國(guó)產(chǎn)SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應(yīng)用

摘 要

摘要：目前，國(guó)外的焚燒爐已很好地解決了高含硫氣井試氣燃燒效率低、H2S燃燒不充分、有害氣體排放超標(biāo)、試氣時(shí)間短而難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣井產(chǎn)能等問(wèn)題，但設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、
摘要：目前，國(guó)外的焚燒爐已很好地解決了高含硫氣井試氣燃燒效率低、H2S燃燒不充分、有害氣體排放超標(biāo)、試氣時(shí)間短而難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣井產(chǎn)能等問(wèn)題，但設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、維修保養(yǎng)困難。鑒于此，介紹了國(guó)內(nèi)最新研制的SGI-10型焚燒爐的工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)，指出該焚燒爐因噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和導(dǎo)風(fēng)器成功研制，使得高含硫天然氣與空氣產(chǎn)生正反氣旋并能充分混合，保證了高含硫天然氣的完全燃燒及SO2排放達(dá)標(biāo)。同時(shí)，根據(jù)高含硫氣井的試氣要求對(duì)普光D401-1井進(jìn)行了試氣，設(shè)計(jì)處理量為10×104m3/d，累積試氣燃燒時(shí)間8h，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。經(jīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)到環(huán)保要求，其中部分指標(biāo)還優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。實(shí)踐證明，該焚燒爐性能可靠，能滿足高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣的要求。
關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)；焚燒爐；高含硫化氫；天然氣；試氣；導(dǎo)風(fēng)器；普光氣田
    目前高含硫氣井試氣主要采用放噴點(diǎn)火方式，燃燒效率低、H2S燃燒不完全、燃燒形成的S02擴(kuò)散效果差，易造成局部地區(qū)環(huán)境污染，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間短、探測(cè)半徑小，測(cè)取的資料只能反映井筒附近儲(chǔ)層特征，氣井產(chǎn)能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度較低。針對(duì)這一問(wèn)題，普光氣田借鑒國(guó)外高含硫氣田測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)國(guó)外的焚燒爐進(jìn)行試氣[1～2]。但該設(shè)備價(jià)格昂貴、供貨周期長(zhǎng)、維修保養(yǎng)困難，鑒于此，中原油田分公司與北京航天動(dòng)力研究所合作，研制出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)高含硫天然氣焚燒爐，并完善了相應(yīng)的測(cè)試工藝流程，對(duì)高含H2S氣井進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，有效獲取了各項(xiàng)試氣資料。
1 SGI-10型焚燒爐工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)
1.1 焚燒爐組成
   SGI-10型焚燒爐主要由焚燒爐爐體和控制系統(tǒng)兩大部分組成。
1.1.1焚燒爐爐體
    該焚燒爐爐體由兩部分組成：上部是爐膛，下部是底座及進(jìn)氣部分，兩者用法蘭連接，焚燒爐外設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)框架。焚燒爐殼體整體材質(zhì)選用耐硫酸鋼，爐膛內(nèi)用耐火材料做襯里，滿足了爐膛內(nèi)壁承受高溫氣流的沖刷、酸氣腐蝕及外部高頻率運(yùn)輸?shù)跹b等惡劣工況條件。
1.1.2焚燒爐控制系統(tǒng)
    焚燒爐控制系統(tǒng)由點(diǎn)火系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、火焰監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、超量預(yù)警系統(tǒng)、超壓保護(hù)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)、H2S監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、PLC監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作時(shí)實(shí)現(xiàn)整臺(tái)焚燒爐信號(hào)的采集、點(diǎn)火邏輯控制、安保聯(lián)鎖等功能。當(dāng)3套點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火失敗、H2S或S02超標(biāo)、可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸極限或者超量、超壓、超溫等緊急情況發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)緊急情況的預(yù)警及聯(lián)鎖，以保證焚燒爐及其他設(shè)備運(yùn)行的安全。
1.2 工作原理
    以燃料氣(LPG)為點(diǎn)火源，將原料氣引入燃燒器，利用特殊設(shè)計(jì)的噴嘴和配風(fēng)結(jié)構(gòu)，使?fàn)t內(nèi)空氣和燃料氣以逆向旋流的方式充分混合，在較小空間、較高容積熱負(fù)荷的狀況下實(shí)現(xiàn)完全燃燒，使高毒性H2S變?yōu)镾02(見(jiàn)圖1)；焚燒爐出來(lái)的高溫高速煙氣噴入高空，使煙氣在大氣湍流混合作用下，由旋渦不斷把煙氣推向周圍空氣中，同時(shí)又將周圍的空氣卷入煙氣，使煙氣在更廣闊的區(qū)域中擴(kuò)散、稀釋、混合，從而降低S0。在近地面空氣中的濃度，減少高含硫氣井測(cè)試過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染和人員的危害。
 

