Факельные установки на морских нефтегазодобывающих платформах


105 downloads 3K Views 542KB Size

Recommend Stories

Empty story

Idea Transcript


Федеральное агентство по образованию РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

Ч.С. Гусейнов, Э.Д. Аббасов ФАКЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ НА МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМАХ

Учебное пособие по курсу «Обустройство морских нефтегазовых месторождений»

Москва – 2006

2

УДК 622.276.1/4.04(075) Г96 Рецензенты: Л.Г. Кульпин – д.т.н., генеральный директор «НИПИморнефтегаз» Н.А. Харченко – д.т.н., профессор кафедры автоматизации проектировании сооружений РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. Гусейнов Ч.С., Аббасов Э.Д. Факельные установки на морских нефтегазодобывающих платформах: Учебное пособие. - М.: РГУ нефти и газа

имени

И.М.

Губкина,

2006-35

с.

ISBN 5-7246-0369-1 Рассматриваются

современное

состояние

технических

средств,

используемых в факельных системах на морских нефтегазодобывающих платформах, существенно отличающихся от подавляющего большинства подобных установок суши прежде всего ограниченностью пространства для размещения необходимых объектов для безопасной добычи, подготовки и транспорта углеводородов. Учебное пособие предназначено преимущественно для студентов факультета инженерной механики по специальности 090900 «Морские нефтегазовые сооружения», однако представляет интерес для студентов инженерно-технических и инженерно-технологических специальностей, а также преподавателей, аспирантов и научных сотрудников, занимающихся вопросами освоения морских нефтегазовых месторождений. ISBN 5-7246-0369-1 © Гусейнов Ч.С., Аббасов Э.Д., 2006 © Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, 2006

2

3

Содержание

стр.

Введение………………………………………………………………………

4

1.

Основные термины……………………………………………………

7

2.

Общие положения проектирования…………………………………… 8

3.

Сбросы и сжигание…………………………………………………...... 19

4.

Состав факельных установок………………………………………… 24

5.

Расчет факельных установок………………………………………

25

5.1.

Расчет диаметра факельных установок……………………………

25

5.2.

Расчет высоты факельной трубы……………………………………. 26

5.3.

Пример расчета факельной трубы…………………………………

30

6.

Выбор факельных систем…………………………………………

34

3

4

Введение Все

объекты

нефтегазовой

отрасли

являются

исключительно

взрывопожароопасными в связи, с чем практически на всех объектах устанавливаются факельные установки, наличие которых способствует значительному снижению опасных ситуаций, а порой и вовсе исключают их возникновение. Принципы, заложенные в проектирование факельных установок на морских нефтегазовых сооружениях, с самого начала отличались от принципов проектирования подобных систем на суше, с точки зрения подходов к расположению всех звеньев и расстояний между ними. И, естественно, поэтому особенно актуальны

проблемы безопасности на

морских платформах, являющихся особо сложными объектами в силу крайней ограниченности площадей, на которых сосредоточены скважины и разнообразные

агрегаты,

предназначенные

для

бурения,

добычи,

подготовки и транспорта нефти и газа, а также необходимость постоянного пребывания на платформах многочисленного персонала. Анализ осложнений при эксплуатации факельных систем позволяет утверждать, что их неудовлетворительная работа преимущественно связана с недостатками проектных решений и подборе материалов, дефектов изготовления и монтажа, а в особенности неправильной эксплуатацией и просчетами при ремонтных работах. Наиболее серьезными осложнениями, угрожающими безопасности платформ, являются: •

отрыв языков пламени несгоревших высоколетучих/канцерогенных

газов; •

обратный проскок пламени и прожоги внутри факельных оголовков и

стволов; •

образование «огненного дождя» (вынос жидкости из ствола),

осаждающегося на обслуживающий персонал и оборудование платформы;

4

5



«поворот» языков пламени вниз и «лизание» ими наружной

поверхности высоких стволов; •

опасно высокий уровень теплового излучения из ствола ареала

горения (пламени) на расположенные внизу оборудование и персонал; •

забивание (сужение) ствола, ограничивающего поток подаваемого на

сжигание газа. Исходя из перечисленных прецедентов, общими проблемами для всех факельных систем являются: •

повышенная тепловая радиация;



ненадежные или неисправные дежурные горелки и устройства

розжига газа; •

неоправданно высокие затраты на ремонт и эксплуатацию;



неплановые остановы для замены факельных горелок, выложенных

некачественной футеровкой; •

необходимость замены громоздких и малоэффективных затворов,

дым, шум и неприятный запах от факелов; Безусловно, источником опасности может быть неудовлетворительное обслуживание факельных систем. Яркими примерами могут такие, как обнаружение пауков в горловине сопла Вентури периодически работающей горелки (в одной из тропических стран), или неисправная электропроводка, или наличие скопления воды в трубной обвязке дежурных горелках с розжигом фронта пламени; также встречались на практике случаи, когда устанавливаются горелки без индивидуальных противоветровых козырьков или плохая герметизация панелей управления, что приводило к воздействию влажного атмосферного воздуха, или применение громоздких затворов лабиринтного

типа,

или

использование

тонколистных

металлов

и

несоответствующих способов сварки и т. д. Кроме того, были и абсолютно непредвиденные случаи, как поражение молнией

средств

контроля,

что,

безусловно,

явилось

результатом

неправильного проектирования объекта в целом; причиной осложнений 5

6

были неправильно установленные или плохо отрегулированные клапаны, монтаж электрических проводов меньшего, чем было предусмотрено проектом,

сечения,

и,

наконец,

наиболее

часто

имеющие

место

неправильные действия персонала. К факельным установкам предъявляется ряд таких требований, как: ƒ полнота сжигания, исключающая образование вредных продуктов сгорания; ƒ сжигание, исключающее образование дыма и сажи; ƒ устойчивость факела при изменении расхода и состава сбрасываемых газов; ƒ безопасное воспламенение; ƒ отсутствие яркого свечения; ƒ малошумность (создать бесшумную установку при больших объемах сжигаемого газа практически невозможно). А вообще процесс горения поступающего потока может быть как ламинарным, так и турбулентным. Примером ламинарного горения может служить кухонная горелка; но в производственных условиях преобладают режимы турбулентного горения, критерием которого служит число Рейнольдса. Но

прежде,

представленного

чем

перейти

Пособия,

к

изложению

следует

усвоить

основного

содержания

наиболее

важную

и

общепринятую терминологию применительно к факельным системам.

6

7

1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ АВАРИЙНЫЕ СБРОСЫ – горючие газы и пары, поступающие в факельную систему

при

срабатывании

предохранительных

клапанов

и

других

устройств аварийного сброса. ГАЗОВЫЙ (гидравлический)

ЗАТВОР – устройство для предотвращения

попадания воздуха в факельную систему через верхний срез факельного ствола, а также для снижения расхода продувочного газа. ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ - устройство для бездымного сжигания горючей жидкости. ДЕЖУРНАЯ

(пилотная) ГОРЕЛКА – постоянно горящая инжекционная

горелка на факельном оголовке, предназначенная для воспламенения сбросных газов (паров). ЗАПАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО – совокупность смесителя топливного газа и воздуха, предназначенное для образования горючей смеси, заполнения ею запальной линии, воспламенения и транспортировки пламени к дежурным горелкам. ИСТОЧНИК СБРОСА - технологическая установка, в которой образуются газы (пары), подлежащие сжиганию, а также скважина, продукция которой в данный момент подлежит сжиганию ОБЩАЯ ФАКЕЛЬНАЯ СИСТЕМА – единая система, обслуживающая отдельные технологические объекты. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМАЯ ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА – максимально возможное значение плотности теплового потока для оборудования или персонала. РАБОЧИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН – клапан, установленный в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», для предотвращения роста давления в аппарате.

