氣態(tài)乙烷管道停輸特性探討

陳俊文 劉 鑫 湯曉勇 諶貴宇 郭艷林

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

近年來,乙烷市場需求逐漸旺盛,煉廠對乙烷需求較大，傳統(tǒng)原材料石腦油無法及時滿足;隨著美國頁巖氣革命到來,大量乙烷提取后計劃出口;加之國內(nèi)輕烴回收工藝日益成熟,自產(chǎn)乙烷也可補(bǔ)充煉廠原料缺口[1-4]。因此,為與之配套,乙烷管道輸送需求增加。乙烷產(chǎn)品(后文無特別說明時,簡稱“乙烷”“氣態(tài)乙烷”或“液態(tài)乙烷”)作為天然氣產(chǎn)品中摩爾質(zhì)量較輕的一類,因飽和蒸氣壓較高,有條件以氣相狀態(tài)進(jìn)行輸送。目前,諸多學(xué)者對天然氣及附屬產(chǎn)品輸送工藝開展了大量研究[5-18],積累了較為豐富的經(jīng)驗；但由于尚未形成專門的氣態(tài)乙烷輸送規(guī)范,也鮮有相關(guān)輸送技術(shù)報道,氣態(tài)乙烷輸送工藝技術(shù)亟待討論。當(dāng)工程中認(rèn)可采用單相氣態(tài)模式輸送乙烷,但尚未明確是否允許在極端工況下出現(xiàn)臨時相變,這對設(shè)定管道操作壓力、確定管道材料可靠性和評估管道運(yùn)行安全具有一定影響。為此,有必要基于乙烷物理特性,結(jié)合氣態(tài)乙烷輸送技術(shù)要求,闡述系統(tǒng)壓力對乙烷管道工藝設(shè)計的影響,定性討論氣態(tài)乙烷管道冬季停輸?shù)南嘧円?guī)律,并借助軟件進(jìn)行相關(guān)模擬。

本文將基于氣態(tài)乙烷物理性質(zhì),分析氣態(tài)乙烷管道操作壓力對管道設(shè)計與運(yùn)行的影響,探討氣態(tài)乙烷管道停輸后的相變規(guī)律,借助商用軟件定量分析停輸相變與再啟動汽化問題,為氣態(tài)乙烷管道合理設(shè)計和運(yùn)行提供借鑒。

1 乙烷產(chǎn)品基本性質(zhì)

圖1 某乙烷產(chǎn)品相包絡(luò)線

由此可見,相同溫度下,乙烷產(chǎn)品包絡(luò)線中泡點(diǎn)壓力與露點(diǎn)壓力比較接近,表明乙烷產(chǎn)品采用混相輸送的條件非?？量?難以進(jìn)行平穩(wěn)的混相輸送。這主要是因為其組分構(gòu)成較為簡單,且乙烷組分占據(jù)絕大部分。該乙烷的臨界溫度約30℃,故氣態(tài)輸送時,管道任意點(diǎn)溫度不得高于臨界溫度,且需同時控制系統(tǒng)壓力低于對應(yīng)溫度下的露點(diǎn)壓力。

由于氣態(tài)乙烷管道輸送操作壓力范圍有限,且在較低的壓力下,管徑對操作壓力的匹配較為敏感,因此需結(jié)合實(shí)際情況,探討氣態(tài)乙烷管道穩(wěn)態(tài)操作壓力范圍的選擇。

2 氣態(tài)乙烷管道穩(wěn)態(tài)輸送壓力

氣態(tài)乙烷管道的氣源一般包括兩類:上游處理廠的乙烷回收產(chǎn)物,可直接提供氣態(tài)乙烷;進(jìn)口國外乙烷產(chǎn)品,經(jīng)接收站汽化后進(jìn)入乙烷管道。

根據(jù)工藝特點(diǎn),乙烷回收提取的氣態(tài)乙烷壓力高于進(jìn)口處理后的氣態(tài)乙烷(未增壓),管道輸送中在一定程度上可直接利用上游產(chǎn)品壓力;而進(jìn)口乙烷在汽化站后需要增壓輸送。

如前所述,乙烷管道輸送推薦采用單相輸送,需保證在正常輸送過程中,氣態(tài)乙烷介質(zhì)的壓力和溫度始終處于包絡(luò)線圖的氣相區(qū)。在有上游氣源壓力可利用的情況下,盡可能保持較高的輸送壓力,可有效減小管道內(nèi)徑;同時,由于乙烷的臨界壓力限制,氣態(tài)乙烷的最高操作壓力在5 MPa以下,相同管徑管道在2～5 MPa 下的實(shí)際制造壁厚可能一致,管道投資費(fèi)用相當(dāng)。另外,充分認(rèn)識管道停輸工況下，介質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律對選擇合適的操作壓力非常重要。