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)
    規(guī)格尺寸：焚燒爐制造尺寸Φ2.6m×18.0m(直徑×長(zhǎng)，長(zhǎng)度為上、下?tīng)t體各9m)，底座尺寸2.8m×3.0m×0.25m(長(zhǎng)×寬×高)，重量約.25t(下?tīng)t體15t+上爐體10t)。
    性能指標(biāo)：?jiǎn)闻_(tái)焚燒爐最大處理能力為10×104m3/d，入口原料氣操作壓力為0.04～0.55MPa，入口管匯設(shè)計(jì)工作壓力為5MPa，進(jìn)爐的高含硫天然氣帶液體量不得超過(guò)5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，原料氣溫度介于-5～120℃，焚燒爐外殼溫度小于等于120℃，熱輻射強(qiáng)度在25m直徑范圍外小于等于1.5kW/m2，燃燒效率為99.99%。
2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及環(huán)境監(jiān)測(cè)
2.1 D401-1井基本情況
    D401-1井位于四川省宣漢縣普光鎮(zhèn)銅坎村六組，構(gòu)造位于四川盆地川東斷褶帶大灣-雷音鋪背斜帶大灣構(gòu)造中部。目的層位：下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組三段-一段、上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組。2011年1月25日酸壓施工后取樣分析，硫化氫質(zhì)量濃度為39.243g/m3，體積分?jǐn)?shù)為2.74%。
2.2 焚燒爐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    SGI-10型焚燒爐于2011年3月12日在普光D401-1井進(jìn)行試氣，試氣時(shí)采取4個(gè)工作制度，分別以4×104m3/d、6×104m3/a、8×104m3/d、10×104m3/d氣量試氣，每個(gè)工作制度試氣時(shí)間為1h，穩(wěn)定試氣8h。焚燒爐試氣地面流程見(jiàn)圖2。