7

8

РЕЗЕРВНЫЙ

РАБОЧИЙ

КЛАПАН



предохранительный

клапан,

установленный параллельно рабочему и включающийся блокировочным устройством «открыто-закрыто». СБРОСНАЯ ТРУБА – вертикальная труба для сброса газов и паров в атмосферу без сжигания. СБРОСЫ – отходящие от различных установок и объектов (источников сброса) газы или пары, которые не могут быть использованы в данной технологии и подлежат сжиганию. СВЕЧА – устройство для выпуска продувочного газа в атмосферу. ФАКЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕКТОР – трубопровод для сбора и транспортировки сбросных газов и паров от нескольких источников сброса. ФАКЕЛЬНЫЙ ОГОЛОВОК – устройство из жаропрочной стали с дежурными горелками и запальниками, оснащенное приспособлениями для подачи водяного пара, распыленной воды и воздуха. ФАКЕЛЬНЫЙ СТВОЛ – вертикально или наклонно установленная труба с оголовком и газовым/гидравлическим затвором ФАКЕЛЬНЫЙ ТРУБОПРОВОД – трубопровод для подачи сбросных газов (паров) и жидкостей от источника сброса до факельного коллектора. 2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ За годы освоения морских нефтегазовых месторождений было разработано множество конструкций факельных устройств, анализ которых позволяет провести их систематизацию и представить в самом общем виде наиболее важные принципиальные конструктивные отличия. 2.1.Стреловидные мачты Такие мачты нередко сдваивают

и устанавливают с подветренной

стороны, причем в зависимости от объема технологических операций, обуславливающих ярусность платформы и общие компоновочные решения, мачты могут устанавливаться по «низу» платформы или по ее «верху». Мачты могут изменять свой наклон и иметь длину до 75 м, при наличии 8

9

сдвоенных мачт сжигание газа осуществляется на одной из них в зависимости от направления ветра. Изменение наклона позволяет снизить уровень тепловой радиации, влияние последнего фактора можно уменьшить путем установки теплозащитных щитов (отражающих экранов). 2.2. Консольные мачты Консольные мачты могут иметь больший наклон и длину (свыше 100 м) благодаря наличию стяжки, обеспечивающую надежность эксплуатации конструкции. Опасность выпадения горящих капель жидкости минимальна, уровень радиации находится в пределах нормативных требований. Иногда подобные конструкции выносят на автономную платформу, которая в данном случае играет роль обычной подставки, поскольку переносить на эту же платформу какие-либо технологические операции вряд ли целесообразно. 2.3. Вертикальные стояки Этот тип стояков занимает наибольшую площадь и устанавливается в одном из углов платформы, конструкция мачт может иметь квадратную или крестообразную форму при высоте примерно в 100 м. При использовании этого типа стояков особенно важно обеспечить тщательную сепарацию газа, чтобы исключить попадание вылетающих горящих капель на палубу. Вертикальный тип наиболее удобен для монтажа и гораздо надежнее по длительности эксплуатации. Приведенные типы стояков, безусловно, не исчерпывают значительно большего многообразия, но в пособии представлены наиболее типичные. Представляет

интерес

сравнить

наиболее

характерные

показатели

вышеперечисленных типов факельных установок. Ниже в таблице 1 приводятся эти показатели и для большей полноты приводятся показатели факельных установок, когда они установлены не на платформе, а вне - ее. Рассмотрен вариант установки факела, перекинутого через мостик на 9

10

отдельно стоящую опору и вариант прокладки подводного трубопровода, по которому подается подлежащий сжиганию газ на факел. Необходимо отметить, что как мостик, так и «подводный» факел могут быть реализованы лишь в условиях мелководья (при этом следует указать, что из соображений безопасности длина мостика должна быть не менее 180 м при высоте стояка 33 м над уровнем верхней палубы, а длина подводного трубопровода должна быть не менее 300 м), на глубоких же акваториях эти решения вряд ли экономически оправданы (в табл.1 в графе «габариты»для подводной линии указан диаметр трубопровода, а все стоимостные показатели взяты на уровне 1995 г., но скорректированы на настоящее время с осредненным коэффициентом 1,25) Таблица 1. Тип факельного стояка

Масса, т

Габариты,

Стоимость, млн.

м

$.

Двойная стрела

130-160

40-60

1,25–1,79

Вертикальная башня

120-150

30-35

1,23-1,80

Консольная мачта

220-280

30-40

2,20-2,70

низкого подъема

180-260

30-40

1,75-2,50

Консольная мачта

3200-3400

70-80

16,84-17,91

высокого подъема

3000-3200

350-400

16,57-17,83

Мостик Подводный факельный трубопровод И если для всех типов факельных систем в настоящее время удалось достигнуть высокого уровня защиты от тепловой радиации, то, как видно из этой таблицы, стоимостные показатели различаются весьма существенно, что лишний раз подтверждает необходимость проведения тщательных

10

11

расчетно-конструкторских проработок различных вариантов при выборе факельных систем. При размещении факельных установок необходимо руководствоваться следующими рекомендациями: •

факельную мачту следует устанавливать с подветренной стороны

платформы; •

высота установки горелки и ее местоположение должны быть такими,

чтобы ее пламя (при горизонтальной направленности из-за ветра) никак не соприкасалось с буровой вышкой; •

установка

насадки

или

ее

замена

должна

проводиться,

по

возможности, без прекращения эксплуатации платформы; •

уровень тепловой радиации не должен превышать нормативных

показателей, но, если этого нельзя добиться, в крайних случаях следует предусмотреть установку защитных (отражающих) экранов; •

для снижения радиации стояк и горелку можно расположить под

углом друг к другу (вплоть до перпендикулярного расположения). Основные размеры факельных установок зависят от мощности газового потока, допустимого перепада давления, состава газа, его температуры, но наиболее критическими являются мощность (скорость) потока и перепад давления. Когда скорость потока превышает расчетную, увеличиваются размер пламени и тепловое излучение, повышается загрязнение окружающей среды, процесс сгорания газа происходит в конусе форсунки факела, что способствует сокращению срока ее эксплуатации, кроме того, может произойти срыв пламени с последующим образованием взрывоопасной газовоздушной смеси и ее взрыва. С этой целью рекомендуется, чтобы скорость газа в факелах «открытого» пламени не превышала 0,2 М (М – число Маха, обозначающее безразмерную

характеристику

течения

сжимаемого

газа,

равную

отношению скорости течения газа к скорости звука); современные же 11

12

факельные установки позволяют повысить скорость подаваемого на факел газа до 0,5 М (т.е. до 4 км/с). При этом, если отношение скорости сброса газа на факел к скорости звука не превышает 0,2, то следует подавать пар для полноты сжигания углеводородов. Для предупреждения образования в факельной системе взрывоопасной смеси необходимо предусмотреть в необходимых случаях продувку всей системы инертным газом, обычно азотом. В технической литературе проблеме теплового излучения при сжигании газа на факеле уделено достаточное внимание [1-5]. Уровень тепловой радиации

изучался при различных наклонах пламени под воздействием

ветра; естественно, ветер, с одной стороны, увеличивает радиацию пропорционально

наклону

пламени,

с

другой

же

стороны,

ветер

способствует охлаждению нижерасположенного оборудования. Так, при температуре воздуха 28° С и скорости ветра 5 м/с уровень радиации возрастает на 25%, а дальнейшее повышение перепада температуры (между температурой, создаваемой пламенем, и температурой воздуха) даже с возрастанием скорости ветра значительно повышают уровень тепловой радиации. Эти исследования позволили рекомендовать использование специальных защитных костюмов для обслуживающего персонала, находящегося в зоне повышенной радиации. Но, если для наших арктических районов это пожелание легко выполнимо, то для тропических районов рекомендуется снижать уровень тепловой радиации: •

путем создания водяных завес или установки защитных экранов;



путем уменьшения температуры пламени с помощью специально

направленных вентиляторов, использование которых будет способствовать лучшему сгоранию газа и уменьшению температуры пламени благодаря большему поступлению воздуха. Некоторые из этих

технических решений можно достаточно легко

применить на морских платформах наряду с разумным (т.е. технически 12

13

реализуемыми) увеличением факельного ствола и его наклоном во внешнюю сторону от самой платформы (при этом напомним, что факельную установку, точнее факельную мачту, размещают, как правило, по одному из краев платформы). При длительном сжигании газа необходимо определять расстояния между факелом и платформой, поскольку допустимые уровни радиации при регулировании выпуска газа и длительном сжигании - различны. В связи с тем, что факельная башня (мачта) имеет небольшой вес, она наиболее оптимальна для факельной системы в целом. В ряде случаев использование факелов высокого давления и низкого уровня радиации позволяет

применять

легкие

вертикальные

(легко

наклоняемые)

конструкции консольного типа, не занимающие полезную площадь на платформе. Другим опасным фактором при эксплуатации факельных установок является попадание в факел жидких углеводородов, что может привести к аварии, масштабы которой зависят от объемов жидкой фазы, направления ветра, его скорости и близости расположения факела к оборудованию. Безусловно, мелкие частицы жидкости будут сгорать в факеле, но размеры их критичны: частицы до 90 микрон будут сгорать почти бесследно, лишь слегка изменяя окраску пламени и увеличивая его задымление. Размеры капель в 150 микрон будут создавать достаточно видимые траектории их сгорания, а размеры капель еще выше – могут привести к образованию «огненного» дождя, опасного при неблагоприятном направлении ветра для платформы. Дождь из горящих частиц опасен еще и потому, что может стать источником возгорания, а выплескивание жидкости из форсунки пламени приведет к ее стеканию по наружным стенкам горелки и стояка; при этом части факельной установки, выполненные из легированной стали, не повредятся, стояк же из углеродистой стали, будет разрушаться. Поэтому очень ответственным этапом в расчете – является подбор конструкции сепаратора и его пропускная возможность, причем последняя должна иметь 13

14

достаточно широкий диапазон, так как на платформе расход сжигаемого газа колеблется в очень большом интервале. В связи с этим необходимо уметь рассчитать модальный (т.е. средний) размер сепарируемых капель для выбранного

типа

сепаратора.

