摘要 四川盆地普光氣田天然氣凈化廠(chǎng)具有l(wèi)20×108 m3/a的高含硫天然氣(H2S體積分?jǐn)?shù)為14.14%,C02體積分?jǐn)?shù)為8.6%,有機(jī)硫含量為340 mg/m3)處理能力。為了保證事故工況時(shí)其大排量高含硫天然氣的安全泄放和高效燃燒,優(yōu)化了高低壓放空管網(wǎng)及火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì),突破一般天然氣凈化廠(chǎng)“全量放空”的常規(guī)設(shè)計(jì)思路,合理確定了放空規(guī)模為75×104 m3/h,研發(fā)出空抗低溫、防火雨、高低壓火炬密封、大排量放空防回火、三重保障點(diǎn)火、流體密封等技術(shù),同時(shí)引進(jìn)高效高低壓酸性氣火炬燃燒器,保證了火炬的安全平穩(wěn)運(yùn)行。放空與火炬系統(tǒng)投產(chǎn)后運(yùn)行平穩(wěn),燃燒效率高于99.9%,為新建或改擴(kuò)建大型天然氣凈化廠(chǎng)提供了參考。
關(guān)鍵詞 普光氣田 高含硫天然氣 大排量 放空系統(tǒng) 火炬系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 安全 解析
四川盆地普光氣田天然氣凈化廠(chǎng)(下稱(chēng)普光凈化廠(chǎng))是“川氣東送”工程的核心組成部分,建設(shè)有6聯(lián)合12系列的300×104 m3/d天然氣凈化裝置、集氣總站及趙家壩污水站,具有l(wèi)20×108 m3/a的高含硫天然氣(H2S體積分?jǐn)?shù)為14.14%,C02體積分?jǐn)?shù)為8.6%,有機(jī)硫含量為340 mg/m3)處理能力,為目前亞洲最大規(guī)模高含硫天然氣處理裝置(圖1)。天然氣凈化裝置內(nèi)的高壓、高含硫天然氣介質(zhì)存量巨大、劇毒有害、易燃易爆,當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)、大面積泄漏等極端事故工況時(shí),必須保障生產(chǎn)裝置與周邊人員的安全[1-4],大排量的高含硫天然氣需要安全泄放、高效燃燒,這就對(duì)天然氣凈化裝置的放空及火炬系統(tǒng)提出了更高的要求[5-6]。
1 特大型高含硫天然氣凈化裝置的放空系統(tǒng)
1.1 放空系統(tǒng)簡(jiǎn)介
普光凈化廠(chǎng)6聯(lián)合l2系列的天然氣凈化裝置分別布置于廠(chǎng)內(nèi)東西兩個(gè)區(qū)域,其間間隔設(shè)置循環(huán)水場(chǎng)、變電站等公共工程設(shè)施,單系列天然氣凈化裝置均包含脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理與酸水汽提5個(gè)工藝單元,其中每個(gè)系列裝置脫硫單元每小時(shí)處理8.0MPa高壓高含硫天然氣l2.5×104 m3,脫水單元每小時(shí)處理8.0 MPa高壓不含硫濕凈化氣20.8×104 m3,Claus硫磺回收單元每小時(shí)處理硫化氫體積分?jǐn)?shù)為60%的低壓再生酸性氣3.2×104 m3[7]。根據(jù)天然氣凈化裝置整體布局與生產(chǎn)單元的工況特點(diǎn),考慮到事故工況下不同系列天然氣凈化裝置高壓和低壓氣體同時(shí)泄放的可能性,為防止高壓放空天然氣影響低壓酸性氣的安全有效泄放,天然氣凈化裝置防空系統(tǒng)設(shè)有DN900mm的高壓、低壓并行2套放空管網(wǎng),形成了“高低壓分離、東西區(qū)互聯(lián)”的放空管網(wǎng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2,其中紅色所示為高壓管網(wǎng),黑色所示為低壓管網(wǎng))。
