长庆气田处理厂放空火炬设计与应用

周艳杰，王瑛，郝丽，李金森，李增增，王浩，蔡会林，赵建军

（1.中国石油长庆油田分公司规划计划处，陕西西安　710000；2.中国石油大学，山东东营　257000；3.中国石油长庆油田分公司矿区服务事业部兴隆园物业服务处，陕西西安　710000；4.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西靖边　718500）

长庆气田处理厂放空火炬设计与应用

周艳杰1，2，王瑛3，郝丽4，李金森4，李增增4，王浩4，蔡会林4，赵建军4

（1.中国石油长庆油田分公司规划计划处，陕西西安710000；2.中国石油大学，山东东营257000；3.中国石油长庆油田分公司矿区服务事业部兴隆园物业服务处，陕西西安710000；4.中国石油长庆油田分公司第一采气厂，陕西靖边718500）

文章从放空系统放空管线的选取、放空系统设计压力、音速火炬头的原理、火炬塔架的设置等方面进行分析研究。特别是对于常规火炬，放空系统选择的音速火炬关键的部件是火炬头，独特的喷嘴设计是由一定压力的气体通过文丘里喷嘴达到或接近音速，火炬头利用燃气高速流动，带入足够的空气进行混合燃烧，通过这种有效的混合燃烧产生的火焰具有辐射低和燃烧亮度低的特点，火焰稳定，使用寿命长，安全可靠，由于放空气体高压力、高流速，音速火炬筒直径以及整个放空系统的管径低于常规火炬，高度低于常规火炬，因此节约了投资；保障了处理厂的正常生产以及人员安全；音速火炬燃烧充分，减少了有害气体排放，减少了环境污染。

天然气处理厂；音速火炬；马赫数；火炬头

1　火炬应用背景

天然气处理厂中，在开停车、日常运行特别是突发事故发生时，装置将排放出较大量的火炬气或排放气，为保证生产装置的系统稳定和安全，使排气操作尽可能不影响装置自身及周边的正常生产运行，保护周边生态环境，通常将排放气体送到火炬中经过燃烧处理后向大气排放。按照《石油天然气工程设计防火规范》等规定，处理厂应设置火炬及放空系统［1-3］。

目前，国内外成功应用于处理厂的火炬系统按压力等级和马赫数不同，分为音速火炬和常规火炬［4，5］。

长庆靖边气田净化厂均采用常规火炬，常规火炬气体流速低，放空管网庞大且投资较高；而新型的音速火炬出口气体流速高、燃烧充分，热辐射低，DN700、火炬筒高H=80 m的规格即能满足放空要求，缩减了放空管网，降低了投资。

2　设计思路

2.1总体思路

音速火炬相对于常规火炬，具有天然气流速高、放空管网管线震动大、火炬口背压高、放空系统运行压力高、对上游天然气安全阀运行影响大等特点，因此本文从音速火炬头的原理、放空管线的选取、放空管网管线应力分析、放空系统设计压力、火炬塔架的设置以及安全阀的选型等方面进行分析研究。

2.2具体介绍

2.2.1音速火炬头的原理音速火炬头与常规火炬头是不同的，主要特点叙述如下：

（1）火炬头靠近顶部的位置设有阻火环。通过阻火环改变火炬气流截面上的流速分布，通过火炬气或吹扫气变化的流速来阻止外部空气倒入火炬头内部。

（2）火炬头内部设有动态密封装置。采用一层动态密封形式，防止空气侵入筒体内部，形成可燃性混合物，造成不安全因素。为使密封装置正常运行，连续引入小流量密封气体，以保证筒体内的微正压，防止空气侵入火炬系统。

（3）火炬头和稳焰器等火炬头主体上部的材质为310SS，保证其高温强度和抗腐蚀性能。

2.2.2高低压放空系统的确定根据放空气点排气压力差异情况，火炬及放空系统设置有高压放空系统和低压放空系统。高压放空系统用于处理厂及来气干线紧急事故状态的天然气放空（包括集气总站、脱水脱油装置的原料气、脱水脱油装置净化气、外输产品气、脱水脱油装置三相分离器放空气），低压放空系统用于停工检修时系统内的余气和工厂事故状态低压气放空（包括丙烷制冷系统、燃料气系统，凝析油稳定装置的闪蒸气，甲醇污水处理的闪蒸气和不凝气）（见图1）。

2.2.3放空系统压力的确定根据音速火炬的特性，天然气放空时火炬口的背压为0.6 MPa，根据处理厂各放空点的相对位置，考虑到管网压力损失，经过HYSYS软件模拟可知，最远端的放空阀背压可达0.95 MPa。根据《油气集输管子及管路附件选用标准》规范要求：B类（天然气属于此类物质）管路的最低公称压力取1.6 MPa。因此高压放空管线的设计为1.6 MPa。

2.2.4气体排放量火炬气最大排放量确定，一般按停电、停水、仪表空气事故、设备事故等工况进行分析、组合，各种火炬气排放系统必须满足最大工况下事故排放量的需要，以保证排放畅通，不使排放系统出现憋压现象，影响生产装置的安全。

按照国内外规范及大型工程公司论证，最大火炬气排放量可按以下几种方法计算：（1）全部叠加（按事故工况涉及面考虑）；（2）单一最大事故排放量+正常排放量；（3）单一最大事故排放量+30％可能同时发生事故量；（4）单一最大事故排放量×1.1安全系数。本工程按照第一种方法计算排放量，即全量放空，高压放空量为63.1×104m3/h，低压放空量按333 m3/h。