Расширение

диапазона

пропускной

способности можно осуществить путем комбинации принципов сепарации: например,

гравитационный

с

инерционными,

или

инерционный

с

пропуском газа через фильтры и т.д. В

процессе

сжигания

газа

образуется

дым

и

для

снижения

задымленности используются те же способы, которые применяют для уменьшения тепловой радиации. На платформах используют несколько способов снижения задымленности: •

впрыск воды, разбрызгиваемой в пламени – ее объем возрастает с

ростом молярной массы газа, в целом отношения масс разбрызгиваемой воды и газа находятся в пределах от 1 до 2, при этом с целью повышения эффективности

желательно

«закрутить»

дисперсный

поток

с

использованием вихревых устройств; •

инжекция воздуха в газовый поток, при котором воздух и газ

подаются по соосным каналам в факельной трубе, и нагнетаемый воздух удерживает пламя, независимо от интенсивности ветра (этот способ требует повышенных материальных затрат). Не менее важным при общем проектировании верхних строений платформы и компоновке модулей является выявление источников шума и определение его интенсивности, чтобы обеспечить санитарные нормы условий труда обслуживающего персонала. Желательно, чтобы уровень шума не превышал 85 дБА (показания шумомера снимают в этих единицах, обозначающих общий суммарный уровень звукового давления, т.е. уровень звука). Раздражающее воздействие шума зависит от физических свойств источников шума. Шумы со сплошными спектрами менее раздражающе, чем содержащие тональные составляющие. По характеру спектра шумы

14

15

подразделяются на широкополосные (спектры шириной более одной октавы) и тональные (спектры, в которых слышны дискретные тона). При работе факела возникает шум, как от истечения сжигаемого потока газа в открытое пространство с большой скоростью, так и от инжекции воздуха или впрыска воды или водяного пара (сухой водяной пар является более предпочтительным по сравнению с влажным паром, шум испарения капелек воды попадающих в пламя, обусловлен потерями энергии пара). Таким образом, из-за неравномерности и неустойчивости процесса сгорания и турбулентности потока сгораемого газа создается шум с уровнями до 120 дБА, подобное происходит и при подаче газа через форсунки в печь, но несколько ниже – около 98 дБА. С целью снижения шума отверстия в соплах для подачи водяного пара должны быть рассчитаны так, чтобы пропускать необходимое количество пара при минимальном давлении. Для этого рекомендуется применять несколько сопел вместо одного, а при необходимости создания большого перепада давления на факеле целесообразно использовать несколько небольших ступенчатых перепадов давления. Кроме того, снижения шума можно достигнуть, применив вместо цилиндрической горелки коническую, поскольку в этом случае снизится скорость выхода газа из нее. Для сжигания пластовой продукции (нефть, газ или их смесь) при опробовании разведочных скважин на наших плавучих буровых установках в 80-е годы была разработана горелка ГМС-14, которая устанавливается на специальной поворотной ферме длиной 20 м на расстоянии 22 м от корпуса платформы. На этой горелке наиболее высокие уровни звука были получены при сжигании нефти (около 98 дБА), при сжигании газа уровни шума были ниже на 15 дБА. Современная

технология

разработки

проектирования

факельных

установок допускает использование установок меньшего диаметра при большей скорости выхода газового потока и более коротких выхлопных труб; конструкция факелов допускает меньший наклон пламени и 15

16

соответственно увеличивает срок эксплуатации факельной горелки. Хорошо известно, что при сгорании больших объемов газа в факеле выделяется огромное количество тепла и, соответственно, повышается уровень теплового излучения, соразмерный, а иногда и превышающий уровень солнечной радиации. Поэтому очень важно, чтобы уровень тепловой радиации не превышал бы предела, безопасного для обслуживающего персонала. При проектировании факельных устройств необходим строгий контроль применения

соответствующих

марок

стали,

в

особенности,

когда

рекомендована нержавеющая сталь или хром-никелевые сплавы. Часто на практике в целях экономии средств используются оголовки большого диаметра с оснащением лишь одной дежурной горелкой, которые в случае задувания их при сильных порывах ветра приводят к авариям; также были случаи, когда неправильно проводился расчет диаметра ствола (не учитывалось противодавление) факела. При правильной конструкции горелки современные факелы закрытого типа не требуют ни применения пара, ни принудительной подачи воздуха, воды или продувочного газа. Чтобы обеспечить бездымный факельный сброс углеводородов, в настоящее время широко практикуется сдвоенная система розжига, в которой сочетается электронный розжиг с резервным розжигом фронтом пламени. Вообще электронный розжиг является сверхнадежным: наличие искровых запальников обеспечивает начало горения, несмотря на то, что там могут снег, вода, краска или другие посторонние вещества; при этом электронные системы не требуют постоянного технического обслуживания (это утверждение основано на опыте

эксплуатации

свыше

15

лет).

А

на

случай

отключения

электроснабжения система снабжена резервным батарейным источником питания, обеспечивающим повторный розжиг факела. На нефтедобывающих платформах обычно часть газа используется на газлифтную добычу нефти (уместно отметить, что этот газ циркулирует в 16

17

системе и подлежит систематически небольшому пополнению из-за незначительных потерь, обычных в технологическом тракте) и на собственные нужды (для производства необходимой электроэнергии), а когда объемы избытка газа нерентабельны, чтобы их перекачивать по подводному газопроводу на берег, эту часть газа в крайне редких случаях можно сжечь на факеле, хотя преимущественно этот газ целесообразнее закачивать в пласт для поддержания пластового давления; однако этот вариант требует установки дополнительных компрессоров, что не всегда позволяют габариты платформы. Довольно часто сжигают нефтяной газ на платформах при освоении вводимых в эксплуатацию новых нефтяных скважин. Факельные системы являются одной из самых пожароопасных и, тем не менее,

необходимых

составных

частей

ВСП;

как

правило,

они

устанавливаются на краю платформ с подветренной стороны (заранее определяется господствующее направление ветра – «роза» ветров) с тем, чтобы жар работающих горелок сносился в открытое море. С этой целью факельный ствол устанавливается на консольной ферме, выступающей за пределы основных габаритов платформы. Такое конструктивное решение позволяет в большинстве случаев иметь абсолютную высоту факельного ствола меньше длины вылета стрелы. Удаление самой горелки от ВСП вызвано необходимостью снизить тепловую радиацию на основные объекты платформы, повысив тем самым безопасность персонала и оборудования. Кроме того, рациональное размещение факельного ствола на платформе в наших по существу везде замерзающих морях может способствовать снижению обледенения значительной части ВСП за счет тепловой радиации. На мелководье незамерзающих морей, как отмечалось выше, газовый факел довольно часто выносят за пределы платформ на некоторое расстояние с целью исключения тепловой радиации, для чего строят легкие основания, на которых устанавливается ствол факельной башни (такое 17

18

решение принимается на основе сопоставления результатов техникоэкономических расчетов). Поскольку на нефтегазодобывающих платформах сепарация жидкой и газовой фаз пластовой продукции осуществляется в несколько ступеней, мы получаем газовую фазу с несколькими давлениями (обычно газы высоких и низких давлений). Соответственно этому на платформе создаются две раздельные системы сбора и утилизации газа, включая и факельные системы; при этом газ поступает на факел раздельно, только в одной единой конструкции факельной фермы (с целью экономии площади и металла). Все факельные линии на платформе должны иметь минимальную длину с минимальным числом поворотов (желательно, чтобы общие потери давления не превышали 0,08 МПа); на факельных коллекторах запрещается устанавливать сальниковые компенсаторы; факельные линии следует прокладывать с уклоном 0,003 в сторону факельного сепаратора, и, если это невозможно осуществить, в наиболее низких точках трубопровода следует устанавливать улавливающие устройства (как правило, расширительные камеры) с отводом конденсата в дренажную емкость «закрытой» дренажной системы. В целом факельные системы на МСП предназначаются для безопасного сжигания высоко- и низконапорных газов в следующих случаях: •

