放空管网工艺流程改造论证

顾磊　李庆　侯宗伦　罗刚

摘要：雷三增压集气站主要担负中坝气田雷三气藏的7口生产单井所产含硫天然气的汇集、油水分离、计量及天然气增压输送、地层水处理、输送、回注等任务，天然气通过压缩机进行增压输送至净化厂。本文依据雷三增压集气站的生产资料，应用流体力学基础知识、流量的关系等进行了推导，并对雷三增压集气站的放空流程进行实例验证，以消除隐患、满足生产需要为前提，提出改造建议，为指导该站的后期生产提供一定的参考。

关键词：流程优化;风险;阻火器;放空背压

雷三增压集气站是一具有集、输、增压功能为一体的集输气增压站。该站天然气压缩机组于2001年投入运行，该站站内汇集的天然气为雷三气藏高含硫气，H2S含量为107～109g/m3，CO2含量为4～5%，工艺介质恶劣。生产中产生的放空天然气必须充分燃烧，以防止人员中毒及环境污染事故发生。

1 雷三增压集气站的概况及开发现状

雷三增压集气站自1982年3月28日建成投产。在1982年至1999年由于进站压力高，且凝析油含量高，站内采用低温分离技术，因而在该阶段称为“低温集气站”。随着开采时间的推移，气藏进入后期开发，地层压力和井口压力不断降低，无法再进行低温分离。1999年进行技改，变为“常温集气站”。在2000年新建天然氣压缩机组并于2001年投入运行，因此改名为“雷三增压集气站”。

目前该站有两台ZTY440MH9×9（2000年安装）和一台DPC2803 MH9×9（2003年安装）天然气压缩机组，采用“两用一备”方式进行增压开采。机组运行时日产天然气约15×104 m3（不增压开采时产气约10×104 m3/d）。

1.1 雷三增压集气站工艺流程

该站主要设备流程：所有气井来气在经过一次重力分离后进行计量，汇集后进行二次重力分离，然后再经过滤分离进入增压机，增压后输送至净化厂。分离后的油水通过计量罐计量，进入油罐区进行沉降分离，然后分别管输（或泵输）至各回注井。生产区放空气与油罐区放空气汇合后进入火炬（见附图1）。

1.2 生产工艺控制参数（见表1）

2 该站存在问题的分析

2.1 放空区流程现状

1982年至2012年放空流程分为高、中、低压三根放空管线分别至火炬，火炬直径Φ159×11。2012年火炬使用30年进行更换，进行流程改造，将中压和低压放空管线汇合后进入火炬，火炬直径Φ108×10。

目前放空区流程：生产区放空在距火炬60米处、两级阻火器前端与油罐区放空管线T接在一起。油罐区放空进入火炬区放空分离器，然后经过两级阻火器，进入火炬燃烧（见附图2）。

油罐区在未进行操作时应保持常压，放空总阀处于常开。油罐区油罐使用年限超过20年，壁厚减薄降压使用，最高工作压力由0.5MPa调整至0.25MPa。当站内生产过程中，在应急放空或放空带液，需大气量放空时，放空气无法全部通过两级阻火器进入火炬。超量放空时，会形成较高的背压，对串接在中压放空管路上的低压系统将产生较高的安全风险，严重时会导致事故，存在重大安全隐患。

2.2 存在的问题

①不符合《石油天然气工程设计防火规范》GB50183-2015中规定：“放空管道必须保持畅通，高压、低压放空管宜分别设置，并应直接与火炬或放空总管连接;不同排放压力的放空管接入同一排放系统时，应确保不同压力的放空点能同时安全排放。”油罐区低压放空管接入中压放空管，大气量放空时，产生的背压通过低压放空管路传递至油罐区，造成憋压;

②放空气必须经过两级阻火器后才能进入火炬，存在很大的流动阻力，形成较高的背压。应急处置时放空气窜入低压放空系统，造成憋压;

③新火炬直径为Φ108，而场站放空管线为Φ159，为与之相匹配，在火炬前60米安装了同心异径大小头Φ159×108。火焰的燃烧速度与管径成正比关系。因此，火焰燃烧速度降低，回压上升，导致放空速度降低，产生的背压反串至低压管路;

④本站生产的为高含硫天然气，因腐蚀会形成大量硫化铁粉末，易造成阻火器滤网（芯）堵塞，导致通过能力大幅下降。

2014年5月28日出站至净化厂输气管线积液，输压达到2.7MPa，通过出站手动放空阀进行放空带液，导致油罐区超压。压力表显示全部超量程（压力表量程为0～0.6MPa）。

2014年12月29日，由于停电造成净化厂装置停运，站内压力超过2.8MPa，站内采取放空泄压，油罐区超压导致排污管线穿孔泄漏。

2.3 火炬区放空背压计算分析。

2.3.1 相关计算数据的依据

①SH-3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》6.8.7的规定：“对场站发生事故，气体需全部排放时，按最大排放量计算。马赫数可取0.5”;

