海上高含硫化氢油气田火炬泄放系统研究

2022-04-11王振伍付子文陈文峰

盐科学与化工 2022年3期

王振伍，陈宾，付子文，胡蓉，陈文峰

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

在海上油气田开发过程中，通常伴随有大量的伴生气产生，火炬系统就是将油气田生产出来的多余伴生气或者生产设施中泄放出来的气体在一个安全的位置上烧掉，以确保海上设施的安全。火炬系统主要包括火炬泄放管网、火炬分液罐、火炬臂、火炬头、火炬点火盘、丙烷瓶。流体从相关设施在正常生产或事故泄放过程中排放出来，这些流体先经由各自尾管，流入火炬管汇，汇合后的流体再进入火炬分液罐进一步分液后进入火炬头燃烧。

对于一般海上油气田，火炬泄放系统的设计通常应用API 521进行设计，主要考虑热辐射对设施的影响；但是该海上油气田高含硫化氢，天然气中硫化氢含量为19 000 mg/L，根据计算分析，由于该项目的天然气量较少，热辐射对设施的影响不是火炬泄放系统的控制工况，硫化氢的扩散以及硫化氢在火炬燃烧后的二氧化硫扩散，会对操作人员的正常生产和生活造成影响，为该项目的火炬臂长度的控制工况，也是文章的研究分析重点。

2 硫化氢、二氧化硫气体排放法规、标准规范研究

经过对国内外法规、标准规范的研究，对于二氧化硫的排放浓度要求主要分两类要求，第一类要求二氧化硫8 h加权平均容许排放浓度，标准GBZ 2.1和API RP55中均推荐为2 mg/L；第二类要求是二氧化硫15 min内容许排放浓度；GBZ 2.1工作场所有害因素职业接触限制中要求为4 mg/L，而API RP55中要求5 mg/L，相比GBZ 2.1要求更为严格；SYT 6277的要求和API RP55要求是一致的。

绝大部分标准规范中对于硫化氢的排放最高容许浓度要求是10 mg/L，只有GBZ 2.1中要求在工作场所中硫化氢的排放限值为7 mg/L，相比于其他标准更为严格。

综上，根据该项目特点，高含硫化氢，海上操作空间有限，不利于逃生救生等特点，选择了较为严格的排放标准，以确保海上操作人员的安全，硫化氢在火炬未点燃的情况，泄放气体扩散到平台的限制为7 mg/L；在火炬燃烧的情况下泄放气体中的硫化氢会转化为二氧化硫，连续排放的工况下二氧化硫的排放限制为2 mg/L，紧急泄放条件下二氧化硫的排放限制为4 mg/L，以此标准进行火炬泄放系统设计。各个法规以及标准规范关于含硫化氢及二氧化硫气体排放的要求见表1。

表1 标准规范中对含硫油气田火炬泄放系统的要求Tab.1 Requirements for flare discharge system of sour oil and gas field in standard specification

3 研究工具

PHAST广泛应用于海洋石油平台，气体生产车间、炼厂以及化学品车间的火炬系统设计，该软件可以估算泄放气体扩散等信息。文章应用PHAST 7.11版开展了火炬泄放系统的研究。

4 设计参数选择及准则

根据泄放工况计算，该项目连续泄放量为2 685 kg/h，该泄放条件下硫化氢的含量为16 179 mg/L；管线堵塞工况下泄放量为2 543 kg/h，该泄放条件下硫化氢的含量为17 706 mg/kg；以上两个工况为该项目火炬泄放系统的控制工况，以此作为分析基础。风速选择主要考虑25 m/s风速以上将严禁海上作业，所以选择1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s四种风速进行计算校核。

根据对上部处理设施人员操作分析，存在人员暴露的地点为直升机甲板以上区域，直升机飞行高度9 m，直升机高度5 m，因此考虑直升机甲板以上14 m作为生活楼区域的最高参考点。

5 火炬不同角度对参考点扩散的影响

二氧化硫分子量相比硫化氢大，不易扩散，但对最高参考点的影响更为严重，因此以二氧化硫为例，进行不同风速下模拟计算，从图1可以看出，扩散云团位于平台上部，随着风速增大，云图扩散距离越远，同时云图越扁平，因此只要保证火炬臂垂直高度超过平台最高参考点就可以保证生产安全。不同火炬臂角度对应的火炬臂长度对比如表2。

图1 不同风速下，二氧化硫的扩散图Fig.1 Diffusion of SO2 under different wind speed

此外计算了不同角度下，保证最高参考点安全的火炬臂长度，如表2。

表2 不同角度下，火炬臂长度Tab.2 Flare arm length at different angles

随着角度越大，火炬臂长度越短，说明火炬臂垂直高度是确保参考点安全主要因素；当火炬臂角度为45°时，在保证参考点安全的情况下，火炬臂长度为61.2 m，该方案火炬臂偏长，不利于结构支撑，同时也导致平台重量增加；当火炬臂角度为90°时，在保证参考点安全的情况下，火炬臂长度为43.3 m，该方案火炬臂长度可行，但和平台的吊机操作有干涉，不利于平台正常吊装作业。因此，初步认为火炬臂角度为60°时，火炬臂长度为50 m比较合适。

6 火炬泄放系统研究

6.1 不同工况下，二氧化硫扩散研究

在连续工况下，风速为1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的条件下，火炬臂长度为50 m，角度为60 °，排放限制在2 mg/L时，二氧化硫扩散云图，见图2。从图2可以看出，风速在25 m/s时，二氧化硫的扩散更接近于上部模块。在堵塞工况下，风速为1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的条件下，火炬臂长度为50 m，角度为60 °，排放限制在4 mg/L时，二氧化硫的扩散云图，见图3。从图3可以看出，风速在25 m/s时，二氧化硫的扩散相比于连续工况更接近与上部模块。根据要求，直升机飞行的高度为直升机甲板以上14 m，所以要求二氧化硫的扩散不能低于直升机甲板以上14 m，否则作为威胁直升机上人员安全。

图2 连续泄放工况，二氧化硫扩散云图Fig.2 Diffusion cloud chart of SO2 under continuous discharge condition

图3 堵塞工况下，二氧化硫扩散云图Fig.3 Diffusion cloud chart of SO2 under blocking condition

6.2 不同工况下，硫化氢扩散研究

在连续工况下，风速为1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的条件下，火炬臂长度为50 m，角度为60 °，排放限制在7 mg/L时，硫化氢的扩散云图，见图4。从图4可以看出，风速在15 m/s时，硫化氢的扩散最远，更接近直升机起降区域，但是相比二氧化硫的扩散距离要短得多。在堵塞工况下，风速为1 m/s、5 m/s、15 m/s、25 m/s的条件下，火炬臂长度为50 m，角度为60 °，排放限制在7 mg/L时，硫化氢的扩散云图，见图5。