постоянного

сброса

газа,

предусмотренного

технологическим

регламентом; •

срабатывания устройств аварийного сброса, предохранительных

клапанов, ручного стравливания, а также освобождения технологических линий (ТЛ) от газов в аварийных ситуациях автоматически или с применением дистанционно управляемой запорной арматуры и др.; •

периодических сбросов газов при пуске, наладке и остановке ТЛ,

освоении скважин после бурения и ремонта, а также при воздействии на призабойную зону скважин и других операциях, выполняемых при давлениях, превышающих давление в ТЛ; 18

19



сброса газа из водоотделяющих колонн и стояков подводных

трубопроводов. Высокая

скорость

истечения

газа,

улучшая

аэрацию

пламени,

способствует более полному сгоранию газа и снижает тепловое излучение на верхних строениях платформ (ВСП). А в целях предотвращения отрыва пламени, способного вызвать затухание факела, в настоящее время созданы всепогодные многофорсуночные горелки. Современная факельная установка состоит из отдельных систем сброса газа ВД и НД, каждая из которых имеет свою собственную систему сборных коллекторов. На МСП факельный ствол (труба с оголовком и газовым затвором), как правило, выполняется наклонным с "открытым" пламенем, удаленным от палубы МСП на безопасное расстояние; однако, при соответствующем обосновании допускается установить факельный ствол вертикально. При расположении месторождения на трассе сезонных перелетов птиц, факельный ствол следует выполнять с "закрытым" пламенем. 3. СБРОСЫ И СЖИГАНИЕ На МСП, где не всегда имеют место постоянные и периодические сбросы газов и паров, аварийные сбросы от предохранительных клапанов возможно: •

направлять через сбросную трубу в атмосферу без сжигания при

условии, что допускаемая плотность сбрасываемого газа не более 0.8 по отношению к плотности воздуха, и она в процессе разработки не увеличится; •

если содержание сероводорода в углеводородном газе не превышает

8%. Подобная практика имеет место на предприятиях нефтеперерабатывающей и химической промышленности (которые находятся на довольной близких расстояниях от мест проживания людей). 19

20

На МСП должна быть предусмотрена система противоаварийной защиты с быстродействующими клапанами-отсекателями (до 3-5с), автоматически перекрывающими подачу газа в аппараты при длительном (до 5-10с) срабатывании предохранительных клапанов. Устройство сбросных труб и условия сброса должны обеспечивать эффективное рассеивание сбрасываемых газов и паров, исключающее образование

взрывоопасных

концентраций

в

зоне

размещения

технологического оборудования, жилого модуля и вертолетной площадки при минимальной высоте сбросной трубы – 10 м. В ряде случаев также целесообразно направлять газ в сборную емкость для накопления с постепенным его стравливанием в атмосферу без сжигания, либо для непосредственной утилизации на платформе, или для транспорта газа с дожатием при необходимости до давления в подводном газопроводе. Полнота сжигания углеводородных смесей обеспечивается за счёт высокой

скорости

истечения.

Для

обеспечения

полноты

сжигания

(бессажевое горение) сбрасываемых смесей на факельной установке без дополнительных устройств необходимо, чтобы соотношение скорости сброса к скорости звука в газе составляло свыше 0,2. При сжигании смесей при меньшей, чем указано, скорости количество образующейся сажи определяется соотношением масс Н/С. С увеличением содержания углерода и уменьшением отношения Н/С количество сажи будет увеличиваться. Полнота

сгорания

углеводородных

масс

без

сажеобразования

обеспечивается при соотношении масс Н/С>0,25. Организация бездымного сжигания углеводородных смесей может быть успешно решена при подаче пара или воздуха в зону горения. Подача пара способствует более равномерному перемешиванию горючих газов с воздухом, а также образованию окиси углерода и водорода из сажи. При определении требуемого количества пара обычно принимают, что на 1 кг сбрасываемого газа требуется примерно 0,6 кг пара; для бессажевого сгорания парафиновых углеводородов (этан, пропан, бутан и т.д.) в зону 20

21

первичного смешения требуется подать около 20%, для олефинов (этилен, пропилен и т.д.) – около 30% воздуха. Так, для полного сгорания 1 кг пропана требуется 15,7 кг воздуха, из которых 20% (примерно 3,1 кг) должно подаваться в первичную зону смешения [8]. Сбросы горючих газов и паров, разделяющиеся на постоянные, периодические и аварийные, для сжигания или сбора и последующего использования на МСП следует направлять в одну факельную систему при совместимости сбросов. Не допускаются постоянные и периодические сбросы газов и паров в общие факельные системы, в которые направляются аварийные сбросы, если совмещение указанных сбросов может привести к повышению давления в системе до величины, препятствующей нормальной работе предохранительных клапанов и других противоаварийных устройств. По каждому источнику сброса газов и паров, направляемых в факельную систему, должны быть определены возможные их составы и параметры (температура, давление, плотность, расход, продолжительность сброса, а также параметры максимального, среднего и минимального суммарного сбросов с объекта). Для предупреждения образования в факельной системе взрывоопасной смеси следует исключить возможность подсоса воздуха и предусматривать непрерывную (газопровод),

подачу если

в

продувочного

газа

технологическом

в

факельный

процессе

не

коллектор

предусмотрено

постоянных сбросов. В качестве продувочного газа используется нефтяной, природный, или инертный газ. Скорость продувочного газа в стволе факела должна быть не менее 0.9 и 0.05 м/сек соответственно при отсутствии и наличии газового затвора. Газ и пар, сбрасываемые в факельную систему, не должны содержать капельную жидкость и твердые частицы. Для этих целей перед факельным

стволом

устанавливаются

факельные

сепараторы

(ФС).

Конструкция ФС должна исключать унос жидкости газом в факельный 21

22

ствол путем своевременного опорожнения. Способ опорожнения, как правило, осуществляется самотеком в дренажную емкость "закрытой" дренажной системы. В факельном коллекторе и подводящих трубопроводах температура газов и паров должна быть такой, при которой исключена возможность кристаллизации продуктов сброса. Коллекторы и трубопроводы факельных систем должны иметь, при необходимости, тепловую изоляцию, и (или) на них должны быть установлены обогревающие спутники для предотвращения конденсации и кристаллизации веществ в факельных линиях. Запрещается

использовать

в

качестве

топлива

сбрасываемые

углеводородные газы и пары с объемным содержанием в них инертных газов более 5%, сероводорода – более 8%. Потери давления в факельной системе при максимальном сбросе не должны превышать 0.08 МПа. Горючие газы и пары, сбрасываемые с технологических аппаратов и складских емкостей через гидрозатворы, рассчитанные на давление, меньшее, чем давление в факельном коллекторе, следует направлять в факельную систему по специальному факельному трубопроводу, не связанному с коллектором от других предохранительных устройств. Специальный трубопровод через отдельный сепаратор необходимо подключать непосредственно к стволу факельной установки. Перед каждым пуском факельную систему необходимо продуть паром или газом, чтобы содержание кислорода у основания факельного ствола было не более 50% от нижнего предела взрываемости, проверена степень загазованности у пульта зажигания и устройств сбора и откачки конденсата с

помощью

переносных

газоанализаторов

специально

обученным

персоналом. Перед проведением ремонтных работ факельная система должна быть отсоединена стандартными заглушками и продута инертным газом (азотом). 22

23

Врезки в факельный коллектор необходимо производить сверху для исключения заполнения трубопроводов жидкостью. На факельных коллекторах и трубопроводах запрещается устанавливать сальниковые компенсаторы. Дистанционный контроль с использованием мониторов и управление работой

факельной

системы

следует

осуществлять

из

помещения

операторной (или помещения КИП), ближайшей к факельной установке. Объем газов, сбрасываемых через предохранительный клапан (клапаны) при их срабатывании, определяется, исходя из расчета объема газового пространства в аппарате при давлении, равном превышению давления срабатывания клапана над рабочим давлением аппарата. Объем газов при постоянных и периодических сбросах определяется по показателям технологической схемы (проекта) разработки месторождения. Контроль и автоматизацию технологических процессов факельных систем следует предусматривать в следующем объеме: •

регулирование расхода газа, подаваемого на продувку факельного

коллектора и в газовый затвор; •

местный замер расхода продувочного газа в факельный коллектор и

газовый затвор; •

дистанционный контроль и регистрацию расхода газа на факел;



аварийная сигнализация на щит оператора следующих параметров:



погасание пламени дежурных горелок;



максимально допустимый уровень жидкости в устройствах, из

которых ведется отбор конденсата; •

местный контроль значений необходимых параметров. Эффективное смешение углеводородных смесей с воздухом достигается

использованием факельной горелки с разделением газового потока на отдельные струи с помощью большего числа горелок или одной горелки с большим числом выходных отверстий.

