流花油田群FPSO火炬消烟工艺方案研究与效果分析

刘人玮 周晓红 刘向东 郭 欣 张 倩

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

1 问题的提出

流花油田群包括流花16-2、20-2和21-2等3个油田，分别采用3套水下生产系统进行开发，水下井口的物流通过水下管汇汇集后，经海底管道回接至HYSY119 FPSO进一步处理，脱水并稳定后的原油在FPSO货油舱中储存，通过穿梭油轮定期外输[1]。

该油田群原油为轻质原油(密度756～802 kg/m3)，伴生气组分重，正常低压火炬连续泄放气中的C3+摩尔含量在22%左右。而当海上遭遇台风等恶劣天气无法外输时，LPG需通过火炬放空，此时C3+摩尔含量将高达90%以上，如不采取有效的消烟措施，将产生严重的火炬黑烟。火炬黑烟是炭黑固体颗粒，不易扩散，容易沉积在甲板和设备表面，严重影响平台操作人员的健康。此外，在2017年12月27日，国家海洋局发布了公告“海上石油开发大气污染物排放已纳入征税范围”[2]。因此，必须深入分析火炬黑烟产生的原因，优化海上火炬系统消烟工艺，严格控制黑烟排放量，以保证平台操作人员的健康以及保护海洋大气环境。

据统计，锦州25-1S油田、垦利10-1油田、文昌“奋进号”FPSO、黄岩1-1气田等都存在过不同程度的火炬黑烟问题。产生黑烟的原因可以概括为放空气组分重、氧气少。组分越重，碳氢键越容易断裂；而氧气供应不足则更容易缺氧析碳。以下几种情况均可能造成组分加重：分离器液相停留时间短，分离不充分；高压分离压差大，造成气相携带重组分多；二、三级分离器压力过低；分离器、火炬分液罐温度过高等[3-6]。可能造成氧气供应不足的原因包括：火炬泄放量过低造成火炬头出口流速低；平台放空量超过火炬放空能力；火炬头设计不合理；燃烧器雾化效果差等[3-6]。

目前，虽然对火炬黑烟产生的原因已经达成共识，但是在工程设计阶段始终没有办法来定量预测黑烟浓度。有文献指出黑烟严重程度和天然气中重组分C3+的含量密切相关， 认为C3+含量超过5%～6%是黑烟生成的临界值[7-9]。工程设计初期可以通过该判据来初步判断是否会产生黑烟，但无法准确预测黑烟生成浓度，由此造成消烟措施不足或冗余设计。事实上，火炬是否冒黑烟与出口流速、管径、火炬头结构等都有关系，单纯根据组分来判定往往存在偏差。

本文针对流花油田群FPSO的火炬黑烟问题，对火炬泄放工况进行了全面分析，通过对比现有消烟技术，确定了火炬消烟工艺方案；在此基础上，建立了火炬燃烧数值模型，综合考虑了泄放量、火炬头管径、出口流速等因素，并基于数值模拟结果定量计算出火炬黑烟浓度，合理确定了消黑烟的设施及规模，从而为解决流花油田群的火炬黑烟问题提供了参考依据。

2 火炬消烟工艺方案研究

2.1 油气工艺流程分析

由于流花油田群原油为轻质原油，FPSO原油处理流程选择四级处理流程：段塞流捕集器—一级分离器—二级分离器—三级分离器(图1)。段塞流捕集器和一级分离器分离出的中压伴生气(500 kPaA)，经中压气压缩机增压后用作燃料气，供透平使用；二级和三级分离器分离出的低压伴生气(150 kPaA)，经低压压缩机增压后用作锅炉燃料气。低压气通过压缩、冷却、分离得到的凝液，主要组分是C3—C5。综合考虑锅炉燃料气的热值要求以及LPG(液化石油气)和轻油的收率，低压压缩机出口压力确定为2 500 kPaG。分离出的凝液则经凝液增压泵增压后进入轻烃回收流程，通过2个精馏塔处理成轻油和LPG。轻油和原油一同下舱储存，LPG则储存在FPSO组块上的压力储罐中。通过设置此套轻烃回收流程，可以减少火炬泄放气中的重组分，使高峰火炬泄放量减小约50 000 m3/d，在一定程度上改善正常连续泄放工况下的黑烟问题，同时降低燃料气热值，满足透平和热站要求。同时，LPG最大产量约140 t/d，轻油产量约260 t/d，提高了油田开发的经济效益。

图1 流花油田群FPSO油气工艺流程Fig .1 Process flow of oil and gas treatment system in Liuhua oilfields FPSO

