苏里格天然气处理厂放空技术优化探讨

刘子兵，郭瑞华，薛政

1.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710018

2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗017300

苏里格天然气处理厂放空技术优化探讨

刘子兵，郭瑞华，薛政

1.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西西安710018

2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古乌审旗017300

文章对苏里格气田50亿m3/a标准化天然气处理厂放空系统的6项优化技术进行探讨分析，通过采用与ESD系统联锁等级的有效结合，减小放空系统规模超过1/2；通过调整放空阀组的设置，进一步提高了放空系统的安全性和可靠性；通过采用音速火炬，节省放空系统的投资超过30%；通过熄灭火炬长明灯提高处理厂的节能减排效果；对安全阀进行优化；采用分子封作为防回火措施，使整个放空系统运行更加安全可靠。

天然气处理厂；放空系统；ESD；放空阀组；长明灯；安全阀；分子封

1 概述

为提高天然气处理厂运行过程中的安全等级，降低意外事故导致严重后果的几率，同时尽可能减小放空气量进而减轻对环境造成的污染，处理厂必须设置可靠的放空系统[1]。放空系统是一个庞大而复杂的系统，一般包括放空阀组、系统管网、分液装置、火炬及点火装置、控制系统等，在处理厂意外事故下紧急启动放空阀组，截断必要的SDV（紧急截断阀），打开对应的BDV（紧急放空阀），达到切断气源和放空泄压的目的，从而减轻事故后果。

放空阀组是放空系统的核心，其数量、位置、规格和控制方式决定了放空规模、气量和系统的安全性与可靠性，也决定了系统的工程投资。

以苏里格气田50亿m3/a（20℃，101.325 kPa，以下略）的标准化天然气处理厂为例，该类处理厂主体工艺装置包括500万m3/d脱油脱水装置3套，250万m3/d天然气压缩机组7台，集配气装置、清管装置、进出站阀组及甲醇回收、凝析油稳定和放空系统等装置各1套。第一座标准化天然气处理厂已于2009年建成投产，稳定运行至今，第四座标准化天然气处理厂已于2013年底建成并顺利投产。

2 天然气处理厂放空优化

2.1 放空规模的优化

第一座标准化天然气处理厂设计放空规模为1 500万m3/d，放空规模与处理厂处理规模相同，设计理念是全处理量放空，主要依据《气田天然气净化厂设计规范》[2]中的相关规定和气田集输系统及处理厂的自控设置等级。该放空规模明显偏大，既增加投资，又浪费天然气资源。

在进行其余标准化天然气处理厂设计时，经过HAZOP专业分析，把放空系统的设置与安全仪表系统的ESD联锁功能有机结合，把ESD联锁功能分为四个等级：1级为全厂ESD关断并泄压；2级为全厂ESD关断不泄压；3级为单元装置ESD关断不泄压；4级为设备级ESD关断不泄压。

在满足最不利工况的泄压需求时，尽量减小放空规模。经分析，处理厂大面积火灾事故下对应ESD1级，要求紧急切断气源，并对厂内设备、管系储存气体进行紧急泄放降压，厂外集气干线、外输管道储存的天然气不联锁泄压，从而避免了全处理量放空的方式。

根据APIRP 521的规定，火灾泄压放空通常根据输送介质是否含有轻烃来设置泄放压力。对于输送介质含轻烃的装置，应在15 min内降至690 kPa或压力容器设计压力的50%，取其较低者；对于输送介质不含轻烃的装置，考虑15 min内降至压力容器设计压力的50%[3]。苏里格气田天然气中含轻烃较多，因此装置压力在15 min内由最高6.1 MPa降至690 kPa即可，由此确定对应的泄压孔径和瞬时最大放空量。

放空过程为瞬态过程，放空初期由于气源压力高，瞬时气量最大，决定了放空系统的规模，图1及图2即为苏里格气田50亿m3/a处理厂的放空系统动态模拟结果，图1为放空气量的变化曲线，图2为高、低压系统放空压力的变化曲线。放空过程中出现的最大泄放量作为放空系统规模。

图1 放空气量变化曲线

图2 放空压力变化曲线

由于厂内管系中天然气储量是放空规模的主要影响因素之一，若能减小管系的水容积，可大大降低放空规模。因此在处理厂配管设计时，需要对管网的布置、走向进行优化，缩短管系长度；在管系规格选择时，应尽可能提高天然气流速，缩小管系规格。

经过以上措施，放空规模可由1 500万m3/d缩小到700万m3/d以下，大幅度降低了放空系统的规模。

2.2 放空阀组的优化

标准化天然气处理厂的放空阀组统一采用“电动球阀+手动节流截止放空阀”的设置模式，见图3（a）。为了提高放空的可靠性，电动球阀采用“UPS直供电+电缆沟埋敷设”的方式。手动节流截止放空阀的优点是可根据放空实际情况调整阀门的开度，但受人为因素影响较大，存在开度的精度不够的问题，造成放空的不可控隐患增加。在第六处理厂项目设计中则借鉴了国际较为先进的作法，采用了“气动球阀+限流孔板”的设置模式，见图3（b），气动方式更利于故障安全功能的实现，限流孔板可以避免人为误操作的风险，从而提高安全性和可靠性。但要求对设备、管系的水容积和放空点的位置、数量要严格计算和控制，限流孔板的规格既要满足泄放时间的要求，也要满足泄压的需求，因此需利用计算机进行动态计算。