某氣態(tài)乙烷管道的沿程溫度、壓力與包絡(luò)線關(guān)系圖見圖2。

圖2 某氣態(tài)乙烷管道的沿程溫度、壓力與包絡(luò)線關(guān)系

由圖2可見,在利用氣源壓力、溫度的情況下,選擇DN 500管道可在冬季工況避開乙烷露點(diǎn)線,正常輸送過程保持氣相;夏季工況中,由于環(huán)境溫度相對較高,且氣體黏度、密度對氣態(tài)輸送壓損影響相對較小,故其末點(diǎn)壓力與冬季接近,但較冬季工況更加遠(yuǎn)離包絡(luò)線。同時要注意,在確定起點(diǎn)壓力的DN 500輸送條件下,在管道冬季停輸工況起始階段,根據(jù)經(jīng)驗公式估算,管道平均壓力可接近2.65 MPa,隨著介質(zhì)溫度接近地溫,雖然其體積將發(fā)生收縮,但不排除發(fā)生氣體液化的可能(3℃下,乙烷的露點(diǎn)壓力為2.2 MPa),其規(guī)律和特性需進(jìn)一步研究。因此,為考慮完全避開液化,可根據(jù)下游接收條件(末點(diǎn)壓力1 MPa),通過設(shè)定管道最高運(yùn)行壓力低于露點(diǎn)壓力來確定管道規(guī)格,則其冬季和夏季的溫度、壓力曲線將更加遠(yuǎn)離包絡(luò)線,這種考慮將增大管道直徑(DN 600),投資相應(yīng)提高。

因此,在保證穩(wěn)態(tài)輸送單一氣相的情況下,需進(jìn)一步研究停輸過程中介質(zhì)液化規(guī)律,為確定合適的輸送壓力提供支撐與參考。

3 氣態(tài)乙烷管道停輸相變規(guī)律

在氣態(tài)乙烷管道發(fā)生停輸時,管道壓力分布發(fā)生變化,全線壓力趨于平衡。受環(huán)境溫度的影響,冬季停輸期間,管道介質(zhì)溫度逐漸下降,且系統(tǒng)壓力也因介質(zhì)溫降而有所降低。這種變化規(guī)律與常規(guī)天然氣基本一致。

由于冬季環(huán)境溫度較低,停輸過程中介質(zhì)溫度變化較大,有可能在停輸一定時間后,系統(tǒng)壓力高于對應(yīng)溫度下的露點(diǎn)壓力,系統(tǒng)達(dá)到液化條件。當(dāng)管道在停輸時,可以視為定容密閉空間,因此,在壓力達(dá)到露點(diǎn)壓力后,可以定性判斷部分氣體發(fā)生液化,系統(tǒng)中部分氣態(tài)乙烷轉(zhuǎn)化為液態(tài)乙烷。由于液態(tài)乙烷密度高于氣態(tài)乙烷,且液態(tài)乙烷可壓縮性極小,因此系統(tǒng)壓力會由于部分氣態(tài)乙烷液化而出現(xiàn)一定程度下降,而液化過程存在放熱,系統(tǒng)吸收熱量后溫度又具有上升趨勢,系統(tǒng)壓力和溫度偏離露點(diǎn)線,液化停止并開始汽化,系統(tǒng)壓力上升,如此反復(fù)。在相對較長的時間內(nèi),系統(tǒng)向外界吸熱,因此介質(zhì)總體趨于降溫趨勢,在多次液化-汽化狀態(tài)交互變化后,變化幅度逐步減小,逐漸趨于平衡。管道最終的壓力、溫度點(diǎn)停留在相包絡(luò)圖露點(diǎn)線附近,介質(zhì)呈現(xiàn)氣液共存的狀態(tài)。

經(jīng)過初步定性分析可知,在停輸過程中,受介質(zhì)溫度影響,系統(tǒng)壓力高于露點(diǎn)壓力時,部分氣態(tài)乙烷液化,系統(tǒng)壓力降低;系統(tǒng)保持在氣液平衡的狀態(tài)。