2.2 火炬泄放工况分析

该油田的火炬泄放重点分析以下3种工况：正常连续泄放工况、火灾工况、LPG无法外输工况，3种工况下的具体参数见表1。其中LPG无法外输工况是海上轻质油田的特殊工况，该工况考虑当海上遭遇连续恶劣天气时，无法进行外输作业，又由于LPG储罐容积有限(共4个LPG储罐，总储存能力约3 040 m3)，此时只回收脱丁烷塔底产出的C5+，塔顶产出的LPG经紧急加热蒸发器加热成气相，通过放空管线去火炬泄放。

表1 流花油田群FPSO火炬泄放工况Table 1 Flare release cases of Liuhua oilfields FPSO

由表1可知，不同工况下泄放量差异较大[10]。其中，火灾工况的泄放量最大，为42 300 Sm3/h。该工况是位于同一火区的2个LPG储罐发生火灾时PSV的泄放量，此时泄放气组分较重，C3+摩尔含量约为95%。LPG无法外输工况下，泄放气主要是脱丁烷塔塔顶LPG汽化气，组分较重，C3+摩尔含量达到97%，但泄放量相比火灾工况小很多，只有3 000 Sm3/h。连续泄放工况下，C3+摩尔含量则约22%，高峰泄放量为1 700 Sm3/h。

2.3 消烟技术比选

目前常见的火炬消烟技术有：固定开口音速火炬、自调节间隙音速火炬、鼓风消烟以及蒸汽消烟技术。其中，固定开口音速火炬较为常见。而国内的海上油气田中，只有黄岩1-1气田改造后应用过可变间隙音速火炬，也有文献称其为卡温达或孔达火炬[11-12]。鼓风消烟和蒸汽消烟技术尚无海上工程应用实例。另外，陆上油田常用的地面火炬，因平台空间受限，在海上也较难推广应用。

HYSY119 FPSO的火炬系统包括高、低压2套火炬，火炬臂长度85 m，高压火炬头管径304.8 mm，低压火炬头管径152.4 mm 。设置高、低压2套火炬是为了适应不同的泄放背压，高压火炬背压范围为100～400 kPaG，低压火炬背压范围为0～20 kPaG。

基于以上火炬泄放工况的分析以及该火炬系统的特点，对现有的几种火炬消烟技术进行了对比，通过文献调研和厂家交流，总结出了几种火炬消烟技术需要的条件、原理和优劣势[12]，详见表2。

表2 几种火炬消烟技术对比Table 2 Comparison of some flare black soot abatement techniques

由于流花油田群FPSO未设置蒸汽系统，因此无法采用蒸汽消烟工艺。另外，高压火炬泄放量范围较大(3 000～42 300 Sm3/h)，如采用固定开口音速火炬，为满足最大泄放量时马赫数的限制(≤ 0.5 Ma)，火炬头直径需选择304.8 mm。但LPG无法外输工况下，高压火炬泄放流速只能达到13 m/s，喷射速度过低，气体将无法完全燃烧并产生黑烟。所以高压火炬需采用自调节间隙音速火炬，可以根据泄放量(背压)变化自适应调节开度，在低流量泄放时，仍能保持较大的泄放流速，使燃烧更充分。而低压火炬由于背压较低，无法满足自调节间隙音速火炬的压力需求，综上分析，本项目拟采用鼓风消烟工艺进行消烟。

3 火炬消烟数值计算及效果分析

3.1 设计基础数据

对LPG无法外输工况和正常连续泄放工况下流花油田群FPSO火炬消烟效果进行验证分析，2种工况的天然气组分见表3。通过数值计算，得到火炬泄放黑烟浓度，进一步明确自调节间隙音速火炬需要的孔径自适应范围以及鼓风消烟通风量的需求。

表3 流花油田群FPSO 2种泄放工况下火炬天然气组分Table 3 Flare gas components of Liuhua oilfields FPSO in two release cases mol

3.2 火炬消烟数值模型

在火炬黑烟问题计算中，需求解三维时均稳态N-S方程、质量守恒方程和能量守恒方程。另外，还要考虑组分输运与燃烧反应。湍流模型采用k-ε模型，燃烧模型采用非预混燃烧模型(Non-Premixed Combustion)，黑烟的表征采用Moss-Brookes模型，该模型为求解归一化炭核浓度及黑烟质量分数的方程。