2.3 性能監(jiān)測(cè)情況
在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)要求對(duì)反映焚燒爐性能的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)調(diào)節(jié)焚燒爐的進(jìn)氣量監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)的變化，對(duì)焚燒爐性能進(jìn)行全面驗(yàn)證和評(píng)估，小氣量時(shí)30min監(jiān)測(cè)一次，大氣量時(shí)20min監(jiān)測(cè)一次。
通過(guò)性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：
    1) 焚燒爐試驗(yàn)日焚燒氣量最高達(dá)到10.5×104m3/a，超過(guò)其設(shè)計(jì)能力(10×104m3/a)，并平穩(wěn)運(yùn)行30min。該焚燒爐在超負(fù)荷情況下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，表明該焚燒爐性能可靠。
    2) 在進(jìn)氣量不同的狀況下，燃料氣工作壓力一直穩(wěn)定在0.05～0.1MPa范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，表明點(diǎn)火系統(tǒng)穩(wěn)定。
3) 在不同進(jìn)氣量情況下，點(diǎn)火頭周圍爐壁的溫度隨著進(jìn)氣量增加而升高，其最高溫度為46.5℃(在允許范圍內(nèi))，說(shuō)明焚燒爐內(nèi)部耐火模塊隔熱效果較好。徑范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度均小于1kW/m2，且隨著進(jìn)氣量的增加，熱輻射強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明熱污染小。
4) 在不同進(jìn)氣量情況下，焚燒爐在25～35m直接范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度均小于1kW/m2，且隨著進(jìn)氣量的增加，熱輻射強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明熱污染小。
   5) 爐膛和爐頂溫度隨著燃燒時(shí)間和進(jìn)氣量的增加緩慢上升，當(dāng)氣量達(dá)到10.5×104m3/d時(shí)，其溫度低于設(shè)計(jì)極限(1300℃)，說(shuō)明焚燒爐溫控設(shè)計(jì)合理，近距離散熱較快。
2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)情況
    氣象資料分析表明，本地區(qū)冬季出現(xiàn)東北風(fēng)和北風(fēng)較多。根據(jù)D401-1井平臺(tái)周邊地形特點(diǎn)，西南面較為空曠，進(jìn)入平臺(tái)地面風(fēng)向有可能從北面沿河道進(jìn)入，即煙氣將被吹向井場(chǎng)南和西南面方向，因此在西南方向和南面重點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
   本次監(jiān)測(cè)以D401-1井平臺(tái)周圍1.0km范圍內(nèi)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其中以西南、正南方向和近距離住戶為布設(shè)重點(diǎn)。在焚燒爐下風(fēng)向100m處加密兩個(gè)點(diǎn)位，500m處加密3個(gè)點(diǎn)位，共布設(shè)大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，主要監(jiān)測(cè)S02和H2S濃度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。
 

   本次試氣前6個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的S02和H2S背景濃度值均為0，試氣時(shí)監(jiān)測(cè)間隔20s，監(jiān)測(cè)歷時(shí)8h。試氣過(guò)程中6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)H2S濃度全為0mg/m3；S02濃度在部分點(diǎn)偶爾出現(xiàn)0.1mg/m3，但持續(xù)時(shí)間較短，一般持續(xù)幾十秒，其主要原因?yàn)樯叫蔚孛灿绊?，風(fēng)速、風(fēng)向不定導(dǎo)致S02擴(kuò)散方向單一，擴(kuò)散較慢。
    通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)分析得出以下結(jié)果：此次試氣燃燒效率高、擴(kuò)散效果好、無(wú)污染，S02在近地面空氣中達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量二類標(biāo)準(zhǔn)要求(S02濃度小于0.5mg/m3)。
3 結(jié)論與建議
    1) 本次試氣首次運(yùn)用國(guó)產(chǎn)化焚燒爐，試氣過(guò)程中，點(diǎn)火一次成功，最大燃燒量為10.5×104m3/d，焚燒爐累積燃燒時(shí)間為8h，最高燃燒溫度為1191℃，燃燒效率高達(dá)99.99%，S02在近地面空氣中的濃度小于0.1mg/m3，保證了試氣時(shí)井場(chǎng)附近的空氣質(zhì)量達(dá)到國(guó)家二類標(biāo)準(zhǔn)的要求。
    2) 從國(guó)外引進(jìn)的焚燒爐在高氣量時(shí)爐口易見(jiàn)明火、爐體震動(dòng)大、爐壁溫度較高，而該焚燒爐在這些方面優(yōu)于引進(jìn)的焚燒爐，且最大焚燒量、熱輻射強(qiáng)度等部分指標(biāo)也優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。
    3) 通過(guò)在普光D401-1井的應(yīng)用，充分說(shuō)明該焚燒爐性能可靠，完全滿足高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣的要求，標(biāo)志著我國(guó)在高含硫氣體焚燒處理技術(shù)方面取得重大突破，為高含硫氣井長(zhǎng)時(shí)間安全環(huán)保試氣作業(yè)提供了關(guān)鍵技術(shù)裝備。
參考文獻(xiàn)
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[2] 李明志，聶仕榮，張文昌，等.普光氣田P302-2井焚燒爐試氣技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2010(10)：61-64.
 
(本文作者：姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然 中國(guó)石化中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院)