長距離乙烷外輸管道輸送方案研究

王玉柱 陳 歡 張新慶 孫鳳枝 趙建彬 王軍偉

中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

乙烷是乙烯生產(chǎn)中十分重要的原料。據(jù)統(tǒng)計(jì),2016年世界范圍內(nèi)乙烷占乙烯生產(chǎn)原材料的比重已達(dá)36%,預(yù)計(jì)到2021年將上升至40%[1]。新疆某盆地有豐富的凝析氣資源,乙烷體積含量達(dá)5%～8%,具備乙烷回收價(jià)值。

大規(guī)模乙烷輸運(yùn)可采用管道輸送和大型輪船輸送[2]。某油田正籌備建設(shè)乙烷回收廠和乙烯廠,兩廠相距約125 km，乙烷回收廠乙烷生產(chǎn)規(guī)模為76×104t/a,因此某油田乙烷回收廠與乙烯廠之間乙烷輸送方式為管道輸送。乙烷物性參數(shù)與相態(tài)特征有別于一般的天然氣和原油[3],同時(shí)國內(nèi)尚未建成長距離乙烷管道(國外已建乙烷管道超過1 000 km，不同國家管道建設(shè)方式不同，其中美國以液相管道為主、澳大利亞以氣相管道為主)[4-13],因此有必要對乙烷不同相態(tài)輸送方案進(jìn)行分析研究。本文主要針對乙烷氣相、液相、超臨界三種管道輸送方式進(jìn)行OLGA模擬研究[14]。

1 乙烷物性參數(shù)

乙烷是一種常溫、常壓下無色無味的氣相烷烴,熔點(diǎn)-183.23 ℃(三相點(diǎn)),沸點(diǎn)-88.6 ℃,閃點(diǎn)-64.84 ℃,燃點(diǎn)514.84 ℃,臨界溫度32.24 ℃,臨界壓力4.88 MPa,液相相對密度約0.45,氣相相對密度約1.04,泄漏時(shí)極易發(fā)生汽化以及在地勢低洼處沉積,濃度高于6%時(shí)會(huì)使人產(chǎn)生眩暈、中毒等反應(yīng),爆炸體積分?jǐn)?shù)范圍3.0%～12.5%。此外,液態(tài)乙烷蒸發(fā)潛熱較大,揮發(fā)時(shí)大量吸熱,易造成接觸人群凍傷。乙烷的三相變化趨勢見圖1。

圖1 乙烷的三相變化示意圖

據(jù)美國能源信息署(EIA)的定義可知，高純度乙烷一般是指應(yīng)用于市售產(chǎn)品具有95%或更純的乙烷。在某油田乙烷回收廠工程中,產(chǎn)品乙烷的摩爾組成見表1。

表1 乙烷產(chǎn)品組成表

組分摩爾組成/(%)CH41.432 1C2 H697.010 6C3 H81.547 0CO20.010 0

2 乙烷管道輸送方案

2.1 氣相乙烷輸送方案

氣相乙烷通過DN 600碳鋼管道從乙烷回收廠輸送至下游乙烯廠,管道長度約125 km,末站交接壓力大于1.2 MPa,管道設(shè)計(jì)過程中控制末點(diǎn)壓力不低于1.3 MPa[15]。

氣相乙烷管道正常輸送工況條件下,冬季、夏季在乙烷輸送一段距離后,溫度分別達(dá)到地溫0、20 ℃,見圖2～3中紅色曲線;冬季、夏季起點(diǎn)壓力分別為1.68、1.72 MPa,見圖2～3中藍(lán)色曲線。兩者壓力差值主要由氣體的溫度變化導(dǎo)致,相差不大。

圖2 氣相乙烷冬季運(yùn)行壓力溫度圖

圖3 氣相乙烷夏季運(yùn)行壓力溫度圖

在正常輸送工況下,不同季節(jié)時(shí)氣相乙烷輸送流速均為3.3～5 m/s,冬季最高流速4.5 m/s,夏季最高流速5 m/s,流速在合理范圍內(nèi)。氣相乙烷運(yùn)行流速見圖4。

圖4 氣相乙烷管道流速圖

隨著管道輸量增加或者由于管道末端閥門誤操作造成憋壓,管道末端壓力增加,當(dāng)管道末端壓力升高至2.1 MPa時(shí),乙烷在30 km位置處開始發(fā)生液化現(xiàn)象,乙烷在30 km后的管道中發(fā)生連續(xù)的液化、汽化現(xiàn)象,見圖5。這主要是由于壓力升高,乙烷產(chǎn)品出現(xiàn)液化,部分液相乙烷在管輸過程中,又在地溫作用下逐漸發(fā)生汽化,從而導(dǎo)致管道中部分管段溫度超過100 ℃,部分管段溫度低于-100 ℃,見圖6。這種工況嚴(yán)重影響乙烷輸送,同時(shí)對管道產(chǎn)生頻繁的高低溫交變,超出了管道的溫度適用范圍,存在管道破裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 氣相乙烷管道不同壓力條件下液相流量圖

圖6 氣相乙烷管道不同壓力條件下溫度變化圖

2.2 液相乙烷輸送方案

液相乙烷管道路由長度同氣相乙烷管道一致,但液相乙烷管道設(shè)計(jì)規(guī)格為DN 300,液相乙烷管道輸送過程中需要保障全程無氣相析出,因此控制管道末點(diǎn)壓力為4.5 MPa(高于18 ℃條件下乙烷泡點(diǎn)壓力3.63 MPa)。夏季地溫高,更易發(fā)生液相乙烷的氣化,因此僅計(jì)算夏季極端地溫工況條件下管道運(yùn)行參數(shù)。