图3 放空阀组优化

2.3 音速火炬的应用

放空火炬的类型根据泄放的流速可分为音速火炬和非音速火炬，音速火炬头采用独特的喷嘴设计，使得具有一定压力的放空气体通过文丘里型喷嘴出口时流速达到或接近音速，其火炬头背压可达0.6 MPa，高压差、高流速排放是其关键技术。音速火炬可实现无蒸汽、宽流量范围的100%无烟燃烧，具有热辐射低、火焰稳定性高、操作弹性大和使用寿命长的优点。放空系统最高运行压力可达到1.0 MPa（而常规火炬一般为0.2～0.4 MPa），具有管网规格小、火炬筒体直径小、分液罐尺寸小的特点，综合投资可节省30%以上。音速火炬在苏里格气田2座标准化处理厂得到推广应用，投运后运行稳定可靠。

2.4 长明灯的优化

目前处理厂的火炬都设有长明灯，其目的是确保放空时天然气能及时燃烧，减少原料气的直接排放，但存在浪费资源和CO2排放量大的缺点。熄灭长明灯每年可减排CO2约980 t、节省燃料气50万m3。

通过设置相关的仪表检测设备、采用自动点火达到熄灭长明灯的目的，由于苏里格气田天然气中不含硫化氢，短时的直接排放对环境影响不大，因此熄灭长明灯从技术和环保方面完全可行。通过在放空总管适当位置设置放空气体的压力或流量检测设备，当检测到压力或流量信号时，指示启动点火系统；并设置火焰检测装置，以确保点火的成功，火焰检测采用热电偶或离子与紫外线的组合检测；流量检测一般采用灵敏度较高的热值流量计。

2.5 安全阀的优化

通过ESD系统进行设备、管系的BDV泄压或高低压SDV自动截断属于外界干预，是仪表保护的范畴，可根据逻辑设定值自动进行联锁，但通常还需设置安全阀作为最后的机械保护屏障。另外根据规范规定，在可能超压的上游压力管道上、压力容器上或高低压系统的低压侧管系需设置安全阀，但存在所有安全阀的泄放量叠加超过处理厂BDV阀的总泄放量的问题，甚至达到处理厂的最大处理规模。为避免该情况的发生，可采用分阶梯设定安全阀起跳值，即把安全阀的起跳压力设置成互有差别，从而避免泄放量的峰值叠加；对管输量较大的压力管道，可采用提高ESD系统SDV阀的SIL等级而取消安全阀。

2.6 防回火措施的优化

由于天然气的密度小于空气的密度，必须采取密封措施来防止空气下沉倒流入火炬而发生闪爆等事故。目前常采用的防止回火措施有三种：阻火器、水封和分子封。阻火器采用金属丝网结构，在实际应用中有被固体等杂质堵塞的情况，造成放空不畅而存在安全风险；水封则采用水封罐，但对于天然气处理厂站，由于放空量大、气体流速高，水气容易被天然气携带，在寒冷地区冬季易结冰而造成安全事故；而分子封是利用一定压力与流量的天然气或氮气，只要天然气或氮气的上升速度大于空气向下扩散速度就可以隔绝空气，从而达到防回火的目的。因而选用分子封，可使整个放空系统运行更加安全可靠.

3 结束语

本文对苏里格气田50亿m3/a标准化天然气处理厂放空系统的6项优化技术进行探讨分析，通过采用与ESD系统联锁等级的有效结合，可减小放空系统规模1/2以上；通过调整放空阀组的设置，可进一步提高放空系统的安全性和可靠性；通过采用音速火炬可节省放空系统的投资30%以上；熄灭火炬长明灯可提高处理厂的节能减排效果；对安全阀的设置提出了优化设置；防回火措施采用了分子封，使整个放空系统运行更加安全可靠。

[1]GB 50183-2004，石油天然气工程设计防火规范[S].

[2]SY/T0011-2007，气田天然气净化厂设计规范[S].

[3]APISTD 521 ERTA-2007，压力泄放和降压系统[S].

Studyon Optimization ofGas Flaring Technique for Gas Processing Plant in Sulige Gas Field

Liu Zibing，Guo Ruihua，Xue Zheng
1.Xi’an Changqing Technology Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China
2.No.3 Gas Production Plant of Changqing Oilfield Company，Wushenqi 017300，China

The six technical optimizations of the gas flaring system at the 50×108m3/a gas processing plant in Sulige Gas Field are discussed and analyzed.The system size can be reduced by more than 1/2 in terms of effective combination with interlock ESD system grade.The safety and reliability of the flaring system can be further improved after adjusting the vent valve group settings.The investment for the flaring system can be saved by more than 30%if the sonic torch is adopted.The effect of energy conservation and emission reduction can be improved after putting out the ever-burning lamp.The safety valve is optimized，and the molecular sealing used to prevent backfire to make the gas flaring system more safety.

gas processing plant；flaring system；ESD；vent valve group；everlasting fire；safety valve；gas seal

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.013

刘子兵（1972-），男，四川南充人，高级工程师，1994年毕业于西南石油大学油气储运专业，现从事天然气集输、净化和油田伴生气综合利用、甲醇水处理等设计及科研工作。

2014-06-20