摘要 四川盆地普光氣田天然氣凈化廠具有l20×108 m3/a的高含硫天然氣(H2S體積分數為14.14%，C02體積分數為8.6%，有機硫含量為340 mg/m3)處理能力。為了保證事故工況時其大排量高含硫天然氣的安全泄放和高效燃燒，優化了高低壓放空管網及火炬系統的設計，突破一般天然氣凈化廠“全量放空”的常規設計思路，合理確定了放空規模為75×104 m3/h，研發出空抗低溫、防火雨、高低壓火炬密封、大排量放空防回火、三重保障點火、流體密封等技術，同時引進高效高低壓酸性氣火炬燃燒器，保證了火炬的安全平穩運行。放空與火炬系統投產后運行平穩，燃燒效率高于99.9%，為新建或改擴建大型天然氣凈化廠提供了參考。
關鍵詞 普光氣田 高含硫天然氣 大排量 放空系統 火炬系統 設計 安全 解析
四川盆地普光氣田天然氣凈化廠(下稱普光凈化廠)是“川氣東送”工程的核心組成部分，建設有6聯合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l20×108 m3/a的高含硫天然氣(H2S體積分數為14.14%，C02體積分數為8.6%，有機硫含量為340 mg/m3)處理能力，為目前亞洲最大規模高含硫天然氣處理裝置(圖1)。天然氣凈化裝置內的高壓、高含硫天然氣介質存量巨大、劇毒有害、易燃易爆，當出現火災、大面積泄漏等極端事故工況時，必須保障生產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，這就對天然氣凈化裝置的放空及火炬系統提出了更高的要求[5-6]。
1 特大型高含硫天然氣凈化裝置的放空系統
1.1 放空系統簡介
普光凈化廠6聯合l2系列的天然氣凈化裝置分別布置于廠內東西兩個區域，其間間隔設置循環水場、變電站等公共工程設施，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個工藝單元，其中每個系列裝置脫硫單元每小時處理8.0MPa高壓高含硫天然氣l2.5×104 m3，脫水單元每小時處理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處理硫化氫體積分數為60%的低壓再生酸性氣3.2×104 m3[7]。根據天然氣凈化裝置整體布局與生產單元的工況特點，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設有DN900mm的高壓、低壓并行2套放空管網，形成了“高低壓分離、東西區互聯”的放空管網系統（見圖2，其中紅色所示為高壓管網，黑色所示為低壓管網）。
放空管網系統包括從各系列天然氣凈化裝置內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位于裝置界區的高低壓分液罐分離泄放氣中攜帶的脫硫、脫水溶劑后，匯入東西區高低壓放空管網。東區高低壓放空管網主要負責第一、二、三聯合天然氣凈化裝置、趙家壩污水站及集氣總站的放空需要，西區高低壓火炬放空管網主要負責第四、五、六聯合天然氣凈化裝置的放空需要。東西區高壓放空管網并行進入高壓放空分液系統，東西區低壓放空管網匯合成低壓放空總管后進入低壓放空分液系統。
高低壓放空管網系統于管網起始端設置多點凈化天然氣吹掃點，使用凈化氣對高低壓放空管線進行不間斷全網吹掃，保持管網內氣體的流動性，防止高含硫的放空氣在管網內滯留而造成對管網的腐蝕；在低壓放空匯管設置低壓酸性氣放空伴燒系統，根據低壓放空氣的流量和組分，合理調整凈化天然氣伴燒配比系數，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
普光凈化廠12系列天然氣凈化裝置處理高含硫天然氣的能力高達l50x 104 m3/h，東西區裝置各處理75×104 m3/h，國內天然氣凈化廠一般按照“全量放空”思路來考慮設置放空系統，但普光凈化廠卻不宜按照常規“全量放空”思路來設計放空系統。通過研究特大型天然氣凈化裝置放空控制技術，合理確定普光凈化廠的放空規模為75×104 m3/h，相比常規全量放空設計，減少了40%的系統投資。