液相乙烷管道起點(diǎn)壓力5.45 MPa,沿程溫降1.2 ℃,起點(diǎn)溫度20 ℃,終點(diǎn)溫度達(dá)18.8 ℃,見圖7。液相乙烷管道保持全液相輸送,持液率為1,流速范圍1.08～1.13 m/s,屬于合理范圍[16],見圖8。

液相乙烷在正常管輸工況下,一旦由于管道末點(diǎn)背壓降低,管道沿線壓力均降低,當(dāng)管道末端壓力降低至3.5 MPa時(shí),管道中液相乙烷出現(xiàn)汽化,見圖9。這將導(dǎo)致管道內(nèi)介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度大幅降低,易造成人員凍傷、管道焊縫收縮、閥門等設(shè)備凍壞,帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

圖7 液相乙烷管道溫度壓力圖

圖8 液相乙烷管道流速流型圖

圖9 不同壓力下液相乙烷管道溫度圖

同時(shí)液態(tài)乙烷在管道內(nèi)汽化后,在管道內(nèi)形成氣液兩相流動(dòng),造成能耗增大,輸送效率降低，見圖10。

圖10 液相乙烷管道持液率圖

液相乙烷正常管輸過程中,由于管道材質(zhì)原因或者外界破壞原因,可能發(fā)生管道泄漏。假定管道中間位置發(fā)生泄漏,造成管道泄漏位置兩側(cè)管道產(chǎn)生低溫效應(yīng)(-55 ℃),見圖11。同時(shí)泄漏位置處氣液相速度達(dá)60.7 m/s,帶來嚴(yán)重的安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)隱患[17]，見圖12。

圖11 液相乙烷管道泄漏點(diǎn)溫度壓力圖

圖12 液相乙烷管道泄漏點(diǎn)氣液相流速圖

2.3 乙烷超臨界輸送方案

超臨界輸送是指乙烷在管線輸送過程中,乙烷介質(zhì)壓力、溫度均高于臨界點(diǎn)(壓力4.88 MPa,溫度32.24 ℃),超臨界輸送管線管徑為DN 300,增設(shè)保溫層,管道末段壓力控制6 MPa,終點(diǎn)溫度控制在35 ℃以上[18]。

乙烷超臨界輸送時(shí)管道起點(diǎn)壓力7.4 MPa,起點(diǎn)溫度60 ℃,見圖13；流速為1.62～1.72 m/s,流型為層流,見圖14。

乙烷超臨界輸送需要保持管道全線在高壓高溫度下運(yùn)行,冬季地溫較低時(shí)會(huì)對管道的正常運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。一旦管道終點(diǎn)壓力降低或者起點(diǎn)溫度降低,均會(huì)破壞超臨界輸送狀態(tài),造成一系列問題。

2.3.1 終點(diǎn)壓力降低

當(dāng)超臨界乙烷管道終點(diǎn)壓力降低時(shí),管道中有液體乙烷析出,管道持液量增大,終點(diǎn)溫度降低,管道輸送摩阻增大;當(dāng)管道末端壓力降低至4.5 MPa時(shí),管道末端溫度降低至30 ℃,低于乙烷臨界溫度,見圖15;持液率超過0.3,使得乙烷輸送遠(yuǎn)離超臨界狀態(tài),見圖16。

圖13 超臨界乙烷管道輸送壓力溫度圖

圖14 超臨界乙烷管道流速流型圖

圖15 超臨界乙烷管道不同壓力下溫度圖

圖16 超臨界乙烷管道持液率圖

2.3.2 起點(diǎn)溫度降低

當(dāng)超臨界乙烷管道起點(diǎn)溫度降低時(shí),同樣管道中有液體乙烷析出,管道持液量增大,終點(diǎn)溫度降低至臨界溫度,管道輸送摩阻增大,見圖17;當(dāng)管道起點(diǎn)溫度降低至50 ℃時(shí),管道末端持液率超過0.05,使得乙烷輸送遠(yuǎn)離超臨界狀態(tài),見圖18。

圖17 不同溫度下超臨界乙烷管道溫度圖

圖18 超臨界乙烷管道持液率圖

超臨界乙烷正常管輸過程中,一旦由于管道材質(zhì)原因或者外界破壞原因,可能發(fā)生管道泄漏。假定管道中間位置發(fā)生泄漏,會(huì)造成低溫效應(yīng)(-60 ℃),見圖19；同時(shí)泄漏位置處氣液相速度達(dá)到70、43 m/s,將帶來嚴(yán)重的安全、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)隱患，見圖20。

圖19 超臨界乙烷管道泄漏點(diǎn)溫度壓力圖

圖20 超臨界乙烷管道泄漏點(diǎn)氣液相流速圖

3 結(jié)論

1)乙烷管道氣相輸送相對風(fēng)險(xiǎn)最低,管道沿程壓力不可高于2.1 MPa,防止液相的析出。

2)乙烷管道液相輸送需高壓(>4.5 MPa),同時(shí)管道增設(shè)保溫層,保證在夏季地溫條件下無氣相產(chǎn)生。

3)乙烷管道超臨界輸送需更高壓力(>6 MPa),同時(shí)管道增設(shè)保溫層,保證沿程溫度控制在32 ℃以上,管道沿程無氣液相析出。

4)綜合考慮管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，并借鑒國外已建長距離乙烷管道的運(yùn)行方式,建議采用氣相輸送方案。