等离子随即引燃火炬技术在海上气田中的应用

向富明 石 涵 韩 笑 苗 建 黄 莉

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，深圳 518000；

2.中海油能源发展装备技术有限公司南海工程分公司，湛江 524057)

海上油气田生产过程中一些无法利用的天然气需要通过火炬燃烧后放空，而这一过程会向大气排放大量的二氧化碳及其他有害气体[1]。近年来，人们节能环保意识逐步提高，特别是最近国家“碳达峰、碳中和”目标的制定，明确要求石化行业进行火炬气回收，并尽可能熄灭长明火炬和长明灯，达到减少气体排放甚至零排放的目的[2-3]。目前，海上油气田已陆续开展火炬气回收的研究及改造工作，但传统火炬系统由于点火技术及防回火密封技术不够完善，需要大量的燃料气用于长明灯的燃烧和火炬系统的吹扫，且这部分气体仍然无法进行回收。传统火炬系统在安全可靠性、节能减排、使用维护性能等方面还有待进一步提高[4-5]。等离子随即引燃火炬技术具有点火可靠性高、燃料气需求极低的特性，应用于海上气田取得了良好效果。

1 海上气田火炬系统介绍

1.1 海上气田原火炬基本情况

平台火炬放空系统主要包括高压火炬分液罐、高压火炬分液泵、高/低压火炬头和点火盘。火炬系统作为平台安全生产的泄压系统，处理来自生产处理系统、燃料气系统和闭式排放罐的气体进入高/低压火炬头烧掉，高压火炬分液罐分出的液体由高压火炬分液泵打回生产分离器入口。高压放空系统主要处理来自主工艺系统放空阀、安全阀、高压吹扫气等来气。低压放空系统主要处理撇油罐脱气、低压吹扫气等来气。

高压火炬系统最大气体处理量为7.76×106Sm3·d-1，低压火炬系统最大气体处理量为1.76×106Sm3·d-1。火炬臂采用45°斜吊臂形式伸向平台外部，臂长为65 m。火炬的点火装置为地面爆燃式点火装置，通过使用仪表气和燃料气在火焰发生器中混合，手动点火产生火焰，通过3个点火支路送到火炬头点燃天然气。在火炬头分布有3个热电偶温度监测元件检测引燃火焰。火炬系统配有供火炬使用的长明灯，长明灯来气为低压燃料气。设计时，长明灯日耗气量为1 420 Sm3·d-1。高/低压吹扫气是为了保证放空系统微正压而设置，吹扫气为低压燃料气，吹扫气实际耗气量约为 1 000 Sm3·d-1。

1.2 原火炬系统问题分析

原火炬属于一种典型的长明火炬，因投运时间较早，部分设计已不符合国家有关规范要求。另外，火炬3套长明灯和多个燃烧管一直长明燃烧，每天消耗大量燃料气。

目前，原火炬系统存在的主要问题如下。

（1）采用传统地面爆燃传焰点火系统，点火可靠性差，操作难度高，故障率高，点火方式单一，点火器数量太少，不满足《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》（SH 3009—2013）规定，点火方面存在安全风险。

（2）原火炬采用传统热电偶火焰检测系统，火焰遇风极易偏离检测点，测量准确度低、可靠性差。另外，热电偶易腐蚀、氧化损坏，故障率高，寿命有限。

（3）原火炬为完全敞口火炬，使用传统燃料气密封技术，需要消耗大量燃料气才能保证空气不进入火炬放空管网以保证火炬安全运行，造成了较大的能源浪费。

2 等离子点火系统实用性研究

2.1 等离子火焰点火装置

等离子火焰是利用自然界的闪电原理，连续释放高压电能，从而产生温度高达6 000 ℃的等离子电弧，即弧形等离子体。因为它的形状似火焰，所以称为等离子火焰。它的高温等离子火焰不仅可以“点燃”空气、惰性气体，而且可直接点燃各种放空燃气体，点火可靠性极高。

等离子火焰具有以下性能：（1）极强的催化点燃助燃性能，能使各种气体电离“燃烧”；（2）能量大，密度高；（3）作用空域大，接触即燃；（4）作用速度快，瞬间点燃；（5）具有超自然的抗干扰能力，不受自然界任何级别风雨的影响；（6）可直接点燃1 MPa以上的强气体射流，不受排放气流强弱、强风雨、不同组分的影响。

