实现火炬系统零碳排治理方法可行性研究

张彦鑫，李华朋，徐靓，张绍广，黄焌淞

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上郑重宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。“碳达峰、碳中和”目标开启了零碳发展新征程，需要社会各界共同努力，其中企业是实现目标的关键主体。气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。各大石油公司坚持稳油增气，加快“绿色油田”建设，加强碳排放源头管控，全面强化节能管理和技术改造，大力推动电力改造及清洁燃料替代，降低生产过程中二氧化碳排放，争当能源绿色低碳转型生力军。

石油行业开采过程中，产生大量的伴生气体，一部分是不危险的气体，不危险的气体需要进行冷处理。还有一部分是油田伴生气随原油共生，属于天然气的一种，通常为富含甲烷等低分子烷烃的混合气体[1]。这部分伴生气绝大多数通过油气分离、天然气净化流程被回收利用，但回收过程中排放的天然气尾气、废气是石油上游企业温室气体的一个主要排放源，也是最大的甲烷排放源，它们要通过火炬系统燃烧处理，转化为以二氧化碳为主的危险性小的温室气体，保障人员安全及设备稳定运行，降低环境污染，减小风险发生。

1 火炬系统简介

火炬系统燃烧的介质由三大部分组成：第一部分为低压天然气，这部分天然气压力低于正常压缩机入口要求，且供气量不稳定，很难通过现有设备加以回收；第二部分为长明灯供气，可燃气体24 h连续稳定供给，保持火炬持续燃烧，以应对事故工况下，大范围天然气释放带来的风险；第三部分为应急泄放天然气，流程发生应急、故障工况时，会在短时间内往火炬系统泄放大量天然气，以确保流程安全关停。

本文提及火炬系统，是由放空管汇、火炬分液罐、火炬筒及火炬头等组成。它是通过火炬头高空燃烧的方式，处理来自原油多级分离系统、天然气净化处理系统正常的生产工况和事故工况下(堵塞工况、火灾工况[2])设备设施在安全条件下泄压过程中产生的天然气及其凝液，经火炬分液罐进行分离后，天然气进入火炬燃烧，安全排放。凝液通过自流进入闭式排放罐进行回收利用。

火炬是高架悬臂塔火炬，按照GB 51029—2014火炬工程施工及验收规范设计，日常使用要求24小时长明，保持随时点燃火炬的小火[3]。点火流程是由处理合格燃料气或压缩丙烷气体与来自空压机系统压缩空气，按照一定比例混合后，通过火炬塔底部点火器或高空点火器，点燃长明灯，以便引燃火炬系统排放的放空气体。

燃烧主要设备：长明灯、火炬头、操作平台、点火器控制盘、火炬分液罐、丙烷储罐、供给管汇等。火炬系统燃烧流程如图1所示。

图1 火炬系统流程简图

2 主要问题解决方向

在节能减排技术研究与推广和持续降低二氧化碳排放强度背景下，针对能否彻底熄灭火炬进行可行性研究，着重从以下三个方面进行解决，开展了如下实施与探索。

2.1 解决低压气充分回收的问题。

以某A区块为例，其下辖6个生产单元1座陆地终端，6个生产单元共计日均火炬放空气量2.15万立方米/天，1座陆地终端日均火炬放空气量0.8万立方米/天，均通过火炬燃烧来保证油田安全生产。正常的生产工况，火炬放空气主要来源为二级分离器低压放空气，上游海底管道段塞流现象造成的放空气，自身流程波动造成的放空气，天然气洗涤器排液轻烃挥发造成的放空气等如表1所示。

表1 各生产单元火炬放空气量统计表

2.2 解决长明灯清洁能源替代问题。

火炬系统依靠长明灯流程维持燃烧工况，以应对事故工况下，大范围天然气释放带来的风险，各生产单元长明灯日用气量如表2所示。

表2 各生产单元火炬长明灯用气量统计表

2.3 区域化火炬放空气管网布置，满足高压气泄放、回收安全要求。

各生产单元火炬放空气需应对流程出现应急关断造成的气体紧急泄放。此部分气体按照压力等级可以分为低压气体(0～1 MPaG)，中压气体(1～3 MPaG)，高压气体三部分(3 MPaG以上)。为了减少二氧化碳排放，最大限度回收紧急放空气体，达到节能减排目标，布置区域化火炬放空气管网。

