國產SGI-10型高含硫天然氣焚燒爐在普光D401-1井試氣中的應用

摘 要

摘要：目前，國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、試氣時間短而難以準確評價氣井產能等問題，但設備價格昂貴、供貨周期長、
摘要：目前，國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、試氣時間短而難以準確評價氣井產能等問題，但設備價格昂貴、供貨周期長、維修保養(yǎng)困難。鑒于此，介紹了國內最新研制的SGI-10型焚燒爐的工作原理及主要技術指標，指出該焚燒爐因噴嘴的特殊結構設計和導風器成功研制，使得高含硫天然氣與空氣產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排放達標。同時，根據高含硫氣井的試氣要求對普光D401-1井進行了試氣，設計處理量為10×104m3/d，累積試氣燃燒時間8h，設備運行平穩(wěn)。經環(huán)境監(jiān)測，各項監(jiān)測指標達到環(huán)保要求，其中部分指標還優(yōu)于國外同類產品。實踐證明，該焚燒爐性能可靠，能滿足高含硫氣井長時間安全環(huán)保試氣的要求。
關鍵詞：國產；焚燒爐；高含硫化氫；天然氣；試氣；導風器；普光氣田
    目前高含硫氣井試氣主要采用放噴點火方式，燃燒效率低、H2S燃燒不完全、燃燒形成的S02擴散效果差，易造成局部地區(qū)環(huán)境污染，導致測試時間短、探測半徑小，測取的資料只能反映井筒附近儲層特征，氣井產能評價的準確度較低。針對這一問題，普光氣田借鑒國外高含硫氣田測試經驗，引進國外的焚燒爐進行試氣[1～2]。但該設備價格昂貴、供貨周期長、維修保養(yǎng)困難，鑒于此，中原油田分公司與北京航天動力研究所合作，研制出首臺國產高含硫天然氣焚燒爐，并完善了相應的測試工藝流程，對高含H2S氣井進行系統(tǒng)測試，有效獲取了各項試氣資料。
1 SGI-10型焚燒爐工作原理及主要技術指標
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，下部是底座及進氣部分，兩者用法蘭連接，焚燒爐外設有鋼結構框架。焚燒爐殼體整體材質選用耐硫酸鋼，爐膛內用耐火材料做襯里，滿足了爐膛內壁承受高溫氣流的沖刷、酸氣腐蝕及外部高頻率運輸吊裝等惡劣工況條件。
1.1.2焚燒爐控制系統(tǒng)
    焚燒爐控制系統(tǒng)由點火系統(tǒng)、流量調節(jié)系統(tǒng)、火焰監(jiān)測報警系統(tǒng)、超量預警系統(tǒng)、超壓保護系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、可燃氣體檢測系統(tǒng)、H2S監(jiān)測系統(tǒng)、PLC監(jiān)控系統(tǒng)組成。工作時實現整臺焚燒爐信號的采集、點火邏輯控制、安保聯(lián)鎖等功能。當3套點火系統(tǒng)點火失敗、H2S或S02超標、可燃氣體濃度達到爆炸極限或者超量、超壓、超溫等緊急情況發(fā)生時，該系統(tǒng)將發(fā)出報警信號實現緊急情況的預警及聯(lián)鎖，以保證焚燒爐及其他設備運行的安全。
1.2 工作原理
    以燃料氣(LPG)為點火源，將原料氣引入燃燒器，利用特殊設計的噴嘴和配風結構，使爐內空氣和燃料氣以逆向旋流的方式充分混合，在較小空間、較高容積熱負荷的狀況下實現完全燃燒，使高毒性H2S變?yōu)镾02(見圖1)；焚燒爐出來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，同時又將周圍的空氣卷入煙氣，使煙氣在更廣闊的區(qū)域中擴散、稀釋、混合，從而降低S0。在近地面空氣中的濃度，減少高含硫氣井測試過程對環(huán)境的污染和人員的危害。
 

1.3 主要技術指標
    規(guī)格尺寸：焚燒爐制造尺寸Φ2.6m×18.0m(直徑×長，長度為上、下爐體各9m)，底座尺寸2.8m×3.0m×0.25m(長×寬×高)，重量約.25t(下爐體15t+上爐體10t)。
    性能指標：單臺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，入口管匯設計工作壓力為5MPa，進爐的高含硫天然氣帶液體量不得超過5%(質量分數)，原料氣溫度介于-5～120℃，焚燒爐外殼溫度小于等于120℃，熱輻射強度在25m直徑范圍外小于等于1.5kW/m2，燃燒效率為99.99%。
2 現場應用及環(huán)境監(jiān)測
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，構造位于四川盆地川東斷褶帶大灣-雷音鋪背斜帶大灣構造中部。目的層位：下三疊統(tǒng)飛仙關組三段-一段、上二疊統(tǒng)長興組。2011年1月25日酸壓施工后取樣分析，硫化氫質量濃度為39.243g/m3，體積分數為2.74%。
2.2 焚燒爐現場應用
    SGI-10型焚燒爐于2011年3月12日在普光D401-1井進行試氣，試氣時采取4個工作制度，分別以4×104m3/d、6×104m3/a、8×104m3/d、10×104m3/d氣量試氣，每個工作制度試氣時間為1h，穩(wěn)定試氣8h。焚燒爐試氣地面流程見圖2。