對于存在氣液平衡的乙烷停輸管道,再啟動過程中,系統(tǒng)中的液態(tài)乙烷因溫度或壓力改變而再汽化,需要考慮汽化引起的溫降溫度。圖3為液態(tài)乙烷絕熱膨脹曲線[19],可見液態(tài)乙烷絕熱膨脹的壓降和溫降變化軌跡與其包絡(luò)線類似。在液態(tài)乙烷汽化的過程中,應(yīng)盡可能采用升溫汽化的方式補(bǔ)充汽化的吸熱量。在管道再啟動前,管道后半段壓力高于正常運(yùn)行的末點(diǎn)背壓,而前半段壓力低于正常運(yùn)行的起點(diǎn)壓力。由于停輸后管道全線溫度較低,介質(zhì)已經(jīng)處于氣液平衡狀態(tài),不宜再采取充入高溫氣體的方式使乙烷再汽化,這可能增加液化乙烷的體積。從圖3可看出,在停輸溫度和壓力下的液態(tài)乙烷,其壓力繼續(xù)下降至1.7 MPa左右時,理論上引起的介質(zhì)極端低溫為-20℃,能夠滿足管道沖擊性能測試結(jié)果的適用范圍。同時,由于液態(tài)乙烷輸量較少,氣態(tài)乙烷溫度、鋼管熱容等均能一定程度降低瞬時汽化過程的低溫液態(tài)乙烷向管道的傳熱。因此,可考慮采用適當(dāng)降低管道末點(diǎn)壓力的方法,控制全線流動壓力,并逐漸引入較高溫度的乙烷氣體,提高管道內(nèi)介質(zhì)溫度,緩解停輸再啟動過程中液態(tài)乙烷汽化引起的低溫。

圖3 液態(tài)乙烷絕熱膨脹曲線

隨著技術(shù)手段的進(jìn)步,上述氣液平衡狀態(tài)的動態(tài)過程、氣液比例、關(guān)鍵參數(shù)和后續(xù)再啟動問題均可通過商業(yè)軟件進(jìn)行定量模擬分析。下文以某管道為例,分析冬季停輸和再啟動工況下的系統(tǒng)壓力、溫度、相變規(guī)律,以進(jìn)一步探討氣態(tài)乙烷管道的停輸相變規(guī)律。

4 模擬手段

目前，氣態(tài)管道常用的Pipeline Studio for Liquid和SPS軟件雖具有動態(tài)模擬功能[20],但均只能適用于單相介質(zhì),不能滿足模擬相變溫降的需求?；诖?推薦采用兼具多相、單相流動模擬的OLGA軟件，作為氣態(tài)乙烷管道相變關(guān)鍵參數(shù)的主要研究工具,其強(qiáng)大的動態(tài)分析功能也得到相關(guān)學(xué)者認(rèn)可[21-22]。

5 算例與分析

以某5 km氣態(tài)乙烷模擬管道為例,設(shè)計輸量200×104m3/d,管道外徑DN 400。結(jié)合上游操作和環(huán)境條件,進(jìn)入外輸管道的氣態(tài)乙烷操作溫度28℃,管道路由地溫3～15℃。氣態(tài)乙烷管道在上游出站和下游進(jìn)站位置設(shè)置了截斷閥。根據(jù)環(huán)境溫度和介質(zhì)飽和蒸汽壓,該管道的末點(diǎn)操作壓力設(shè)定2.7 MPa。氣態(tài)乙烷冬季工況下管道停輸前后沿線壓力和沿程溫度見圖4～5。

圖4 氣態(tài)乙烷管道停輸前后沿線壓力

圖5 氣態(tài)乙烷管道停輸前后沿線溫度

5.1 停輸工況分析

在冬季運(yùn)行工況下,管道內(nèi)介質(zhì)溫度26.5～28℃。管道停輸時,介質(zhì)溫度高于地溫,與周圍環(huán)境進(jìn)行熱傳遞。管道內(nèi)可能因溫度降低而達(dá)到乙烷液化條件,對停輸后60 h內(nèi)管道介質(zhì)壓力、溫度、持液率等進(jìn)行了模擬。氣態(tài)乙烷管道停輸前后沿線持液率見圖6。

圖6 氣態(tài)乙烷管道停輸前后沿線持液率

由圖6可見,正常運(yùn)行工況下,管道沿程溫度和壓力遠(yuǎn)高于乙烷液化條件,但在停輸后,介質(zhì)溫度和壓力開始下降,最終系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度相近,此時系統(tǒng)壓力從2.73 MPa降至2.4 MPa。根據(jù)前文所述,在 3℃/2.4 MPa 條件下,已經(jīng)達(dá)到了氣態(tài)乙烷的液化條件,形成了部分液態(tài)乙烷;從全線管段持液率模擬結(jié)果可看出管道中的低點(diǎn)出現(xiàn)了液態(tài)乙烷積聚,說明該停輸管道處于氣液平衡狀態(tài)。