23

24

4. СОСТАВ ФАКЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Конструкция факельной установки должна обеспечивать стабильное горение в широком интервале расходов газов и паров, предотвращать попадание через верхний срез факельного ствола. В составе факельной установки должны быть предусмотрены: •

факельный ствол;



оголовок с газовым затвором;



факельный сепаратор;



средства контроля и автоматизации;



дистанционное электрозапальное устройство;



подводящие трубопроводы газа на запал и горючей смеси;



дежурные горелки с запальниками;



устройство для отбора проб. Материалы факельного оголовка, дежурных горелок, обвязочных

трубопроводов, деталей крепления следует выбирать с учетом их возможного нагрева от теплового излучения факела. Обвязочные трубопроводы на участке факельного ствола необходимо выполнять из бесшовных жаропрочных труб. Розжиг факела должен быть автоматическим, а также дистанционно управляемым. Факельная установка должна быть оснащена устройством регулирования давления топливного газа, подаваемого на дежурные горелки. Высота факельного ствола определяется расчетом по плотности теплового потока и с соблюдением условия исключения возможности загрязнения окружающей акватории продуктами сгорания. Скорость газа в устье факельного ствола должна приниматься с учетом исключения возможности отрыва пламени, но не более 80 м/с. Устройство лестниц и площадок должно обеспечивать удобство и безопасность при монтаже и ремонте факельного оголовка и другого оборудования, расположенного на разной высоте факельного ствола.

24

25

Как уже отмечалось, факельную установку следует размещать с учетом розы ветров, а расстояние между факельным стволом и модулями ВСП следует определять, исходя из допустимой плотности теплового потока 4.8 и 2.8 кВт/м2 при условии эвакуации персонала в течение 30 сек или 3 мин соответственно. 5. РАСЧЕТ ФАКЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 5.1. РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ФАКЕЛЬГОЙ УСТАНОВКИ Уравнение расхода сбрасываемого газа имеет вид W=3600 ρuF

(1)

где W – расход газа, кг/ч; 3

ρ − плотность газа, кг/м ;

u – скорость газа на выходе из факельной трубы, м/с; F – площадь поперечного сечения трубы, м2. Плотность сбрасываемого газа ρ=

ΡΜ RΤ

(2)

где М – молекулярная масса газа, кг; Ρ - абсолютное давление газа, Па;

T – температура, К; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 кДж/(моль ⋅ Κ ). Скорость газа на выходе из факельной трубы принимают равной 20% от скорости звука в этом газе. Скорость звука в идеальном газе может быть выражена следующим соотношением uЗ=91,5

κΤ Μ

(3)

Тогда скорость газа u=18,3

κΤ Μ

(4) 25

26

где κ - показатель адиабаты; κ = СР/Сv Поперечное сечение факельной трубы равно F=0,785 d 2

(5)

где d – диаметр факельной трубы, м. После подстановки уравнений (2) – (5) в уравнение (1) получим ⎛ Τ ⎞ d = 0,4 ⋅ ⎜ ⎟ ⎝ κΜ ⎠

0 , 25

⎛W ⎞ ⎜ ⎟ ⎝Ρ⎠

0 ,5

(6)

Если расход газа задан в м3/ч, то уравнение для расчета диаметра факельной будет иметь вид ⎛Μ⎞ d = 0,4 ⋅ 10 −3 ⎜ ⎟ ⎝ κΤ ⎠

0 , 25

(7)

W 0,5

5.2. РАСЧЕТ ВЫСОТЫ ФАКЕЛЬНОЙ ТРУБЫ Сжигание больших объемов сбрасываемого на факел газа приводит к выделению значительного количества тепла, и в связи с этим необходимо учитывать

максимальную

выдерживает интенсивность

в

течение

интенсивность всего

тепловыделения

времени можно

тепловыделения, воздействия

определить

которую

персонал. по

Эту

следующему

уравнению: τ q = τ 1 q1 + τ 2

q1 − q 2 ⎛q ⎞ L⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ q2 ⎠

(8)

Интенсивность теплоизлучения пламени определяется уравнением q=

εQ , 4π ⋅ r 2

(9)

где ε - коэффициент светового излучения; Q – количество тепла, выделяемого пламенем, МДж/ч;

r – расстояние от центра пламени, м. 26

27

ε

Коэффициент

учитывает

количество

тепла,

рассеивающегося

излучением; для метана он равен 0,20, пропана 0,33 и углеводородов с молекулярной массой более 44 он равен 0,40. В зависимости от молекулярной массы сбрасываемого углеводорода коэффициент

излучения

выражается

различными

эмпирическими

уравнениями ε = 0,048 Μ

(10)

⎛ Q 26,9 ⎞ ε = 0,20 ⋅ ⎜ H ⎟ ⎝ 900 ⎠ QH = (50Μ + 100)

0,5

(11)

1 26,9

(12)

для газовых смесей Q H = ∑ ni Q H i

(13)

где QH - низшая теплота сгорания. Количество тепла, выделяемого пламенем, равно: (14)

Q = WQH

3

где W - количество сбрасываемого газа, м /ч. Предположим,

что

тепло,

выделяемое

пламенем,

равномерно

распределено по его длине, а сброс газа происходит в неподвижный воздух. Необходимо

определить

высоту

факельной

трубы

при

заданной

интенсивности теплоизлучения у ее основания. Тогда уравнение (1) можно записать следующим образом: q1 =

из которого q=

ε 4π

H +L



H

(Q / L) dr ε (Q / L) = 4π ( x' ) 2

H +L



H

dr ( x' ) 2

,

(15)

εQ 4πH ( H + L)

и 27

28

x' = [H (H + L )] , 1/ 2

отсюда ⎛ 2 εQ ⎞ ⎜⎜ L + ⎟ 4πq1 ⎟⎠ ⎝ H= 2

или

1/ 2

−L

(16)

(L H=

2

+ 4r 2 2

)

1/ 2

−L

,

где q – максимальная интенсивность теплоизлучения, МДж/(м2·ч); H - высота факельной трубы, м;

L - высота (длина) пламени, м;

x' - расстояние от центра пламени до основания факельной трубы, м;

r - расстояние от центра пламени до объекта, м.

Интенсивность излучения, МДж/(мч)

Для определения значений q можно воспользоваться рис.1. 40 30 20 10 0 0

20

40

60

80

Время воздействия, с

Рис.1. Зависимость интенсивности теплоизлучения от времени воздействия при максимальных болевых ощущениях. Самая короткая факельная труба получится при q = 37,4 МДж/(м2·ч), если считать, что время удаления персонала из опасной зоны равно нулю. Если в формулу (15) подставить значение q = 5 МДж/(м2·ч), отвечающее безопасному уровню интенсивности, то предельное расстояние от центра пламени до объекта будет равно r = (ε·Q/4π·q)1/2 Из многолетнего опыта эксплуатации факельных установок на морских объектах установлено: поскольку существуют значительные ограничения 28

29

габаритов платформ, факельные установки следует максимально возможно удалять, прежде всего, от жилого модуля с учетом розы ветров. Так, при удалении факельной установки на 50 м от зоны, опасной для людей, допустимая интенсивность теплоизлучения на этом расстоянии не должна превышать 5 МДж/м2·ч. Однако это требование не всегда выполнимо, что требует