放空管網(wǎng)系統(tǒng)包括從各系列天然氣凈化裝置內(nèi)的放空閥后至高低壓放空分液罐的部分。每系列裝置管廊上的高低壓放空總管經(jīng)位于裝置界區(qū)的高低壓分液罐分離泄放氣中攜帶的脫硫、脫水溶劑后,匯入東西區(qū)高低壓放空管網(wǎng)。東區(qū)高低壓放空管網(wǎng)主要負(fù)責(zé)第一、二、三聯(lián)合天然氣凈化裝置、趙家壩污水站及集氣總站的放空需要,西區(qū)高低壓火炬放空管網(wǎng)主要負(fù)責(zé)第四、五、六聯(lián)合天然氣凈化裝置的放空需要。東西區(qū)高壓放空管網(wǎng)并行進(jìn)入高壓放空分液系統(tǒng),東西區(qū)低壓放空管網(wǎng)匯合成低壓放空總管后進(jìn)入低壓放空分液系統(tǒng)。
高低壓放空管網(wǎng)系統(tǒng)于管網(wǎng)起始端設(shè)置多點(diǎn)凈化天然氣吹掃點(diǎn),使用凈化氣對(duì)高低壓放空管線(xiàn)進(jìn)行不間斷全網(wǎng)吹掃,保持管網(wǎng)內(nèi)氣體的流動(dòng)性,防止高含硫的放空氣在管網(wǎng)內(nèi)滯留而造成對(duì)管網(wǎng)的腐蝕;在低壓放空匯管設(shè)置低壓酸性氣放空伴燒系統(tǒng),根據(jù)低壓放空氣的流量和組分,合理調(diào)整凈化天然氣伴燒配比系數(shù),提高低壓酸性放空氣的可燃燒性與熱值,保證酸性放空氣燃燒的充分性。
1.2 特大型天然氣凈化裝置放空控制技術(shù)
普光凈化廠(chǎng)12系列天然氣凈化裝置處理高含硫天然氣的能力高達(dá)l50x 104 m3/h,東西區(qū)裝置各處理75×104 m3/h,國(guó)內(nèi)天然氣凈化廠(chǎng)一般按照“全量放空”思路來(lái)考慮設(shè)置放空系統(tǒng),但普光凈化廠(chǎng)卻不宜按照常規(guī)“全量放空”思路來(lái)設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)。通過(guò)研究特大型天然氣凈化裝置放空控制技術(shù),合理確定普光凈化廠(chǎng)的放空規(guī)模為75×104 m3/h,相比常規(guī)全量放空設(shè)計(jì),減少了40%的系統(tǒng)投資。
針對(duì)火災(zāi)、泄漏等不同的事故工況,開(kāi)發(fā)了特大型天然氣凈化裝置“保壓”與“放空”2種模式及4個(gè)級(jí)別的放空控制技術(shù):保壓、0.5 MPa/min放空、1.0 MPa/min放空和1.5 MPa/min放空。在天然氣凈化廠(chǎng)發(fā)生不可控天然氣泄漏事故時(shí),根據(jù)具體情況觸發(fā)啟動(dòng)相應(yīng)等級(jí)的“放空”,其他事故工況按“保壓”方式處理,在安全生產(chǎn)的原則下盡量少放空,以保障裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。
1.3大排量高壓放空抗低溫技術(shù)
高壓大排量酸性氣放空的Joule—Thomson效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生低溫工況,由于目前國(guó)內(nèi)天然氣凈化廠(chǎng)規(guī)模較小,放空管網(wǎng)管徑小,可直接采用低溫碳鋼材料。天然氣凈化裝置特大型化之后若仍然使用之前的設(shè)計(jì)方法,則管線(xiàn)材料的投資將大增。普光凈化廠(chǎng)火炬放空管線(xiàn)采用合理設(shè)置管網(wǎng)壁厚來(lái)克服低溫低應(yīng)力效應(yīng),并合理設(shè)置補(bǔ)償器來(lái)解決壁厚增加帶來(lái)的應(yīng)力問(wèn)題[8],全廠(chǎng)放空管網(wǎng)投資減少了數(shù)百萬(wàn)元。
同時(shí),低壓放空酸性氣高含硫化氫與飽和水蒸氣,可對(duì)高低壓放空網(wǎng)管進(jìn)行全流程伴熱,防止高壓放空管網(wǎng)中出現(xiàn)節(jié)流凍堵事故,同時(shí)防止低壓放空管網(wǎng)出現(xiàn)強(qiáng)腐蝕性液體而危害放空管網(wǎng)安全。
