海洋油气田高效节能智能火炬技术应用

姚兰

（中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

目前，海上平台所使用的火炬均采用传统火炬，属于典型的长明火炬。因投运时间较早，部分设计已不符合国家有关规范要求。且点火系统，检测系统可靠性低；排放量较大、不节能、不环保。等离子火炬技术，为彻底熄灭长明火炬提供一套科学、安全、高效的解决方案。等离子火炬新技术，能够保证火炬安全运行，能实现不再消耗点火燃料气，最大可能降低密封气体消耗（减少90%以上），实现节能减排和低碳运行。该项目的成功运用，推进了油气行业数字化转型，构建清洁低碳、安全高效的能源体系。

1 海洋油气田传统火炬存在的问题

海洋油气田传统火炬存在的问题有：（1）地面爆燃和高空高能点火技术可靠性、稳定性较低，故障率高，点火难度大；（2）敞口火炬吹扫气量较小时容易熄火，空气易侵入、引起回火、爆燃、闷烧事故；（3）传统火炬密封需要消耗大量燃料气，存在能源浪费；（4）长明需要消耗大量的燃料气，不仅造成能源浪费，还产生大量碳排放，污染环境；（5）点火控制系统无法实现远程和全自动控制。

2 等离子火炬工作原理

等离子火炬采用高温等离子点火、微正压燃烧器、微正压保持等技术的新型火炬，可在火炬放空瞬间或意外熄灭时，立即启动等离子点火装置、引燃排放气体。当火炬放空时，燃烧器被空气体打开，控制系统随即启动等离子点火，点燃并监控火炬燃烧火焰；放空完毕，燃烧器关闭，微正压系统保持火炬微正压安全状态。保证火炬系统运行可操作性、可靠性、安全性（图1）。

图1

等离子火炬满足海上工况，具有在火炬放空瞬间采用强等离子点火技术瞬时直接可靠点燃、在不防空时自动关闭燃烧器功能。火炬具有稳定燃烧功能，在12级以上台风（风速≥32.7m/s）及特大暴雨(降雨量≥250mm/d）环境下正常工作、不熄灭。

2.1 等离子火焰点火技术

等离子体是物质固态、液态、气态之外的第四态，高温下的等离子体温度可达数千至数亿摄氏度，具有超高温、强电离、催化燃烧等特性。宏观上，高温等离子体以等离子火焰的形式存在，微观上是剧烈反应的高能带电离子集合体。高温持续等离子火焰温度高达6000℃以上，高温等离子火焰即为高温等离子体，是气体在强电场的激发作用下产生强电离、高温、发光离子集团，其点火机理通过极高温度、极高能量密度、强电离和快速催化速度点燃接触的一切气体，包括空气、惰性气体和可燃气体。高温等离子火焰点火具有可靠性高、稳定性强、寿命长、不受电蚀影响、可持续点火、具有超自然的抗风能力等优点，被称为“吹不灭的火焰”。

在海洋油气田将传统点火系统更换为微正压主动分支燃烧器，并具备燃烧器开关状态检测器和微正压调节系统，微正压调节系统由微正压变送器及配套电动调节阀组构成，设计压力为2 ～10kPa。点火装置采用强等离子点火装置，配备防爆等离子点火发生器、强等离子点火枪和等离子点火火焰检测系统。

2.2 等离子火炬头性能特点

等离子火炬头采用自火炬头下部分支结构的多管束式火炬头，在分支根部设计自启排闭装置。结构类似安全阀结构，可调开启压力，进行分级受控开启。安全阀结构是普遍采用的泄压方式，是非常可靠的结构，具有本质安全属性。材质选用316L 不锈钢、耐高温、耐腐蚀，可以长期可靠稳定运行。并且这个安装部位位于火炬头下方，远离火焰，在运用的过程中没有变形的现象。

等离子火炬头相比传统火炬头增加了可调控功能，避免长期小排量工况对火炬头的伤害，避免因排放量过小使火炬燃烧不稳定、冒烟、火焰下卷的问题。排闭装置由排放气流分级冲开，在强电弧点火器点燃，实现随机燃烧。也可由控制系统依据风向选择最有利的分支，优先开启燃烧。

