放空点火系统的优化改造及应用*

殷建成，何云冰，杨 立，李 静

(1 中国石油西南油气田分公司川中油气矿，四川 遂宁 629000；2 中国石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400020)

放空火炬是集输场站上非常重要的安全环保设施[1-3]，其在事故工况或检修维护时能够实时、可靠的将放空天然气进行燃烧[4]。高磨二期灯影组气藏集输场站放空火炬系统主要由PLC控制系统、火炬筒体、火炬头、阻火设施、引火控制撬、压力/流量开关、高能点火电极、火焰监测仪等组成，引火气源采用燃料气，点火方式采用独立外传焰火点火、高空高能电极点火，自动化控制系统采用独立的可编程控制器(PLC)实现[5]。PLC控制系统执行对放空火炬的自动点火、远程点火、就地点火、火焰监测、报警、与监视系统通讯等功能。该区块天然气场站火炬点火系统故障发生频率高，在运行过程中存在点火成功率低下的问题。为消除隐患，减少损失，保障人身和财产安全，通过分析产生问题的根源，提出优化改进方案，形成有效提升放空火炬点火成功率的方案。

1 放空点火系统运行概况

高磨二期灯影组气藏现有生产场站在用放空火炬系统36套，具备自控感应点火、远程点火、就地点火功能，当主火点燃后自动关闭引火电磁阀，只燃烧放空气源；独立外传火由外传火电磁阀同步控制。各放空点火系统可将系统各项参数上传至井站PLC柜，实现中心井站、监控中心对放空系统数据的监控功能。

在压力/流量开关、点火电极、PLC控制系统、控制阀门、火焰监测仪完好的情况下，2019年11月至2020年4月场站放空时放空火炬无法正常点火已出现20多井次。定期点火测试发现各场站的点火系统在运行过程中极不稳定，低流量放空状况下自动高空电点火、现场手动高空电点火以及外传火一次点火成功率在40%～100%；大流量放空状况下，流量感应开关可检测并发出点火信号，但高能电点火引燃天然气的一次成功率在20%～80%。不论是手动点火测试还是自动点火测试，其一次点火成功率都非常低。不经燃烧的易燃易爆有毒天然气泄放对生产运行存在重大的安全环保隐患，特别是无人值守含硫场站的安全阀起跳其危害更甚。

2 点火系统失效分析

2.1 放空气体扩散过程

由于天然气场站放空在野外开阔地带开展，是一种对流扩散过程，主要受风速和质量流速影响[6-9]。

高风速时，空气具有强烈的流动性，空气与放空天然气能够快速的进行对流扩散，供氧充足，易于燃烧，但火焰热流也会在极短时间内跟随着高风速带走，使得火焰温度场区域变小，其燃烧区域也会跟着极度缩小，导致无法点燃放空天然气的状况。

放空气体出口端压力越大其质量流速越大，质量流速越大其初始动量越大，气体的扩散范围和高度越大。初始动量越大，放空的高速气流在火炬立管端口越易发生抽吸作用将引火管口处空气、天然气大量的抽走，在放空端口射流燃烧流场核心区产生负压并形成过冷效应，放空天然气在火炬立管端口极可能得不到燃烧。

2.2 燃气射流燃烧流场理论

天然气放空是由放空火炬立管管口在压差推动下被喷射成一束，流动形式为高速射流。按照燃气射流扩散燃烧模型[10]，射流场中的燃烧全部发生在内外边界的混合区。在核心区内，由于没有周围助燃介质的“侵入”，气流被认为保持在原来的状态，没有燃烧。

旋转射流的旋转作用使得射流介质获得向四周扩散的离心力，其扩散角可达900以上，在射流内部轴线附近形成一个回流区。与普通射流相比，旋转射流较一般射流其射程更短、湍流强度更大，更易促进射流介质与周围介质的动量交换、热量交换和物质交换，使气体燃烧进一步完全和稳定。因此，目前燃烧技术广泛应用旋转射流来实现。

2.3 点火系统失效因素分析

放空火炬点火系统的失效会使得没有燃烧的含硫天然气直接向大气放空，产生天然气与空气的混合体在爆炸临界点发生爆炸的危险和威胁人的生命安全、设备设施损坏等后果[11-13]。火炬点火系统的安全运行直接影响着放空火炬的安全运行。此外，可能还有其他原因导致放空火炬点火失效，表1中列出了可能导致火炬系统点火失效的因素。