1.4高低壓放空分液系統(tǒng)
放空分液系統(tǒng)設(shè)置3套分液罐:高壓分液罐、低壓分液罐與高低壓備用分液罐。高壓分液罐操作壓力不大于330 kPa,進(jìn)口溫度介于-31~99℃,出口溫度介于4~99℃,分離直徑不小于600 µm的液滴,內(nèi)設(shè)2臺(tái)U形管束加熱器,加熱介質(zhì)為0.4 MPa的飽和蒸汽,用于進(jìn)一步深度分離東西區(qū)高壓放空管網(wǎng)在大排量放空時(shí)產(chǎn)生或者攜帶的部分液體。低壓分液罐操作壓力不大于100 kPa,進(jìn)口溫度介于-31~99℃,出口溫度介于4~99℃,能夠分離直徑不小于600µm的液滴,用于進(jìn)一步深度分離東西區(qū)低壓放空匯管在大排量放空時(shí)產(chǎn)生或者攜帶的部分液體。高低壓備用分液罐為高壓或者低壓放空分液罐故障時(shí)的備用裝置,以高壓放空標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),東西區(qū)高壓管網(wǎng)與低壓管網(wǎng)設(shè)置聯(lián)通線(xiàn),進(jìn)入備用分液罐,實(shí)現(xiàn)裝置不停工檢修,且3套分液罐內(nèi)部均帶有加熱器可進(jìn)行升溫,將分液罐和加熱器融合為一個(gè)設(shè)備,節(jié)省了投資與占地。
帶加熱器的高低壓放空分液系統(tǒng)最大限度地保證了放空系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,能有效防止放空氣攜帶液體進(jìn)人火炬系統(tǒng)形成火雨現(xiàn)象。
2 特大型高含硫天然氣凈化裝置的火炬系統(tǒng)
2.1火炬系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
普光氣田天然氣生產(chǎn)與商品天然氣外輸必須具備連續(xù)性,這要求普光凈化廠(chǎng)l2系列天然氣凈化裝置不能同時(shí)停工,凈化廠(chǎng)火炬系統(tǒng)亦不得停工。為此,普光凈化廠(chǎng)火炬系統(tǒng)設(shè)置了2座鋼結(jié)構(gòu)支撐三角形火炬塔及4套火炬系統(tǒng)[9],單座火炬塔同塔架敷設(shè)高低壓火炬各l套,l座火炬塔架支撐1只高壓火炬與l只低壓備用火炬,另1座火炬塔支撐l只低壓火炬與l只高壓備用火炬。高壓火炬與備用高壓火炬筒體直徑為1100mm、總高度為l39m;低壓火炬筒體直徑為900mm、總高度為139m。高低壓火炬均由火炬水封罐、地面爆燃器、流體密封器、火炬頭及其他附件組成,備用高低壓火炬則在高低壓水封罐、放空筒體等部件需要檢修時(shí),將高低壓系統(tǒng)切人備用火炬系統(tǒng)(圖3)。
對(duì)火炬放空工況下的熱輻射、噪音等進(jìn)行模擬與計(jì)算研究,確定火炬的安全高度為209 m(塔架l39 1TI+山體基礎(chǔ)70 m),2座不同時(shí)停工火炬問(wèn)的最大熱輻射按照4.7 kW/m2來(lái)確定,2座火炬塔架之問(wèn)的間距為l40 m,滿(mǎn)足允許熱輻射強(qiáng)度不高于1.58 kW/m2的安全距離[10],實(shí)現(xiàn)當(dāng)高低壓火炬出現(xiàn)故障時(shí),高低壓火炬即可切換至備用火炬,1座火炬塔架上的高低壓火炬正常運(yùn)行,另l座火炬塔架上的高低壓火炬筒體或火炬頭進(jìn)行檢修,形成火炬不停工輪番檢修模式,同時(shí),也可最大限度地減少山區(qū)火炬場(chǎng)地的平整工作量。
2.2高低壓火炬密封、防回火技術(shù)
天然氣凈化裝置正常運(yùn)行時(shí)放空管網(wǎng)與火炬處于微正壓,當(dāng)出現(xiàn)大排量放空后,火炬筒體內(nèi)可能出現(xiàn)負(fù)壓,導(dǎo)致空氣從火炬頭倒吸入筒體內(nèi),形成爆炸性混合氣體,從而產(chǎn)生火炬回火,甚至引發(fā)爆炸事故[11]。