2.2 广域强离子检测技术

火焰广域强离子检测技术充分利用火焰的弱导电特性，在火焰可能经过的区域布置检测电极，在大区域强等离子流的作用下形成较强的信号，可以准确可靠地反映火焰是否存在。火炬燃烧时，电极充分接触火焰，强离子回路导通；火炬熄灭时，强离子回路不导通，可检测大面积火焰，有效解决了传统偏火脱火失灵、电极氧化结垢失灵的问题。该产品具有良好的抗结垢性能，可靠性极高，寿命长，免维护。

2.3 微正压升降式燃烧器系统

微正压升降式燃烧器由多个小燃烧器组成一个大型燃烧器，效果图如图1所示。燃烧器的开度会随着气流的大小发生变化，能够起到稳定火焰的目的。当无气体放空时，它又能关闭火炬与外界的联通。升降式燃烧器关闭时具有关闭密封火炬作用，配合少量燃料气能起到速度密封、微正压密封的作用。开启时，它具有稳定燃烧、燃烧率高以及减少液体外喷等优点，避免火炬熄火风险，解决了火炬安全稳定燃烧问题，起到显著的安全、节能以及环保作用。

2.4 微正压保持系统

微正压保持系统由微正压升降式燃烧器构成双密封阻火器和微正压流程工艺管线设备组成。关闭火炬时，它保持火炬筒及放空管网微正压状态，将外部空气完全隔绝。微正压升降式燃烧器可改变火炬开口大小，微正压保持火炬工作状态最低压力水平，两者结合形成小流量（关闭时几乎无消耗）高流速的阻火效果，对放空系统具有机械密封、气体密封的双密封阻火功能，可完全阻止外界空气入侵，使其具有“本质安全”的性能。

3 海上气田等离子火炬改造实施

3.1 点火装置改造

采用6套等离子火焰点火系统代替3套长明灯点火系统，熄灭长明灯。每套等离子点火装置配一套等离子火焰检测系统，用来检测点火器高温等离子体电弧工作状态。等离子火焰检测系统直接安装在等离子火焰点火系统内。点火采用现场手动、控制室用手动、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）自动控制操作模式。点火供电电源采用不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）。

3.2 火焰检测装置改造

采用6套广域强离子火焰检测系统代替3套热电偶火焰检测系统，保证火焰检测准确可靠。6套广域强离子检测器布置安装在火炬燃烧器阵列的周边不同部位，将检测信号传送至主机，然后上传至站控室分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），与等离子点火系统构成自动联锁控制系统。等离子点火控制工艺流程如图2所示。

3.3 火炬燃烧器改造

高压火炬微正压升降式组合燃烧器采用“4常明火桥+4开关”组合方式，即采用4套DN250开关式燃烧器，置于圆形DN900防风罩内均匀分布。中心DN100总管分成4套DN50长明燃烧器作为泄漏气体长明燃烧器，上部若干DN5开气孔，组成放射状水平管多孔燃烧器火桥，以便火焰在各燃烧器相互传导。长明燃烧器开口有效面积约为火炬有效放空通道面积的1%。图3为高压火炬头升降式燃烧器俯视平面图。

3.4 放空系统微正压改造

微正压升降式组合燃烧器代替原来的火炬头。从原吹扫气管分出一支微正压管线，经微正压调节阀进入排放总管，提供微正压密封燃料气。微正压设为2.0 kPa左右。在每个总管上分别安装3套微正压测量仪表，用于测量和点火联锁控制。在微正压管线上安装一套微正压调节阀，调节微正压用气流量和放空管网压力。微正压保持系统如图4所示。

4 等离子随即引燃火炬应用效果

等离子随即引燃火炬在海上气田投用以来，火炬系统正常稳定运行。等离子随即引燃火炬的应用，一方面提升了平台火炬系统的安全性和可靠性，另一方面节约了原火炬系统长明灯及吹扫所需的燃料气，满足了节能、低碳的要求。

（1）采用等离子随机引燃火炬能够确保海上平台火炬在各种情况下都能一次性可靠点燃，克服了原点火系统可靠性差的缺点，且采用广域火焰等离子检测技术保证火焰检测的准确度。

（2）采用微正压保持系统实现火炬管网的双密封，可靠阻止空气侵入，消除回火风险。经过改造，火炬完全符合“本质安全”要求。

（3）长明火炬每天消耗燃料气约2 400 m3，改造后每年可节约燃料气87.6万m3，创造经济价值120万元，经济效益显著。在节能减排方面，等离子随即引燃火炬每年可节能1 000 t标准煤，减少CO2排放2 100 t，相当于植树近11.7万棵，对大气环境保护具有重大意义和显著的社会效益。