3 方案实施与论证

3.1 低压射流回收技术应用

结合现阶段天然气区块反输调整回收项目、轻烃回收项目的落实，对各海底管道供气方向、设备设施轻烃洗涤器排液流程改造，已实现富余天然气区域共享、轻烃进入天然气海底管道直输陆地终端目标，大量减少火炬放空气量，现阶段各生产单元利用低压射流技术，开展对二级分离器低压放空气回收工作，实现生产流程的零排放，保证平台安全稳定生产。

本文所提及的低压射流技术，来源于文丘里效应原理。文丘里效应，也称文氏效应，它是指在高速流动的气体附近会产生低压，从而产生吸附作用，如图2和图3所示。

图2 射流装置简图

图3 射流装置工作示意图

目前的回收技术以增压压缩机回收为主，该技术应用成熟，可选择的压缩机形式较多，但前期投资较大，平台改造工作量大，后期操作维护成本较高。

射流装置应用于低压天然气增压项目，具有比较明显的优势如表3所示。

表3 射流增压装置与压缩机增压对比表

低压射流技术应用成功解决了低压气回收问题，对于一些低压无法利用的天然气，利用此项技术可以完全回收，提高天然气利用率，实现了在生产油田正常工况下火炬头熄灭目标(不含长明灯)。

3.2 清洁能源替代传统火炬燃气能源

经过研究发现，合适清洁能源替代传统石化能源，保持火炬清洁燃烧，可杜绝二氧化碳排放。其中海水和天然气作为海上最普遍的能源，也是清洁能源转化的重要资源。

目前国内外海水电解制氢技术可分为三种：海水光电催化制氢技术、海水光催化制氢技术和海水电催化制氢技术。三类技术虽然实现了海水制氢，但存在各自的问题。比如海水光电催化制氢技术，是在光照下通过电解水生产氢气，该技术发展较慢且太阳能转化利用效率偏低，难以实现大规模商业应用；又如海水光催化制氢技术，目前仍局限于实验室淡水制氢研究阶段，技术不够成熟且受盐离子影响严重，导致太阳能转化利用率过低；而传统海水电催化制氢技术则面临淡化成本高、工艺流程复杂等瓶颈。目前，谢和平院士团队在大规模水制氢技术基础上，重点布局海水制氢的颠覆性探索性技术，包括解耦式海水直接制氢技术、微流体海水制氢以及海水制氢催化剂原理与开发等领域，将丰富的海水资源转化为海水能源，赋予氢能产业新格局，使氢能技术、产业发展取得突破性进展，为海上设施火炬长明灯清洁能源替代提供了指导性纲领。

我国对天然气制氢催化剂的探究取得了非常突出的成绩。经过我国变换以及PSA工艺技术的探究已经有了工业应用的条件[4]。针对中型以及小型规模的天然气制氢装置，也做出了进一步的建设。对于间歇式天然气蒸汽转化等相关方式的应用，在该领域当中占有了一定的优势，工艺比较成熟，并在我国各规模的多套工业化装置当中得到了高效运转，最终获得的纯度可以达到99.9%[5]。

清洁能源替代传统火炬燃气能源后，能够保证火炬长明灯持续稳定点燃，实现清洁燃烧，降低二氧化碳排放，其达到效果是，流程出现任何紧急泄放情况，均能保证可燃气体快速燃烧，本质满足安全生产要求，实现在生产油田正常工况下火炬系统可以完全熄灭，彻底实现碳的零排放。

3.3 建造区域化放空气回收大管网，回收各单元火炬放空气

为了进一步减少火炬系统二氧化碳排放，并最大可能对应急关断造成的紧急泄放气体进行回收，计划对火炬系统进行系列改造：将现有的火炬放空系统放空气来源进行分类，保持现有的低压放空气前往现有火炬系统实现应急排放；其次将高压设备的放空流程增设一套流程，设计建造一套区域化火炬放空气高压回收管网。