進(jìn)一步分析管道低點(diǎn)(3.8 km處)的關(guān)鍵參數(shù)時域變化，見圖7～8。

圖7 氣態(tài)乙烷管道停輸過程壓力-溫度(里程3 780 m)

圖8 氣態(tài)乙烷管道停輸過程持液率-溫度(里程3 780 m)

由圖7～8可見,約23 h時,該節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)溫度和壓力降低至4℃和2.45 MPa,壓力出現(xiàn)了一個陡降,溫度發(fā)生緩降,截面持液率升高,表明此時該點(diǎn)附近乙烷開始液化,并有所放熱;隨后在壓力和溫度的降低過程中,持液率有所波動,表明此時截面中氣液兩相在自平衡;溫度和壓力穩(wěn)定后,該截面位置持液率穩(wěn)定。該截面位于管道的低點(diǎn),其持液率在管道中屬于相對較高水平,從此實(shí)例來看,其持液率實(shí)際數(shù)值不高(0.035左右),表明氣液平衡維持在露點(diǎn)線附近。同時,也可看出,在系統(tǒng)發(fā)生液化后,受溫度繼續(xù)降低的影響,其壓力變化基本沿露點(diǎn)線進(jìn)行,主要通過氣相液化來控制系統(tǒng)壓力。

5.2 再啟動工況分析

本實(shí)例停輸后,管道中基本處于氣液共存狀態(tài),在考慮保持管道背壓的情況下,逐步引入氣態(tài)乙烷(溫度較高),利用熱量交換,逐漸汽化管道中的液態(tài)乙烷。模擬結(jié)果見圖9～10。

圖9 氣態(tài)乙烷管道停輸再啟動過程壓力-溫度(里程3 780 m)

圖10 氣態(tài)乙烷管道停輸再啟動過程持液率-溫度(里程3 780 m)

由圖9～10可見,再啟動過程中,由于末端壓力保持穩(wěn)定,在管道介質(zhì)流動后,積存的液態(tài)乙烷隨介質(zhì)溫度升高而逐漸汽化,管道截面持液率逐漸降低,最終全部汽化。由于并未出現(xiàn)大幅壓力降低,因此介質(zhì)溫度保持平穩(wěn)。

進(jìn)一步模擬末端降壓啟動過程,模擬結(jié)果見圖11。

圖11 氣態(tài)乙烷管道停輸再啟動過程持液率-溫度(3 780 m,末點(diǎn)降壓啟動)

由圖11可見,當(dāng)末端采取降壓啟動時,介質(zhì)溫度出現(xiàn)了小幅降低,這主要是由于液態(tài)乙烷汽化造成的,但由于液態(tài)乙烷體積較小、低溫傳熱等因素,介質(zhì)的實(shí)際溫降小于絕熱膨脹溫降。

綜上所述,該實(shí)例中,氣態(tài)乙烷管道在冬季停輸工況下發(fā)生了乙烷液化,系統(tǒng)通過氣液自平衡,溫度、壓力參數(shù)維持在乙烷露點(diǎn)包絡(luò)線附近,系統(tǒng)實(shí)際的乙烷液化量不大;在再啟動過程中,通過控制末端壓力,利用流體熱量交換,實(shí)現(xiàn)乙烷汽化,可有效控制乙烷降壓汽化引起的低溫問題。

另外,結(jié)合理論和實(shí)例分析研究,氣態(tài)乙烷管道確定操作工況時,在保證穩(wěn)態(tài)單相輸送的前提下,可盡量提高操作壓力;通過定性和軟件模擬可知,停輸后引起的液化問題主要受停輸環(huán)境和停輸壓力影響,合適的再啟動方式可恢復(fù)氣態(tài)輸送,且能夠避免相關(guān)低溫問題。

5 結(jié)論

本文基于氣態(tài)乙烷物理性質(zhì),分析了氣態(tài)乙烷管道操作壓力對管道設(shè)計與運(yùn)行的影響,探討了氣態(tài)乙烷管道停輸后的相變規(guī)律,并借助商用軟件定量分析了停輸相變與再啟動汽化問題,得出以下結(jié)論:

1)氣態(tài)乙烷管道可盡量利用氣源壓力進(jìn)行輸送,以減小管徑。

2)停輸工況下乙烷若液化，則其液化量較小,系統(tǒng)壓力、溫度維持在地溫環(huán)境下露點(diǎn)線附近。

3)再啟動過程中保持系統(tǒng)下游壓力接近停輸壓力,通過介質(zhì)換熱,可有效降低再汽化引起的低溫問題。