表1 火炬系统点火失效因素表

考虑到高磨二期灯影组气藏放空火炬系统建设时间不长，PLC控制系统、压力/流量开关、点火电极、火焰监测仪完好，阀门、管线不存在堵塞和损坏的情况下，点火失效的原因在于：

(1)引火燃料气通过DN25管线从水套炉分流到点火装置，距离至少50 m以上，远的达到300～400 m；管路上无定压/流量调压阀，压力/流量需通过燃料气撬装上最后1级截止阀进行调节，无法达到放空火炬要求的压力/流量；据流体力学理论可知，由于传火引火管气嘴直接与大气连通，引火管内气体压降梯度极大，且受前端压力波动、引火气源管线小、气量供应不足等因素影响，存在独立外传火燃烧到放空火炬立管中途无法继续传火的现象，使得外传火一次点火测试成功率较低。

(2)小流量放空状态下，①火炬口高度20 m，风速可达20 m/s，电点火电极仅1处，如位置处于风向的上风侧，天然气气云从喷放口上方往下风向偏斜；②风速较大时，电点火引火燃烧器产生的热流、部分燃料被风快速带走，火焰的燃烧范围变小，存在引火点不燃的现象。

(3)大流量放空状态下，放空的高速可压气体在燃烧流场结构核心区的火炬口处其密度、压降、温度降低，随着流速的增加，气体发生膨胀，将放空立管端口处的空气、燃料气部分抽走，使得燃烧流场结构的核心区范围扩大，火炬口的气体不能得到燃烧。同时，电点火极位于火炬头顶部，受风、雨等外部复杂天气环境影响时常伴发故障，导致高空电点火极非常难以点燃大流量的放空气体。

3 点火系统改进方案

针对高磨二期灯影组气藏集输场站放空点火系统一次点火成功率低下的现状，优化改进方法[14-20]如下：

(1)双引火燃烧器点火

为降低单独1只高空高能电点火极受高风速、风向燃烧区域变小而点不燃引火和点火电极本体失效的概率，增设1只高空高能电点火极形成高空双引火燃烧器点火技术。

(2)高空分布式接入外传双引火气源

在火炬头位置下分布式设置2根约 1 m长高空外传火取气引火管线，同时将位于火炬头顶部的高空高能电点火极移到火炬头下端新增加的高空外传火引火取气管线上[21]。一可解决因引火气源压力波动大、引火气量小、供气不足使得引火火焰不能传到放空火炬放空口的问题；二可避免引火火焰受高风速、风向的影响没有效进入放空射流气体扩散燃烧结构的内外边界交混区，导致不燃烧状况；三可以减少点火电极在火炬头一直受放空气体高温火焰灼烧本体发生故障的概率。

4 应用实例

图1 高磨区块在用放空火炬高空单电极点火装置

西南油气田川中油气矿在2020年6-7月对磨溪022-X24等5口产能井的放空系统高空电点火由常规的单电极点火(见图1)，改造为高空分布式接入外传火引火气源+双引火燃烧器点火(见图2)。

图2 高空分布式接入外传火引火气源+双引火燃烧器点火装置

在技术改造后，对放空火炬点火系统进行现场点火试验，测试结果见表2。由表2的测试可知，在大、小流量工况下的天然气放空一次点火测试成功率得到了有效提升，分别是92%、100%。

表2 放空火炬点火测试成功次数统计表

5 结论与建议

(1)高磨二期集输场站放空系统通过采用高空分布式接入外传火引火气源+双引火燃烧器点火，放空火炬一次点火成功率达到了92%以上，有效降低了因天然气场站放空过程中一次点火成功率低下而长期影响天然气生产的安全环保隐患问题，表明这是一种能有效提升放空火炬点火成功率的方法。

(2)本次技改未对放空火炬的燃烧器结构进行改造，在大流量放空时高速放空射流燃烧流场核心区较大，存在引火火焰未进入内外边界混合区导致放空气没点燃的情况，而使得大流量放空自动点火的一次成功率未达到100%。

(3)针对集输场站放空火炬点火系统的后续技术改造，可通过优化改造火炬头燃烧器结构形成易于天然气与空气充分混合的导流通道且具备湍流射流扩散燃烧模型、在引火控制阀组前端增设一段引火气源储气装置并优化外传火引火气源气嘴间的距离等方式，进一步提升放空火炬在各工况下的一次点火成功率，确切降低天然气场站放空存在的安全环保隐患。