在建立火炬三维模型时，为减少计算量，简化了火炬头结构。图2为流花油田群FPSO火炬三维几何模型的正视平面图。火炬头为圆柱筒体，高度2 m，被正方体计算域包围。风从火炬头左侧吹来，因此火炬头左侧边界为风的入口速度边界，右侧为风的出口压力边界；火炬头出口为速度边界[13-14]。由于在风的作用下，泄放气排出后主要向右上方运动，因此火炬头右侧计算域设置得相对大些。根据后面的计算结果，选择计算域的尺寸为16 m×16 m足以表征各工况下火炬的燃烧现象。采用ICEM对计算域进行结构化网格划分，230万个六面体网格达到网格无关解，火炬筒体附近进行局部加密，最小正交质量在0.7以上。使用Ansys Fluent对模型进行求解，求解方法采用基于压力的压力-速度耦合算法(coupled)。利用Patch功能对火炬头出口进行高温区域的初始化。

图2 流花油田群FPSO火炬几何模型正视平面图Fig .2 Front view of Liuhua oilfields FPSO flare geometric model

Fluent可计算并输出黑烟(碳黑)的体积分数，能较直观地反应黑烟严重程度。但由于不同工况下火炬泄放量不同，因此不建议采用黑烟体积分数来进行不同工况间的比较。为方便对比各工况的黑烟严重程度，提出无量纲的黑烟浓度概念，表达式见式(1)，其物理意义是单位泄放量产生的黑烟量。

(1)

根据API RP 521规范[15]：饱和烃完全燃烧，所需低压鼓风补充的空气量为理论配比空气量的10%～30%，非饱和烃为30%～40%。基于低压火炬的正常连续泄放工况，按照规范推荐配风量进行模拟计算，对应的无量纲黑烟浓度数推荐范围为0.5×10-6～2.4×10-6。考虑到规范推荐的鼓风量能够适应极端重组分，相对较为保守，因此，本文认为无量纲黑烟浓度数达到10-6量级即可达到较好的消烟效果，应急工况下的泄放还可适当放宽要求。

3.3 黑烟浓度计算及消烟效果分析

分别计算表3中2种工况下流花油田群FPSO有无消烟措施时的火炬黑烟浓度，结果见表4。

对于高压火炬的LPG无法外输工况，当不采用任何消烟措施，即3 000 Sm3/h泄放量，常规管式火炬头管径304.8 mm，风速15 m/s时，计算结果如图3a所示。该工况下黑烟浓度较高，无量纲黑烟浓度数为0.105 5，超出了推荐范围。当采用可调间隙音速火炬时，将火炬头开口面积调至81 cm2时(即当量直径101.6 mm)，无量纲黑烟浓度数为0.98×10-6，几乎不产生黑烟，且在无量纲浓度数推荐范围内，黑烟体积分数云图见图3b。

对于低压火炬的正常连续泄放工况，当没有消烟措施，即1 700 Sm3/h泄放量，常规火炬头管径152.4 mm，风速15 m/s，无鼓风消烟时，计算结果如图4a。该工况下黑烟浓度低于LPG无法外输且采用常规管式火炬头工况下的黑烟浓度，但仍有较为明显的黑烟，此工况下的无量纲黑烟浓度数为0.042 8，超出了推荐的范围。当低压火炬配备鼓风消烟措施时，将鼓风流量设为7 500 Sm3/h时，消烟效果明显，无量纲黑烟浓度数只有0.84×10-6，满足推荐的范围。在无量纲黑烟浓度数范围内，黑烟体积分数云图见图4b。由此可见，该鼓风量满足规范和设计要求。

表4 流花油田群FPSO 2种泄放工况下火炬无量纲黑烟浓度Table 4 Dimensionless black soot concentration of Liuhua oilfields FPSO flare in the two release cases

注：变孔隙火炬头实际截面不是圆形，因此由流通面积换算为当量直径。

图3 流花油田群FPSO LPG无法外输工况下火炬黑烟体积分数云图Fig .3 Black soot volume fraction contour of Liuhua oilfields FPSO flare in LPG export interruption case

图4 油田群FPSO正常连续泄放工况下火炬黑烟体积分数云图Fig .4 Black soot volume fraction contours of Liuhua oilfields FPSO flare in normal release cases

4 结束语

针对流花油田群FPSO火炬黑烟问题，建立了海上火炬燃烧数值模型，提出了无量纲火炬黑烟浓度数计算方法，解决了设计阶段火炬黑烟浓度无法定量预测的问题。根据API规范，初步确定了无量纲黑烟浓度数推荐范围。提出了采用鼓风消烟和变孔隙音速火炬的方式来解决流花油田群的黑烟问题，并确定了鼓风机的通风量以及可调间隙音速火炬需要的孔径自适应范围，从而明确了火炬和消烟设施的采办要求，避免了冗余设计。本文研究结果可为解决类似海上轻质油田的火炬黑烟问题提供参考。