普光凈化廠(chǎng)高低壓火炬系統(tǒng)均設(shè)置水封與火炬頭流體密封?;鹁骖^流體密封器采用3層動(dòng)態(tài)密封形式,連續(xù)向火炬筒體內(nèi)引入一定流量燃料氣作為密封氣體,以保持筒體內(nèi)的微正壓,有效防止空氣回竄發(fā)生回火事故;水封系統(tǒng)包括高壓、低壓水封、高低壓備用水封以及配套的補(bǔ)水系統(tǒng)。放空管網(wǎng)高低壓放空氣經(jīng)分液后進(jìn)入火炬水封罐,沖破水封后進(jìn)入火炬筒體,將放空管網(wǎng)與火炬燃燒部分安全分離,即使發(fā)生回火事故,火焰?zhèn)鞑ブ了饷婕幢蛔柚?;?dāng)發(fā)生大排量放空時(shí),放空氣會(huì)攜帶大量的密封液體,造成水封失效。普光凈化廠(chǎng)水封系統(tǒng)采用2種補(bǔ)水并聯(lián)方式,正常工況下液位由液位調(diào)節(jié)閥與溢流裝置控制,大排量放空時(shí),聯(lián)鎖開(kāi)啟補(bǔ)水緊急切斷閥,保持水封的有效高度,保護(hù)放空管網(wǎng)系統(tǒng)與天然氣凈化裝置的安全運(yùn)行。
2.3三重保障點(diǎn)火技術(shù)
普光凈化廠(chǎng)高低壓火炬采用長(zhǎng)明燈形式,確保排放氣的安全點(diǎn)燃[12],且每只火炬均設(shè)置1套高空電點(diǎn)火、地面爆燃型點(diǎn)火裝置與4只長(zhǎng)明燈,每只長(zhǎng)明燈均設(shè)置雙鎧裝熱電偶監(jiān)控運(yùn)行,由溫度信號(hào)作為點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào),采用“2選1”表決,低溫時(shí)將發(fā)出長(zhǎng)明燈熄滅報(bào)警。
普光凈化廠(chǎng)火炬采用三冗余點(diǎn)火控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)中心控制室遠(yuǎn)程點(diǎn)火和現(xiàn)場(chǎng)就地點(diǎn)火。根據(jù)控制室遠(yuǎn)程PLC點(diǎn)火設(shè)置,低溫熄火報(bào)警可自動(dòng)觸發(fā)高空點(diǎn)火系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈,亦可在控制室手動(dòng)觸發(fā)高空點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火;若在預(yù)設(shè)延遲時(shí)間后,長(zhǎng)明燈低溫仍在報(bào)警,將發(fā)出點(diǎn)火失敗的報(bào)警信號(hào)??刂剖疫h(yuǎn)程點(diǎn)火失效,可采用現(xiàn)場(chǎng)地面爆燃方式引燃火焰爆燃管內(nèi)的可燃混合氣體,爆燃火焰在管道內(nèi)傳遞到相應(yīng)的長(zhǎng)明燈上,點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈,確?;鹁纥c(diǎn)火成功。
2.4 瓣?duì)疃帱c(diǎn)伴燒酸性氣火炬頭
火炬頭主要由火炬主體、燃燒器伴燒系統(tǒng)、旋風(fēng)裝置、密封裝置及長(zhǎng)明燈組成?;鹁骖^的設(shè)計(jì)溫度為800℃,設(shè)計(jì)壓力為常壓,主體材質(zhì)為3lOSS,其余材質(zhì)為304SS。通過(guò)放空管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì),控制到達(dá)火炬頭的馬赫數(shù)不大于0.3。同時(shí),通過(guò)多點(diǎn)燃料氣伴燒,可確保放空氣體在火炬頭的燃燒穩(wěn)定性和高分解率,滿(mǎn)足安全和環(huán)保要求。
火炬頭主體為管狀結(jié)構(gòu),管頂側(cè)面設(shè)8個(gè)成瓣?duì)罘植嫉娜紵^,上部開(kāi)有狹長(zhǎng)的火炬氣出口槽,兩側(cè)設(shè)有均布的聚火塊穩(wěn)焰器。火炬氣進(jìn)人火炬頭后,流到端部封板處分成8股從出口槽噴出?;鹁鏆獬隹诓鄣莫M長(zhǎng)結(jié)構(gòu),可增大火炬氣和空氣的接觸面積,提高燃燒效率。同時(shí),可利用穩(wěn)焰器形成的多排環(huán)形小火來(lái)確?;鹁鏆獾幕鹧娣€(wěn)定,防止火炬氣脫火。