варьировать высотой факельного ствола, установленного на

противоположной от жилого модуля стороне. Коэффициент ε учитывает количество тепла, рассеивающегося излучением тепла, а высота пламени (т.е. его длина) зависит от числа Маха, представляющего, как было указано выше, отношение u/uз, где знаменатель представляет собой скорость звука в сжигаемом газе и рассчитывается из формулы: uз = (2g·k· R· T/k+1)1/2. На основании обработки эмпирических данных по изучению интенсивности теплоизлучения на дневной поверхности и температуры металлоконструкций факельных труб было установлено, что длину пламени можно вычислить из выражения: L = 0,72· 103 Dф· u/uз Однако, начиная со скоростей, равных 20% от скорости звука в сжигаемом газе длина пламени становится равной примерно 118-120 Dф, и это значение принято ТВ нормах технологического проектирования [ 8 ]. Тогда необходимую высоту факельной трубы при учёте ветра или при его отсутствии принимают из выражения: Нв = ( r2 -[ a – (Lц - H )sin α]2 - (Lц -H) cos α )1/2 здесь

Lц – расстояние от центра пламени до основания

факельной трубы в м, а – расстояние от оси факельной трубы до объекта. Поправка на ветер вводится с целью компенсации понижения центра пламени к горизонту под воздействием ветра. Если при выполнении расчётов диаметр факельной трубы превысит 500 мм, то заново определяется 29

30

u = M· uз, но при этом число М принимается равным 0,3., угол α, характеризующий угол отклонения пламени от вертикали под действием ветра, определяется как tg α = w/u, где w – скорость ветра в м/с. Пример расчета факельной трубы При расчете по приведенной методике высота факельной трубы составляет небольшую величину. Вокруг трубы получается довольно значительные зоны действия теплового излучения высокой интенсивности. Характеристика сбросов Таблица 2. Предохранительный

Газ

М

клапан

Расход моль/ч кг/ч

1

Углеводороды 33

1110

36600

2

Н2О (или

18

1220

22000

3

пары)

33,4 1165

38900

4

Углеводороды 28

435

12200

5

Углеводороды 42

1705

73700

Углеводороды 15

4415

161400

Н2О

1220

22000

5635

183400

Углеводороды Сумма

18

Максимальная солнечная радиация на территории РФ находится в пределах 2,5-2,9 МДж/(м2·ч). Максимально допустимая интенсивность самого факела определится как qф = q - qc . 30

31

Требуется определить размеры факельной трубы для одновременной разгрузки предохранительных клапанов. Характеристика сбросов приведена в таблице 2. Давление газа в сбросной трубе составляет 100 кПа, температура окружающего воздуха 21°С, средняя скорость ветра 9 м/с. В таблице 3 приведены суммарные расчеты физико – химических констант сбросного газа. Таблица 3. Газ

Мольная

СV ,

СP ,

доля, n

кДж/(моль·

кДж/(моль·

К)

К)

nC nCP V

QH ,

nQ

МДж/м

H

3

Углеводороды 0,783

41,6

54,4

36,

42,

71

55,

Н2О

25,0

33,3

0

5

0

5

5,5

7,2

41,

49,

5

7

0,217

Сумма





0 —

55, 5

Для сбросного газа молекулярной массой М=32,25 значение к=49,7/41,5=1,198, где к=∑nCP /∑nCV . Скорость звука в сбрасываемом газе uЗ =91,5

1,198 ⋅ 294 = 302 м/с 32,35

Плотность сбрасываемого газа 105 ⋅ 32,35 3 р= = 1,32 кг/м 3 8,31 ⋅ 294 ⋅ 10

Скорость газа на выходе из факельной трубы принимаем равной 20% от скорости звука в этом газе u = 0,2·302 = 60,4 м/с Площадь поперечного сечения факельной трубы 31

32

F=

183400 2 = 0,64 м 3600 ⋅ 1,32 ⋅ 60,4

Диаметр факельной трубы d=

0,64 = 0,905 м 0,785

Из рисунка следует, что длина пламени L будет составлять L=0,905·118=107 м Общее тепловыделение Q = 183400 ⋅

55,5 = 7,7 ⋅ 106 МДж/ч 1,32

Коэффициент излучения 1/ 2

⎛ 26,9 ⋅ 55,5 ⎞ ε = 0,2⎜ ⎟ ⎝ 900 ⎠

= 0,258

Интенсивность теплоизлучения q=

0,258 ⋅ 7,7 ⋅ 106 0,158 ⋅ 106 = 4 ⋅ 3,14 ⋅ r 2 r2

Предельное безопасное расстояние от центра пламени r=

0,158 ⋅ 106 = 178 м 5

Пользуясь рис.2 и задаваясь различным временем эвакуации τ 2 , определяем величину теплоизлучения и рассчитаем высоту трубы Н и время эвакуации. Расчеты методом приближения

Максимальная интенсивность теплоизлучения, МДж/(мч)

продолжаем до совпадения принятых и расчетных величин. 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

20

40

60

80

Время удаления персонала, с

32

33

Рис.2. Зависимость максимального теплового излучения от времени удаления персонала из опасной зоны (с учетом времени реакции, равного 5 с). Результаты расчета приведены в таблице 4. Таблица 4. Предполагаемое Теплоизлучение

Высота трубы

Расчетное

время

пламени q,

Н,

время

эвакуации

МДж/(м2·ч)

м

эвакуации

τ2 , с

τ2 , с

0

37,4

30,5

26,8

26,8

16,2

61,5

23,4

23,4

16,4

56,5

24,1

Переходим к определению влияния ветра на безопасную границу вокруг факельной трубы. Угол наклона пламени sin α = 0,147

cos α = 0,99

Минимальное расстояние от центра пламени х' = [56,5 ⋅ (56,5 + 107 )]

1/ 2

= 96,5 м,

Отсюда

(x'−H ) = 96,5 − 56,5 = 40 м

[H + (x'− H )cos α ]2 = (56,5 + 40 ⋅ 0,99 )2 = 9250 Расстояние от основания трубы x = (31600 − 9250 )

1/ 2

+ 40 ⋅ 0,147 = 155 м

Следовательно, оборудование, требующее к себе особого внимания со стороны обслуживающего персонала, должно располагаться за пределами зоны радиусом 155 м. Из опыта эксплуатации выработаны определенные допустимые плотности теплооблучения при расчете факельных установок ( М Дж/м2ч): 33

34

-основание факела, граница размещения оборудования - 33,5 -срез наконечника при двух факелах – 16,75; при трех и более факелах – 21,0; -границы зоны ограждения факелов - 16,75; - помещения пульта управления устройством зажигания – 8,4; -оборудование установок, обслуживаемое персоналом без применения специальных средств защиты - 5,0; -внутриплощадочные, внеплощадочные и магистральные трубопроводы горючих газов и жидкостей - 3,8.

6. ВЫБОР ФАКЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В настоящее время в России ряд компаний занимается производством факельных установок для различных промышленных объектов; среди них наиболее приемлемым для условий их размещения на морских платформах является входящее в ПГ "Генерация" предприятие ООО "РОСЭКОФАКЕЛ", которое совместно с компанией NAO Inc. (США) создало современные факельные системы, разработанные и изготавливаемые на принципах международной интеграции с компанией NAO Inc. (США) - мировым лидером в современных факельных технологиях. Они защищены патентами, имеют сертификат на применение Госгортехнадзора России (включая и морские объекты), сертификаты Госстандарта, аттестованы по ИСО 9001. Современные

факельные

системы,

производимые

ООО

"РОСЭКОФАКЕЛ", применяются на объектах сбора и подготовки пластовой продукции скважин нефтяных

и

газовых

месторождений,

объектах

нефтехимической,

нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности, позволяют избежать применения морально и технически устаревших, металлоёмких, дорогостоящих и зачастую небезопасных факельных систем. 34

35

Они широко используются при аварийных, постоянных и периодических сбросах, выходе оборудования из строя, отключении электроэнергии, плановом ремонте, а также для сжигания паров и органических веществ; Эти установки позволяют осуществлять высокоэффективное сжигание любых соотношений углеводородов, кислых и инертных газов за счет соответствующей

модификации

факельного

оголовка

и

выпускаются

выпускаются открытого, закрытого и мобильного типа. Преимущества факельных систем ООО "Росэкофакел" NAO следующие: 1. Уникальная система розжига со свечой непосредственно на дежурной горелке не имеет аналогов в мире. Система розжига надежно работает при любых погодных условиях и температурах, в дождь, снег, при ураганных ветрах. 2.