針對火災、泄漏等不同的事故工況，開發了特大型天然氣凈化裝置“保壓”與“放空”2種模式及4個級別的放空控制技術：保壓、0.5 MPa/min放空、1.0 MPa/min放空和1.5 MPa/min放空。在天然氣凈化廠發生不可控天然氣泄漏事故時，根據具體情況觸發啟動相應等級的“放空”，其他事故工況按“保壓”方式處理，在安全生產的原則下盡量少放空，以保障裝置運行的經濟性與環保性。
1.3大排量高壓放空抗低溫技術
高壓大排量酸性氣放空的Joule—Thomson效應會產生低溫工況，由于目前國內天然氣凈化廠規模較小，放空管網管徑小，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計方法，則管線材料的投資將大增。普光凈化廠火炬放空管線采用合理設置管網壁厚來克服低溫低應力效應，并合理設置補償器來解決壁厚增加帶來的應力問題[8]，全廠放空管網投資減少了數百萬元。
同時，低壓放空酸性氣高含硫化氫與飽和水蒸氣，可對高低壓放空網管進行全流程伴熱，防止高壓放空管網中出現節流凍堵事故，同時防止低壓放空管網出現強腐蝕性液體而危害放空管網安全。
1.4高低壓放空分液系統
放空分液系統設置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，內設2臺U形管束加熱器，加熱介質為0.4 MPa的飽和蒸汽，用于進一步深度分離東西區高壓放空管網在大排量放空時產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，用于進一步深度分離東西區低壓放空匯管在大排量放空時產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的備用裝置，以高壓放空標準設計，東西區高壓管網與低壓管網設置聯通線，進入備用分液罐，實現裝置不停工檢修，且3套分液罐內部均帶有加熱器可進行升溫，將分液罐和加熱器融合為一個設備，節省了投資與占地。
帶加熱器的高低壓放空分液系統最大限度地保證了放空系統的安全、穩定運行，能有效防止放空氣攜帶液體進人火炬系統形成火雨現象。
2 特大型高含硫天然氣凈化裝置的火炬系統
2.1火炬系統優化設計
普光氣田天然氣生產與商品天然氣外輸必須具備連續性，這要求普光凈化廠l2系列天然氣凈化裝置不能同時停工，凈化廠火炬系統亦不得停工。為此，普光凈化廠火炬系統設置了2座鋼結構支撐三角形火炬塔及4套火炬系統[9]，單座火炬塔同塔架敷設高低壓火炬各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，將高低壓系統切人備用火炬系統(圖3)。
對火炬放空工況下的熱輻射、噪音等進行模擬與計算研究，確定火炬的安全高度為209 m(塔架l39 1TI+山體基礎70 m)，2座不同時停工火炬問的最大熱輻射按照4.7 kW/m2來確定，2座火炬塔架之問的間距為l40 m，滿足允許熱輻射強度不高于1.58 kW/m2的安全距離[10]，實現當高低壓火炬出現故障時，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行，另l座火炬塔架上的高低壓火炬筒體或火炬頭進行檢修，形成火炬不停工輪番檢修模式，同時，也可最大限度地減少山區火炬場地的平整工作量。
2.2高低壓火炬密封、防回火技術
天然氣凈化裝置正常運行時放空管網與火炬處于微正壓，當出現大排量放空后，火炬筒體內可能出現負壓，導致空氣從火炬頭倒吸入筒體內，形成爆炸性混合氣體，從而產生火炬回火，甚至引發爆炸事故[11]。
普光凈化廠高低壓火炬系統均設置水封與火炬頭流體密封。火炬頭流體密封器采用3層動態密封形式，連續向火炬筒體內引入一定流量燃料氣作為密封氣體，以保持筒體內的微正壓，有效防止空氣回竄發生回火事故；水封系統包括高壓、低壓水封、高低壓備用水封以及配套的補水系統。放空管網高低壓放空氣經分液后進入火炬水封罐，沖破水封后進入火炬筒體，將放空管網與火炬燃燒部分安全分離，即使發生回火事故，火焰傳播至水封面即被阻止；當發生大排量放空時，放空氣會攜帶大量的密封液體，造成水封失效。普光凈化廠水封系統采用2種補水并聯方式，正常工況下液位由液位調節閥與溢流裝置控制，大排量放空時，聯鎖開啟補水緊急切斷閥，保持水封的有效高度，保護放空管網系統與天然氣凈化裝置的安全運行。