伴燒系統(tǒng)由燃料氣管、伴燒分配器、伴燒氣分支管、伴燒燃燒器組成。伴燒分配器為環(huán)管結(jié)構(gòu),通過(guò)伴燒氣分支管和伴燒燃燒器相連。伴燒分配器可將伴燒燃料氣均勻分配到設(shè)有若干噴孔的伴燒燃燒器上,所有噴孔均面向火炬氣出口槽。伴燒燃料氣從伴燒燃燒器向火焰方向噴出,同時(shí)引射周?chē)目諝夤餐瑓⑴c燃燒。在每個(gè)燃燒頭的兩側(cè)各設(shè)有一排伴燒燃燒器,兩側(cè)伴燒燃燒器兩兩相對(duì),可使伴燒燃料氣及引射的空氣對(duì)撞沖擊火炬氣,加強(qiáng)燃料氣、引射空氣和火炬氣的混合效果,在火炬氣出口槽的頂部形成高溫火焰,促使硫化氫燃燒完全。
旋風(fēng)裝置由旋風(fēng)罩、旋風(fēng)支撐裝置組成。旋風(fēng)罩為繞火炬頭中軸線(xiàn)呈旋風(fēng)式分布的多塊梯形板,可使旋風(fēng)罩周?chē)膫?cè)風(fēng)通過(guò)梯形板由下而上掠過(guò)燃燒頭,不僅消除了頂部側(cè)風(fēng)形成的“負(fù)背壓”而使火炬氣火焰倒伏的可能性,而且還將頂部側(cè)風(fēng)由下而上導(dǎo)入燃燒頭之間,有助于火炬氣燃燒。同時(shí),旋風(fēng)罩的設(shè)置還有助于保護(hù)火炬頭的主體部分和設(shè)于其內(nèi)的伴燒分配器和伴燒氣分支管,成為火炬頭“防護(hù)罩”。
3 結(jié)論
1)普光凈化廠(chǎng)放空系統(tǒng)解決了高壓大排量天然氣放空的低溫工況應(yīng)力問(wèn)題,且在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用具有專(zhuān)利的帶加熱器的分液罐,適宜于放空后溫度驟降到零度以下的放空系統(tǒng)。
2)在大型天然氣凈化裝置安全連鎖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過(guò)模擬計(jì)算得到普光凈化廠(chǎng)火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ),突破常規(guī)全量放空設(shè)計(jì)思路,合理計(jì)算和設(shè)置火炬管網(wǎng)和火炬放空設(shè)施,既滿(mǎn)足了天然氣凈化裝置的安全運(yùn)行要求,又有效降低了放空管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的尺寸、占地面積與設(shè)備投資。
3)建成不停工檢修的放空火炬系統(tǒng),滿(mǎn)足特大型石油化工企業(yè)或大型氣體處理廠(chǎng)等對(duì)高低壓火炬系統(tǒng)不間斷平穩(wěn)運(yùn)行的苛刻要求。
4)采用大型火炬密封、三冗余點(diǎn)火技術(shù)與瓣?duì)疃帱c(diǎn)伴燒酸性氣火炬頭,實(shí)現(xiàn)最大泄放量75×104 m3/h的高含硫天然氣安全泄放、高效燃燒,確保百億方級(jí)高含硫天然氣凈化廠(chǎng)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。
5)普光高含硫天然氣凈化廠(chǎng)大排量安全放空與火炬系統(tǒng),創(chuàng)新優(yōu)化放空火炬系統(tǒng)配置,投產(chǎn)運(yùn)行后安全平穩(wěn),為新建或改擴(kuò)建大型天然氣凈化廠(chǎng)提供了參考,具有良好的推廣應(yīng)用前景。
本文作者:張曉剛1 范冬立2 劉新嶺1趙毅l 劉露l 陳紅旗1
作者單位:1.中國(guó)石化中原油田普光分公司2.中國(guó)石化中原油田測(cè)井公司
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