Дежурные

горелки

со

специальными

защитными

козырьками

обеспечивают полную защиту пламени даже в условиях ураганных дождей и ветров. В дежурных горелках используются находящиеся внутри и защищенные специальным козырьком термопары для контроля наличия пламени. Вследствие этого, срок службы дежурных горелок и термопар значительно превышает срок службы горелок других конструкций, а благодаря уникальности конструкции расход пилотного газа в 3 раза меньше, чем расход газа в любых других горелках, что ведет к значительной годовой экономии. 3. Уникальный струйный затвор также не имеет аналогов в мире, более эффективный, чем лабиринтный затвор. Его конструкция защищена американским патентом, поэтому никакая другая компания не может использовать такой затвор и не имеет опыта его применения. Факельный оголовок исключает горение пламени внутри, поскольку струйный затвор расположен у верхней кромки оголовка. Благодаря высококачественным

35

36

материалам оголовок не подвержен коррозии, что снижает расходы на его профилактический ремонт и обслуживание. 4. Уникальные стабилизаторы пламени, благодаря которым выходящий газ завихряется придавая стабильность пламени. При этом предотвращается отрыв и задувание пламени при любых колебаниях расхода газа, при максимальных выбросах и при любых погодных условиях. 5. Специальный козырек защищает верхнюю часть оголовка и создает воздушную камеру, что предотвращает соприкосновение пламени с оголовком при боковом ветре, тепло отводится от металла путем рассеивания, поддерживается низкая температура поверхности факельного оголовка, что значительно увеличивает срок службы оголовка, составляя 10 15 лет и выше, вместо 1- 3 у предлагаемых другими производителями факелов. 6. Уникальные Jet-mix факела представляют собой разнесенные факельные форсунки. Такие факельные оголовки обеспечивают бездымное горение для тяжелых углеводородов при различных давлениях и расходах, без использования подачи пара В комплект поставки факельной системы входят: •

факельный ствол;



оголовок;



дежурные горелки;



средства контроля пламени дежурной горелки;



панель дистанционного розжига и контроля; Открытые факельные системы применяются для аварийных, постоянных и

периодических сбросов, характеризуются бездымностью, низким уровнем тепловой радиации, большой скоростью сброса. 36

37

Факельный ствол.

При использовании открытых факельных систем возможно применение следующих типов стволов: самонесущие, на растяжках, мачтовые и со сдвоенными стволами. Выбор высоты факельного ствола. По требованию заказчика производятся расчёты теплового, шумового воздействия горения на окружающую среду и расчеты рассеивания хвостовых газов для служб охраны труда и здоровья, экологических территориальных органов. В таблице 5 представлены данные по тепловому излучению для выбора высоты ствола: Таблица 5.

Зона

Выбор условий работы по излучению

Тепловое излучение у основания ствола (кВт/м2)

1

Неограниченное пребывание персонала

1,9

2

Эвакуация персонала в течение 3 минут

3,14

3

Эвакуация персонала в течение 30 секунд

4,8

4

Полное запрещение пребывания персонала

9,4

37

38

Струйный затвор. Для обеспечения безопасности и увеличения срока службы факела, предотвращения попадания воздуха в систему, взрывов и прогорания в стволе используется современная конструкция струйного затвора. Струйный затвор обеспечивает открытый проход прямолинейного потока только в одном направлении, не имеет никаких подвижных деталей, сложных изгибов или перегородок, ограничивающих расход сбросного или продувочного газа. Струйный затвор имеет следующее преимущества: •

уникальность и надежность конструкции;



долговечность конструкции;



устранение горения внутри оголовка;



устранение горения внутри факельного ствола;



значительное снижение расхода затворного газа;



устранение необходимости в футеровке и дренаже;



отсутствие необходимости в подогреве затвора;



устранение необходимости в частом ремонте и обслуживании;



отсутствие коррозии и экономия металла;

Факельный оголовок. Верхнюю часть факельного оголовка окружает конический защитный экран. Благодаря установке этого удлиненного защитного экрана образуется воздушный зазор, отодвигающий пламя от боковых сторон факела, вследствие чего продлевается срок службы оголовка, изготовленного из сплава. Кроме того, этот экран препятствует "заворачиванию" пламени вниз и "лизанию" факельного ствола, предотвращая в то же время срыв пламени дежурной горелки из-за сильных боковых ветров. Для формирования 38

39

закручивающегося вихревого потока, который обеспечивает на выходе скорости, существенно превышающие 0,5 скорости звука, создаваемое сбросным газом пламя закручивают по удерживающему его кольцу. Закручивание пламени способствует его удержанию в вертикальном положении, что дополнительно уменьшает явления, связанные с наклоном факела и "лизанием" оголовка. Для бездымного сжигания сбрасываемых газов с различным молекулярным весом и давлением используются специальные оголовки для факельных систем. В таблице 6 представлены характеристики предлагаемых типов оголовок.

Таблица 6 Тип

Диапазон

оголовка

применения

Назначение оголовка и его особенности Бездымный оголовок с одиночным или

NJM или

Условный

NMJM

проход от 53 до 320 мм.

множественными соплами, для реактивного смешивания

с

обеспечивают

воздухом. бездымное

Оголовок сжигание

сбрасываемых газов при наличии избыточного давления газов в стволе более 0.05 Мпа. Рассчитан на диапазоны около номинального режима сжигания при постоянных сбросах газов с молекулярным весом менее 25. Бездымный

NEC или

Условный

NMEC

проход 53 до 320 мм и более.

множественными

оголовок

с

одной

или

насадками

Коанда

для

активного смешивания с воздухом. Оголовок обеспечивает

бездымное

сжигание

сбрасываемых газов при наличии избыточного давления газов в стволе более 0.007 МПа. Для 39

40

работы

в

широком

максимального

до

диапазоне

минимального

от

режима

сброса при сбросах газов с молекулярным весом более 25. Бездымный оголовок с множественными Условный

NMEC-АА

проход 53 до 320 мм.

насадками

Коанда

интенсивного

для

активного

смешивания

с

и

воздухом.

Оголовок обеспечивает бездымное сжигание сбрасываемых газов в полном диапазоне сброса включая и минимальные сбросы с давлением ниже 0,007 МПа. Оборудован воздуходувкой автоматической

и

может

поставляться

системой

регулирования

подачи воздуха.

В таблице 7 приведён размерный ряд основных типоразмеров диаметров факельных стволов и оголовок с уникальным запатентованным струйным затвором.

Оголовки

снабжены

устройствами

стабилизации

пламени,

предотвращающими отрыв пламени при больших скоростях сброса газов. Струйный

затвор

рассчитывается

индивидуально,

что

с

обеспечивает

долговечность службы всей факельной установки.

40

41

Таблица 7. Условный диаметр оголовка, мм

Максимальное количество сжигаемого газа, тыс. м3/сутки

Высота ствола, м

Диаметр Рекомендуемое ствола, мм количество дежурных горелок

100

61

7

100/ 150

1

150

146

10

150/ 200

1

200

256

14

250

402

17

250 / 450

2

300

585

21

300

2

350

792

24

350

2

400

975

27

400

2

500

1460

34

500

2

600

2130

40

600

3

750

3290

49

750

3

900

4750

61

900

3

200/300 /400

1

Примечания: 1. При высоте менее 20 м рекомендуется применение самонесущих стволов, а при высоте более 20 м рекомендуется применение стволов с растяжками. 2. В таблице приведены данные расчетов для сжигания газа плотностью более 0,8 кг/м3, молекулярным весом 20, при давлении 0,1 МПа, температура

41

42

газа 30ºС, скорости на выходе не более 120 м/сек и тепловой радиации 3,15 кВт/м2. 3.Далее типовой дискретный ряд диаметров оголовков до 2500 мм. 4. Расчёты факельной системы, выбор типа и материала факельного оголовка, климатического исполнения, системы розжига и контроля, диаметр и высота входного патрубка факельного ствола выполняются для каждого конкретного объекта в соответствии с исходными данными 5.

Высота

факельной

системы

рассчитывается

и

рекомендуется

разработчиком оголовка, с учетом требований заказчика и допустимых значений теплового излучения и рассеивания. 6. Условные обозначения: СФНР-100 - Система Факельная с использованием технологии НАО изготовитель "Росэкофакел" с условным диаметром оголовка 100 мм. 7. Состав, давление, количество сжигаемых газов - без ограничений. Расход газа, подаваемого на дежурную горелку - 1,2 нм3/ч, давление - 0,7 кг/см2 Системы розжига, управления и контроля. В

выпускаемых

используются

два

ООО

"РОСЭКОФАКЕЛ"

основных

способа

розжига

факельных дежурных

системах горелок:

электроискровой и розжиг бегущим огнём. Система розжига может быть поставлена как в ручном, так и в автоматическом

исполнении.