2.3 性能監(jiān)測情況
在試驗過程中，根據要求對反映焚燒爐性能的各項參數進行監(jiān)測，結果見表1。通過調節(jié)焚燒爐的進氣量監(jiān)測各項指標的變化，對焚燒爐性能進行全面驗證和評估，小氣量時30min監(jiān)測一次，大氣量時20min監(jiān)測一次。
通過性能監(jiān)測數據分析得出以下結論：
    1) 焚燒爐試驗日焚燒氣量最高達到10.5×104m3/a，超過其設計能力(10×104m3/a)，并平穩(wěn)運行30min。該焚燒爐在超負荷情況下仍能正常運轉，表明該焚燒爐性能可靠。
    2) 在進氣量不同的狀況下，燃料氣工作壓力一直穩(wěn)定在0.05～0.1MPa范圍內，符合設計要求，表明點火系統(tǒng)穩(wěn)定。
3) 在不同進氣量情況下，點火頭周圍爐壁的溫度隨著進氣量增加而升高，其最高溫度為46.5℃(在允許范圍內)，說明焚燒爐內部耐火模塊隔熱效果較好。徑范圍內熱輻射強度均小于1kW/m2，且隨著進氣量的增加，熱輻射強度呈下降趨勢，完全滿足設計要求，說明熱污染小。
4) 在不同進氣量情況下，焚燒爐在25～35m直接范圍內熱輻射強度均小于1kW/m2，且隨著進氣量的增加，熱輻射強度呈下降趨勢，完全滿足設計要求，說明熱污染小。
   5) 爐膛和爐頂溫度隨著燃燒時間和進氣量的增加緩慢上升，當氣量達到10.5×104m3/d時，其溫度低于設計極限(1300℃)，說明焚燒爐溫控設計合理，近距離散熱較快。
2.4 環(huán)境監(jiān)測情況
    氣象資料分析表明，本地區(qū)冬季出現東北風和北風較多。根據D401-1井平臺周邊地形特點，西南面較為空曠，進入平臺地面風向有可能從北面沿河道進入，即煙氣將被吹向井場南和西南面方向，因此在西南方向和南面重點布置監(jiān)測點。
   本次監(jiān)測以D401-1井平臺周圍1.0km范圍內布點監(jiān)測，其中以西南、正南方向和近距離住戶為布設重點。在焚燒爐下風向100m處加密兩個點位，500m處加密3個點位，共布設大氣環(huán)境自動監(jiān)測點6個，主要監(jiān)測S02和H2S濃度，監(jiān)測點布置見圖3。
 

   本次試氣前6個自動監(jiān)測點監(jiān)測的S02和H2S背景濃度值均為0，試氣時監(jiān)測間隔20s，監(jiān)測歷時8h。試氣過程中6個監(jiān)測點H2S濃度全為0mg/m3；S02濃度在部分點偶爾出現0.1mg/m3，但持續(xù)時間較短，一般持續(xù)幾十秒，其主要原因為山形地貌影響，風速、風向不定導致S02擴散方向單一，擴散較慢。
    通過環(huán)境監(jiān)測分析得出以下結果：此次試氣燃燒效率高、擴散效果好、無污染，S02在近地面空氣中達到國家空氣質量二類標準要求(S02濃度小于0.5mg/m3)。
3 結論與建議
    1) 本次試氣首次運用國產化焚燒爐，試氣過程中，點火一次成功，最大燃燒量為10.5×104m3/d，焚燒爐累積燃燒時間為8h，最高燃燒溫度為1191℃，燃燒效率高達99.99%，S02在近地面空氣中的濃度小于0.1mg/m3，保證了試氣時井場附近的空氣質量達到國家二類標準的要求。
    2) 從國外引進的焚燒爐在高氣量時爐口易見明火、爐體震動大、爐壁溫度較高，而該焚燒爐在這些方面優(yōu)于引進的焚燒爐，且最大焚燒量、熱輻射強度等部分指標也優(yōu)于國外同類產品。
    3) 通過在普光D401-1井的應用，充分說明該焚燒爐性能可靠，完全滿足高含硫氣井長時間安全環(huán)保試氣的要求，標志著我國在高含硫氣體焚燒處理技術方面取得重大突破，為高含硫氣井長時間安全環(huán)保試氣作業(yè)提供了關鍵技術裝備。
參考文獻
[1] 聶仕榮，張文昌.焚燒爐在普光氣田高含硫氣井試氣巾的應用[J].天然氣工業(yè)，2009，29(6)：113-116.
[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[J].中國工程科學，2010(10)：61-64.
 
(本文作者：姜春河 張慶生 張文昌 葉瑛 耿安然 中國石化中原油田分公司采油工程技術研究院)