2.2.5放空管线的选取管径计算采用《石油地面工程设计手册第三册》中推荐的强度计算公式：

图1　天然气处理厂高压放空流程图

经计算，高压放空管线管径为DN700，低压放空管线管径为DN200。

强度计算公式采用《气田集气工程设计规范》中推荐的强度计算公式：

经计算，DN700高压管线壁厚为10，DN200低压管线壁厚为5，考虑一定的余量，高低压管线规格分别为：φ711×11、φ219×6。2.2.6火炬塔架火炬塔架结构方法采用先进的有限元方法，计算结果精确可靠。结构设计采取多项措施提高钢结构耐低温脆断破坏能力和结构抗疲劳性能，结构钢材采用低温Q345-E无缝钢管和钢板，节点板采用过渡弧构造，设计满足沙漠寒冷环境的特殊要求。

3　与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

以放空量为63.1×104m3/h的火炬设计为例进行技术经济性对比（见表1）。

因此，音速火炬较之同样放空量的常规火炬具有更优越的性能、更大的处理能力、更好的无烟燃烧效果、更低的热辐射以及更小的初期投资和低的运行费用。

4　应用情况

4.1应用范围

长庆气田某处理厂高压放空火炬均采用音速火炬，音速火炬管径小、燃烧完全，公用消耗低，优势显著，节约了投资成本和运行费用，有效保证了处理厂的正常生产和紧急放空的需要，减少了环境污染。

4.2经济社会效益

4.2.1经济效益

（1）如果是规模50×108m3/a处理厂，则需要DN1000常规火炬，而DN700音速火炬即能满足要求。DN1000常规火炬，单套价格为340万元；而采用DN700音速火炬，单套价格为245万元，节约设备投资95万元。

（2）采用音速火炬，天然气处理厂的整个放空系统的管径均缩小，DN700管线比DN1000管线节省投资约40万元（以处理厂1 km放空总管计算）。

（3）音速火炬不消耗蒸汽和氮气，相应每年节约投资约5万元。

4.2.2社会效益天然气燃烧完全，减少了有害气体的排放，降低了环境污染，减轻了天然气处理厂的环保压力，火焰稳定，抵御大风能力强，且音速火炬操作弹性大，有效保障了某天然气处理厂的安全生产。

表1　音速火炬与常规火炬技术经济性比较表

5　结论

在长庆气田范围内，苏里格某天然气处理厂首次应用音速火炬，解决了以下关键技术：

（1）安全阀的选型：音速火炬由于高的排放压力，导致放空管线安全阀的背压升高，用于常规火炬的安全阀不再适用，因此安全阀重新计算选型。

（2）缩减了处理厂整个放空管网尺寸：在天然气处理厂管网设计中，由于涉及到转向及上管架等问题，大管径的管线走向布置问题是比较棘手的。采用音速火炬后，放空总管由DN1000变为DN700，放空管径变小，管线走向布置问题简单化。

（3）音速火炬高度降低，由106 m变为80 m，解决了火炬及火炬塔架的吊装、施工困难的问题。

（4）实现了高压与低压两套火炬共用一个塔架，节约了投资。

［1］中华人民共和国建设部.GB50183-2004：石油天然气工程设计防火规范［S］.北京：中国计划出版社，2004.

［2］国家经济贸易委员会.SY/T 10043-2002：卸压和减压系统指南［S］.北京：石油工业出版社，2002.

［3］石油和化工工程设计工作手册编委会.石油和化工工程设计工作手册第五册输气管道工程设计［M］.山东东营：中国石油大学出版社，2010.

［4］薛茂梅，系文杰，曹枫，等.ASPEN在火炬排放系统设计的应用［J］.广州化工，2010，38（6）：203-204.

［5］署恒木，魏升龙，杨远，等.天然气处理厂放空火炬系统的稳定性分析［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2013，37 （1）：114-118.

Changqing gasfield treatment plant design and application of the torch vent

ZHOU Yanjie1，2，WANG Ying3，HAO Li4，LI Jinsen4，LI Zengzeng4，WANG Hao4，CAI Huilin4，ZHAO Jianjun4

（1.Planning Department of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710000，China；2.China University of Petroleum，Dongying Shandong 257000，China；3.Company Logisticadministration Business Booming Garden Property Service of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710000，China；4.Gas Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Jingbian Shanxi 718500，China）

The selection of articles from vent pipe emptying system，vent system design principle of the torch head pressure，the speed of sound，the torch tower settings to analysis.Especially for regular torch，blowdown system choice of sound the torch of the key components is the torch head，yes have certain unique nozzle design pressure of the gas through a venturi nozzle at or near the speed of sound，the torch head using high-speed gas flow，into enough combustion air mixed，produced by the effective mixing combustion flame has the characteristics of low radiation and low combustion intensity，flame stability，long service life，safe andreliable，because of vent gas high pressure，high flow velocity，the speed of sound flame tube diameter and the blowdown system pipe diameter less than conventional torch，the torch height is lower than the conventional，so to save the investment.Guaranteeing the normal production of the plant and personnel safety.Sound the torch burning full，reducing the harmful gas emissions，reduce the pollution of the environment.

gas processing plant；sonic torch；mach number；flare header

TE687

A

1673-5285（2016）08-0142-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.033

2016-07-10

周艳杰，男（1985-），河南安阳人，工程师，学士；2007年毕业于西南石油大学建环专业，现在长庆油田分公司规划计划处从事规划计划工作，中国石油大学（华东）在读工程硕士，邮箱：zyjie5_cq@petrochina.com.cn。