这种等离子火炬头的寿命相比传统火炬头能延长几倍，并且有个别损坏时，只需要更换个别小火炬头分支。配件和维修费用也能降低几倍。大大降低了长期运行费用，并且在海洋油气田环境钟使用更安全、更可靠、更经济、更环保。

2.3 等离子火焰检测

等离子火焰监测技术采用两种方式，一种是热电偶测温，另一种是紫外火焰监测。这两种方式在海上平台都十分适用，热电偶测温是对热电偶进行核实的安装、定位和配置合适保护管，控制合理的测温值，在配合智能控制系统的趋势判断能力，可实时监测火焰情况；紫外线火焰检测是通过火焰传感器远距离进行遥控测试，这种传感器只对明火火焰敏感，对高温和阳光、灯光均不响应，不敏感，远离火焰进行遥测，避免被污染和烧毁，因此时目前最理想的火炬火焰检测方式。

2.4 火炬自控安全连锁报警

等离子火炬的所有检测、控制、报警有一套PLC 系统完成，PLC 安装在带有温度调节功能的防爆控制箱内，布置在原有火炬操作盘上。PLC 具备与总（分）控制室通讯功能。可以控制室内远程操作、监视、处理报警。

PLC 配置功能：依据风向标信号，在火炬气达到排放压力时，择优选择下风位火炬分支开启；

开启小火炬的同时输出对应的自动点火器进行精准、瞬时点火；检测火焰情况，火焰趋于失效风险时，启动自动点火；火焰失效报警；点火器、火焰检测联合自检，失效报警；密封气体压力（或流量）低限报警；火炬管道压力异常报警；PLC 系统运行故障自检、报警；远程、就地操作切换；现场应急手动、硬手动启动小火炬和高空点火器；远程通讯。

3 国内海上油气田放空火炬未来发展趋势

等离子火炬成功在油气田上的运用，彻底熄灭长明火炬。在无放空下，不再有长明灯和火炬主火，从而可100%节约点火器长明灯燃料和吹扫气燃烧，在有少量放空时，可自动调节，将放空气体点燃烧掉，在大量放空时，自动调节至100%，将放空气体可靠点燃并燃烧，对气田长期有大量排放气体的火炬，可增加压缩回收撬将放空气体回收，保持火炬完全熄灭，节约几乎100%的点火器长明灯、吹扫气和放空气。每天节约气量约3000m3左右，每年火炬可减少维修维护成本约10 万，若加上节约燃烧价值，可节约210 万以上生产运行成本。减少天然气排放燃烧量，减少二氧化碳排放约3000t，对大气环境保护具有重大的意义，可实现节约燃烧气能源的同时，具有很显著的降低碳排放功能。

等离子火炬在南海东部海域适用性改造的成功，为中国海洋石油油气开发绿色低碳转型提供有效途径。消灭了长明灯后，节约运行成本效果显著。在安全、环保、节能等方面发挥了重要作用，提高了火炬安全性、节能减排、方便操作、减少维护成本，取得良好的经济效益和社会效益，为海洋石油油气绿色经济发展做出贡献。

4 结语

随着国内经济的迅猛发展，推进数字化转型和智能化发展是贯彻落实习近平总书记重要指示精神和党中央相关决策部署的必然要求。我国是世界能源生产第一大国，同时，能源产业面临“双碳”目标约束下的绿色转型、传统能源和新能源的供需不匹配等多方面挑战。顺应能源革命与数字革命深度融合发展趋势，加快利用智能化通信技术，不断推动数字化和智能化升级已经成为贯彻国家“双碳”战略的重要方式。能源行业加速数字化转型，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，已成为全球油气行业的共识和发展方向。等离子火炬在海洋油气田上的应用，与国家节能减排，绿色经济发展，实现“碳达峰碳中和”目标相符合，对提高企业经济效益和社会效益具有重要的意义。