②GB/T 13347-2010《石油气体管道阻火器》10.1的要求：厂家提供的《产品合格证》中包含“气体流量—压力降曲线”。本站阻火器厂家提供的数据显示阻火器的通过能力为95%。

2.3.2 计算由阻火器通过能力产生的背压。

两级阻火器串联的通过量：

95%×95%=90.25%

按场站应急放空瞬时流量10×104m3/d计算剩余气量：

100000×（1-0.9025）=0.975×104m3/d

按应急放空10分钟计算阻火器前的背压，根据气体状态方程式：

不考虑温度、压缩系数的影响。则：

由放空管线规格Φ159×11，至阻火器的距离450m，得到：

2.3.3 计算管线达到临界放空量时的背压（音速为340m/s）：

临界放空量：

放空10分钟后的剩余气量：

153×10×（1-0.9025）=149.175m3。

根据式（1）计算背压：

2.3.4 计算火炬临界流量排放时产生的背压：

依据SH-3009-2013《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》管道摩阻损失计算公式（7.1.1-1）：

式中：

f-水利摩擦系数;

L-管道长度，（m）;

d-管道内径，（m）;

Ma-管道出口马赫数;

P1-管道入口压力，（绝压）（kPa）;

P2-管道出口压力，（绝压）（kPa）

从上式可以看出：放空管出口马赫数一定的情况下，放空管直径越大，造成的背压越小。

根据公式，将T接点作为入口计算背压值，L取值60m，d取值108-（10×2）=88mm=0.088m，M取值0.5，P2取值101.325kPa，f水利摩擦系数取值0.08.求背压P1值。

公式计算思路以公式（2）左右平衡为基础，根据对压力、管径等参数的设置，保障两端平衡。

计算以：

并拟定管径为定值，两根放空管线接入点距离L为变量，计算接入点背压进行对比。计算结果（见附表2）：

以上数据分析可见：场站应急超量放空时，因达到临界流量产生的背压为1～2MPa，加之因气质原因造成阻火器滤网堵塞会加剧背压升高。背压已远超油罐区0.25MPa的操作压力，存在重大安全隐患。

3 解决安全隐患的方法

以上分析和计算表明：放空时产生的背压主要有两方面的因素：一是阻火器流通能力的影响;二是放空管直径的影响。其中阻火器流通能力的影响最为明显，阻火器流通能力越小、放空气量越大产生的背压会成倍增加。

3.1 解决方案

①更换较大直径的火炬，中、低压放空管线分别铺设至火炬口，并单独使用阻火器。

优点：符合设计规范要求，消除了安全风险。

缺点：费用高（拆除旧火炬，购买、安装新火炬），施工难度大、周期长。

②利用现有两只阻火器，分别设置于中压和低压放空管路上，变串联为并联，将中、低压放空管路的T接点移到距离火炬5m以内，有效降低放空背压。（见附图3）

优点：费用低，操作简单，施工容易。只需少量管子、管件就可完成。

缺点：火炬的直径限定了临界燃烧速度，大气量放空时仍然存在一定的背压。

3.2 方案对比与论证

将火炬直径更换为Φ159，根据公式（2），计算结果对比（见附表3）：

附表2、附表3显示，当接入点距离L<5m时，得到背压低于0.16MPa（绝压）。在油罐区操作压力0.25MPa以下，不会导致油罐区超压。

单只阻火器的通过量为95%，剩余气量：

100000×（1-0.95）=0.5×104m3/d

根据式（1）得：

阻火器并联后，阻火器产生的背压大幅度降低，且超量放空时产生的背压只与中压管路有关。

两种方案实施所需费用及周期（见附表4）：

对比两种方案，方案一更换火炬的效果更好，但产生的施工费用高，周期长。方案二虽然会产生一定背压，但远低于操作压力，不会影响生产，且施工费用低，周期短。

根据该站实际生产情况，本人建议采取第二种解决方案。

3.3 优化后的地面工艺适应性分析

①该站正常生产时，油水计量罐压力调节阀动作和油罐区操作，会产生少量放空气，火炬设计的临界放空量能够满足需要;

②当出现应急放空或放空带液时，因超量放空产生的背压，不会对油罐区造成影响。

③方案二被气矿、作业区采纳，于2015年11月大修中实施。至今未出现油罐区憋压的情况。2016年5月的应急处置中生产区放空正常，油罐区未见压力上升。

以上情况证明：优化后的放空区工艺流程对该站的正常生产无不利的影响，完全能够满足该站的生产需要，对低压设备也无不利影响。

4 结论及建议

通过对解决雷三增压集气站放空工艺流程隐患整改的方案对比分析，和采取在现有工艺流程基础上进行优化改造的效果。在放空系统设计或改造时，应考虑高压、低压放空管分别设置阻火器，并单独连接至火炬。不具备单独连接条件的，应在阻火器下游端，靠近火炬底部进行连接，确保低压系统不超压。同时，建议放空火炬的直径，应按场站临界放空量进行选择。阻火器的类型，宜在满足防火设计要求的条件下，选择较大通过能力的阻火器。

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