Энергосберегающие

дежурные

горелки,

разработанные специалистами фирмы NAO, позволяют экономить до 90% направляемого в них газа при одновременном обеспечении чрезвычайно надежного функционирования независимо от ветровых и погодных условий. Каждая дежурная горелка имеет свой собственный защитный экран, который также препятствует срыву пламени сильными ветрами. Для формирования чрезвычайно

устойчивого

дежурного

пламени

в

каждой

горелке 42

43

предусмотрено собственное пламеудерживающее сопло. Дежурные горелки отличаются малым потреблением газа. Ниже в таблице 8 представлены наименования основных типов дежурных горелок для розжига факелов.

Таблица 8. 1

NSFP-CP-SSV

дежурная

горелка

с

электроискровым

розжигом, долговечная, технически совершенная. 2

NSFP-TCW-CP-SSV дежурная горелка с электроискровым розжигом, долговечная, технически совершенная, с термопарой для контроля пламени дежурной горелки.

3

NSFP-TCW-CP-HD-SSV дежурная горелка с электроискровым розжигом, долговечная, технически совершенная, с термопарой для контроля пламени дежурной горелки.

Усиленная, для

тяжелых условий эксплуатации. 4

NSFP-CP-SSV дежурная горелка с розжигом бегущим огнем, долговечная, технически совершенная.

5

NFP-TCW-CP-SSV дежурная горелка с розжигом бегущим огнем, долговечная, технически совершенная, с термопарой для контроля пламени дежурной горелки

6

NFP-TCW-CP-HD-SSV дежурная горелка с розжигом бегущим огнем, долговечная, технически совершенная, с термопарой для контроля пламени дежурной горелки.

Усиленная, для тяжелых

условий эксплуатации

43

44

Примечание: возможна поставка отдельно системы розжига (панель управления, дежурные горелки) для установки на существующую факельную систему. Технические параметры дежурных горелок. Розжиг бегущим огнем:

Электроискровой розжиг:

дежурной Природный газ - Газ дежурной Газ Природный газ горелки

горелки

-

Топливный газ - 40 МДж/м3

Топливный газ - 40 МДж/м3

Количество – 1,2 нм3 /час

Количество – 1,2 нм3 /час

Давление – 0,7 кг/см2

Давление – 0,7 кг/см2

Эл./питание - 220 В – 50 Гц.

Давление воздуха для бегущего огня – 1,4 кг/см2 Эл./питание - 220 В – 50 Гц. Максимальное расстояние ствола от

пламени

розжига



Без

ограничений

В таблице 9 представлены наименование основных типов панелей управления для дежурных горелок. Таблица 9. NICB-1W Панель управления с ручным розжигом, 1. предназначена для использования с одной дежурной горелкой в атмосфероустойчивом исполнении NICB-2W Панель управления с ручным розжигом, 2. предназначена для использования с двумя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NICB-3W Панель управления с ручным розжигом, 3. предназначена для использования с тремя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении 44

45

NICB-1А-W Панель управления с ручным и автоматическим 4. розжигом, предназначена для использования с одной дежурной горелкой в атмосфероустойчивом исполнении NICB-2А-W Панель управления с ручным и автоматическим 5. розжигом, предназначена для использования с двумя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NICB-3А-W Панель управления с ручным и автоматическим 6. розжигом, предназначена для использования с тремя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NIP-1W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 7. ручным розжигом, предназначена для использования с одной дежурной горелкой в атмосфероустойчивом исполнении NIP-IM-2W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 8. ручным розжигом, предназначена для использования с двумя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NIP-IM-3W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 9. ручным розжигом, предназначена для использования с тремя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NIP-1A-W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 10. ручным и автоматическим розжигом, предназначена для использования с одной дежурной горелкой в атмосфероустойчивом исполнении NIP-IM-2A-W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 11. ручным и автоматическим розжигом, предназначена для использования с двумя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NIP-IM-3A-W Панель управления розжигом бегущим огнём, с 12. ручным и автоматическим розжигом, предназначена для использования с тремя дежурными горелками в атмосфероустойчивом исполнении NBIP-IM-2A-W Панель управления розжигом бегущим огнём, с ручным и автоматическим розжигом, со встроенной 13. воздуходувкой для использования с манифольдом розжига для одной или двух дежурных горелок, в атмосфероустойчивом исполнении

45

46

Примечание:1.

Все

панели

могут

быть

поставлены

также

во

взрывобезопасном и северном исполнении. 2.Для

панелей

управления

розжига

бегущим

огнем

рекомендуется

использование взрывобезопасного исполнения.

Специальные факельные системы. В зависимости от требований и условий заказчика возможна поставка специальных факельных систем. Закрытые факела выпускаются: •

высотного типа (цилиндрические, модульные и прямоугольные);



наземного типа (котлованные, горизонтальные). Факельные

системы

могут

поставляться

комбинированного

типа

(открытые - закрытые). Для временного использования поставляются мобильные факелы (модульные, на треногах, на трейлерах). Паросжигатели предназначены для сжигания паров, газов, жидкостей (спиртов, масел, загрязненной воды), шламов. Комплектация дополнительными опциями. Предложение на поставку оборудования, как правило, состоит из базовых и дополнительных к ним устройств

"опций".

Базовые

предложения

оптимально

определяют

соотношение цена-качество. Опции существенно расширяют качественные параметры предложений. Выбор опций производится заказчиком. Их стоимость суммируется с соответствующим базовым предложением. Опции существенно влияют на улучшение качества продукции, сроков службы, надёжности, экологические и другие технико-экономические показатели. В опции входят: По стволам: 1. Ствол, выполненный совместно с дренажной ёмкостью и сепаратором. 46

47

2. Нанесение улучшенных защитных покрытий. 3. Материальное исполнение ствола. 4. Дополнительно возможна поставка вспомогательного оборудования, такого как: сепаратор, гидрозатвор, кран-балка для факельного оголовка. По оголовкам: 1. Вид розжига. 2. Материальное исполнение корпуса оголовка. 3. Уровень и степень автоматизации процесса розжига и контроля горения дежурных горелок 4. Уровень коррозионной защиты оголовка и дежурной горелки от агрессивного влияния кислых газов. 5. Защитный конусообразный козырёк (для струйного оголовка). 6. Бездымные оголовки. 7. Оголовки с подачей пара или воздуха в зону горения. 8. Фланцевые пары и крепёжные изделия. 9. Специальные электрические провода для розжига и контроля работы дежурной горелки. 10. Специальные коммутационные коробки, фитинги и уплотнители для проводов систем электрического розжига и контроля. 11. Мини-компрессоры для обеспечения воздухом систем "бегущий огонь". 12. Воздуходувки систем обеспечения подачи воздуха в зону горения. 13. Следящие системы автоматизации и регулирования подачи воздуха для экологически чистого бездымного сжигания с целью сохранения природных ресурсов. 14. Приспособления для замены оголовков. 15. Рекомендуемый перечень запасных частей. 16. Технический проект оригинальных стволов. 17. Технические проекты вспомогательного оборудования.

47

48

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.Стрижевский И.И., Эльнатанов А. И. – «Факельные установки», М., «Химия». 1979 2.Оуэн Л.А., Джинн Хай-Хуанг. – «Инженер-нефтяник», 1975, № 9 3.ПБ 09-12-92 «Правила устройства и безопасной эксплуатации факельных систем» 4.ПБ 10-115-96 «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под высоким давлением» 5.РД 51-0220570-2-93 «Клапаны предохранительные. Выбор, установка и расчет» 6. Голованов А.Н., Багаутдинова А.Н. – Зарубежные факельные установки для опробования морских скважин, Обзорная информация ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Нефтепромысловое машиностроение, ХМ -3, М., 1989, 7. Мотяков В.И., Адамянц П.П., Мамедов Ф.А.- Расчеты факельных установок для морских нефтяных и газовых месторождений, ж-л «Азерб. нефт. хоз-во», Баку, №8, 1979.

48

49

Учебное издание

Гусейнов Чингиз Саибович Аббасов Эльшад Джаваншир оглы

ФАКЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ НА МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМАХ

Учебное пособие по курсу «Обустройство морских нефтегазовых месторождений»

Сдано в набор. Подписано в печать. 2006. Формат 60*90/16 Тираж 100 экз. Гарнитура Таймс. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский просп., 65

49

Smile Life

When life gives you a hundred reasons to cry, show life that you have a thousand reasons to smile

Get in touch

© Copyright 2015 - 2020 AZPDF.TIPS - All rights reserved.