2.3三重保障點火技術
普光凈化廠高低壓火炬采用長明燈形式，確保排放氣的安全點燃[12]，且每只火炬均設置1套高空電點火、地面爆燃型點火裝置與4只長明燈，每只長明燈均設置雙鎧裝熱電偶監控運行，由溫度信號作為點火觸發信號，采用“2選1”表決，低溫時將發出長明燈熄滅報警。
普光凈化廠火炬采用三冗余點火控制系統，可實現中心控制室遠程點火和現場就地點火。根據控制室遠程PLC點火設置，低溫熄火報警可自動觸發高空點火系統自動點燃長明燈，亦可在控制室手動觸發高空點火系統點火；若在預設延遲時間后，長明燈低溫仍在報警，將發出點火失敗的報警信號。控制室遠程點火失效，可采用現場地面爆燃方式引燃火焰爆燃管內的可燃混合氣體，爆燃火焰在管道內傳遞到相應的長明燈上，點燃長明燈，確保火炬點火成功。
2.4 瓣狀多點伴燒酸性氣火炬頭
火炬頭主要由火炬主體、燃燒器伴燒系統、旋風裝置、密封裝置及長明燈組成。火炬頭的設計溫度為800℃，設計壓力為常壓，主體材質為3lOSS，其余材質為304SS。通過放空管網優化設計，控制到達火炬頭的馬赫數不大于0.3。同時，通過多點燃料氣伴燒，可確保放空氣體在火炬頭的燃燒穩定性和高分解率，滿足安全和環保要求。
火炬頭主體為管狀結構，管頂側面設8個成瓣狀分布的燃燒頭，上部開有狹長的火炬氣出口槽，兩側設有均布的聚火塊穩焰器。火炬氣進人火炬頭后，流到端部封板處分成8股從出口槽噴出。火炬氣出口槽的狹長結構，可增大火炬氣和空氣的接觸面積，提高燃燒效率。同時，可利用穩焰器形成的多排環形小火來確保火炬氣的火焰穩定，防止火炬氣脫火。
伴燒系統由燃料氣管、伴燒分配器、伴燒氣分支管、伴燒燃燒器組成。伴燒分配器為環管結構，通過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，同時引射周圍的空氣共同參與燃燒。在每個燃燒頭的兩側各設有一排伴燒燃燒器，兩側伴燒燃燒器兩兩相對，可使伴燒燃料氣及引射的空氣對撞沖擊火炬氣，加強燃料氣、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。
旋風裝置由旋風罩、旋風支撐裝置組成。旋風罩為繞火炬頭中軸線呈旋風式分布的多塊梯形板，可使旋風罩周圍的側風通過梯形板由下而上掠過燃燒頭，不僅消除了頂部側風形成的“負背壓”而使火炬氣火焰倒伏的可能性，而且還將頂部側風由下而上導入燃燒頭之間，有助于火炬氣燃燒。同時，旋風罩的設置還有助于保護火炬頭的主體部分和設于其內的伴燒分配器和伴燒氣分支管，成為火炬頭“防護罩”。
3 結論
1)普光凈化廠放空系統解決了高壓大排量天然氣放空的低溫工況應力問題，且在國內首次應用具有專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。
2)在大型天然氣凈化裝置安全連鎖控制系統設計的基礎上，通過模擬計算得到普光凈化廠火炬系統的設計基礎，突破常規全量放空設計思路，合理計算和設置火炬管網和火炬放空設施，既滿足了天然氣凈化裝置的安全運行要求，又有效降低了放空管網和火炬系統的尺寸、占地面積與設備投資。
3)建成不停工檢修的放空火炬系統，滿足特大型石油化工企業或大型氣體處理廠等對高低壓火炬系統不間斷平穩運行的苛刻要求。
4)采用大型火炬密封、三冗余點火技術與瓣狀多點伴燒酸性氣火炬頭，實現最大泄放量75×104 m3/h的高含硫天然氣安全泄放、高效燃燒，確保百億方級高含硫天然氣凈化廠長期安全運行。
5)普光高含硫天然氣凈化廠大排量安全放空與火炬系統，創新優化放空火炬系統配置，投產運行后安全平穩，為新建或改擴建大型天然氣凈化廠提供了參考，具有良好的推廣應用前景。
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.中國石化中原油田普光分公司2.中國石化中原油田測井公司
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