考虑到流程应急关断气体紧急泄放仍然会产生大量天然气燃烧，不但造成资源浪费，还会产生大量二氧化碳气体，计划再建造一套区域化火炬放空气高压回收管网将各设施火炬系统放空气体通过长输管道进行集中回收。为了保证各生产单元本质安全生产，紧急泄放情况下，各分离器和洗涤器产生的低压气体仍通过区域化火炬放空气低压管网进入火炬系统燃烧，各生产单元依托各自子管网将中、高压气体全部输送至放空气高压回收管网，最终输送至陆地终端，通过低压压缩机增压后外输处理，可大量回收火炬系统放空气，实现二氧化碳减排。

管网布局如图4所示，黑色为区域化火炬放空气高压回收管网。

图4 区域化放空气回收大管网

堵塞工况、火灾工况等极端工况下，大量中、高压放空天然气进入区域化火炬放空气高压回收管网进行缓冲，管网采用单层不保温海管，海管长度约100 km，尺寸12英寸，需满足瞬时天然气存储要求(海管尺寸、长度可根据实际需要设置)，数据见表4。低压气回收工况大管网操作压力20 kPaG，海管出口超过此压力低压压缩机加载运行，大管网最高操作压力500 kPaG。大管网压力从20 kPaG上涨至500 kPaG整个阶段，我们可以根据理想气体状态方程PV=nRT求出海管内压缩气体标方体积变化范围[6]。

表4 大管网相关参数

当大管网在20 kPaG运行时，海管最大储气、缓冲能力(标方)：

式中：P1为标准大气压，P1=100 kPaA；V2为大管网容积，V2=6 994.4 m3；P2为大管网操作压力，P2=120 kPaA；T1为标准大气压下的温度，T1=273.15 K；T2为工况温度，T2=20+273.15=293.15 K。

当大管网在500 kPaG运行时，海管最大储气、缓冲能力(标方)：

式中：P3为标准大气压，P3=100 kPaA；V4为大管网容积，V4=6 994.4 m3；P4为大管网操作压力，P4=600 kPaA；T3为标准大气压下的温度，T3=273.15 K；T4为工况温度，T4=20+273.15=293.15 K。

由以上计算结果可知，大管网压力从20 kPaG上涨至500 kPaG整个阶段，海管可缓冲容积(标方)为：

流程关断、火灾工况等极端工况下，各生产单元中、高压天然气瞬时放空总量需满足海管可缓冲容积，即可实现气体回收，减少二氧化碳排放。

为进一步确保中、高压设备在事故工况下的彻底泄放，保证设备设施的本质安全，需对中、高压设备泄放流程进一步改造，如下图5所示，以实现设备泄放过程气体的回收和完全泄放双重目标。

图5 中、高压设备事故工况下泄放流程

当出现事故工况，中、高压设备需要紧急泄放时，首先打开阀1，中、高压气体进入区域化火炬放空气高压回收管网，对放空气体进行回收；设备压力泄放至500 kPaG后，阀1关闭，阀2打开，气体进入区域化火炬放空气低压管网进行燃烧。最大限度回收中、高压气体，同时保证事故工况下，设备能够泄压充分。

通过大管网设计，火炬系统通过一套区域化火炬放空气低压管网进行并联，流程出现紧急泄放情况下能够保证各生产单元低压气快速燃烧，对各分离器和洗涤器有很好的保护作用；区域化火炬放空气高压回收管网的建造，将实现中、高压设备的紧急泄放，同时满足对放空气体的最大限度回收。

4 优缺点分析

总结方案优缺点，不难发现增设低压射流回收技术及清洁能源替代传统火炬燃气能源，可实施改造项目工作量小，可行性高。建造区域化放空气回收大管网，优点是可实现彻底熄灭火炬，缺点是整体造价比较高；结合油田群生产特点，区域开发程度高，管网丰富，可利用现有管网改造，从而达到回收功能。

5 结语

以上探索性研究基于火炬系统零碳排的治理为目标导向，低压射流回收技术成功应用，清洁能源替代传统火炬燃气能源，区域化天然气回收大管网设计回收中、高压放空天然气，三步环环相扣可最大限度实现二氧化碳减排，引领低碳化，推动海上油田绿色发展。为了便于计算，区域化天然气回收大管网模型相对简单，但具备一定的参考意义。