面考虑拟选用滑片压缩机，采用变频+回流控制，压缩机入口分液罐上设置压力变送器，用压力控制变频及回流。对逐年放空气量进行模拟，确定本次研究回收火炬低压气量波动范围为500～20000 Sm3/d，回收量最初按500 Sm3/d，系统稳定后逐步调高回收气量，最终实现全回收。

除了上述压力保护关断功能之外，同时在火炬主管设置超声波流量计。当气量小于1200 Sm3/d 并且持续时间达到10 s时，关停回收系统；当气量回升，火炬总管流量持续10 s 以上大于1200 Sm3/d，可重新启动回收系统。

2.3 火炬改造

更换现有长明灯为高能电点火器的长明灯，通过高压导线及发弧装置点燃长明灯。火炬长明灯长期点燃，确保出现火炬总管排放时能够随时点燃火炬。长明灯配套自动点火系统，一旦长明灯熄灭，控制系统自动启动电点火装置，重新点燃长明灯。选用氮气作为火炬筒吹扫气，以避免空气进入火炬筒发生回火爆燃。

3 经济效益分析

根据平台资料，火炬低压气回收再利用改造，2020—2035年的总节气量为4444.82×104m3，回收气总价值为8889.65万元。按照决策气价参数评价，经济年限至2021年收回成本，投资回收期1.44年，可减少二氧化碳总排放量为164014 t。

4 结论

通过对火炬气的回收利用，可减少平台的放空，降低有毒气体和温室气体的排放量，减少资源浪费，提高经济效益。本次研究分析得出如下结论：

①从火炬气回收再利用的工艺流程、设备、控制仪表等方面分析本方案在技术上是可行的。

②通过火炬气回收，补充燃料气缺口可减少天然气海管补气量，提高经济效益。预计2020—2035年可回收气量4444.82×104m3，回收气总价值为8889.65万元。

③2020—2035年可减少二氧化碳总排放量为164014 t，有效减少温室气体的排放和对大气的污染，具有一定的环境社会效益。