氣相乙烷輸送管道經(jīng)濟(jì)流速計算方法研究

趙建彬 王玉柱 張員瑞 賈文龍 李長俊

摘? ? ? 要： 乙烷是制備乙烯的重要原料，從富乙烷天然氣中提取乙烷，通過長距離管道輸送至乙烯廠并加以利用，能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我國的長距離氣相乙烷輸送管道建設(shè)處于起步階段，在設(shè)計時主要參照輸氣管道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，缺乏氣相乙烷輸送管道經(jīng)濟(jì)流速相關(guān)的規(guī)定。為此，基于最優(yōu)化原理，建立了以氣相乙烷輸送管道年折合費用最低為目標(biāo)函數(shù)，包含乙烷相態(tài)、管道穩(wěn)定性、管道強(qiáng)度和壓縮機(jī)壓比約束在內(nèi)的乙烷輸送管道經(jīng)濟(jì)流速計算模型，以費用最低為原則進(jìn)行求解。以塔里木油田擬建的氣相乙烷輸送管道為對象進(jìn)行實例分析，結(jié)果表明，該管道的經(jīng)濟(jì)流速范圍為3～7 m·s-1，為氣相乙烷輸送管道的經(jīng)濟(jì)設(shè)計、運(yùn)行和管理提供了依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：氣相乙烷;管道;經(jīng)濟(jì)流速;數(shù)學(xué)模型;計算

中圖分類號：TE 832? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1954-05

Abstract： Ethane is the most economical material for ethylene production and has great value. The ethane is extracted from natural gas and sent to the ethylene plant for use. Transportation is the most important link. At present， pipeline transportation is the most economical method for large-scale long-distance transportation of ethane. However， the design standards and specifications of ethane long-distance pipelines are mainly related to natural gas pipelines. There is no standard and norm related to ethane pipeline transportation， so it is necessary to clarify its economy flow rate for piping design. In this paper， a mathematical function of annual conversion cost of the long-distance gas phase ethane delivery pipeline was established， including phase state constraints， pipeline stability constraints， pipeline strength constraints and compressor pressure ratio constraints， and it was solved by using programming software based on the lowest cost principle. The gas phase ethane pipeline in Tarim oilfield was analyzed as an example. The results showed that the economical flow rate of the pipeline was 3～7 m/s， which could provide a basis for the economic design， operation and management of the gas phase ethane pipeline.

Key words： Gas phase ethane; Pipeline; Economic flow rate; Mathematical model; Calculation

在石油化工行業(yè)中，乙烯是一種重要原料，其衍生產(chǎn)品眾多，而乙烷是制乙烯最經(jīng)濟(jì)的材料[1-3]。在天然氣生產(chǎn)中，脫除乙烷的主要目的是使天然氣的烴露點滿足外輸要求，而非規(guī)?；靡彝椤５?，近年來在塔里木油田的開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)了迪那、牙哈等一大批高溫高壓凝析氣田，產(chǎn)出的凝析氣中乙烷體積含量高于5%，這為大規(guī)模脫除乙烷并進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用提供了良好的資源條件。對于大量乙烷的長距離陸上輸送，管道輸送是最方便和經(jīng)濟(jì)的輸送方式。

國外已建立了大量的可以媲美天然和原油輸送管道的乙烷輸送管道系統(tǒng)，主要集中在澳大利亞、北美和中東地區(qū)。例如，北美的EPP（Enterprise Products Partners）旗下的“宙斯盾”（Aegis）乙烷管道系統(tǒng)[4]、阿爾伯達(dá)省乙烷收集系統(tǒng)、澳大利亞APA公司的蒙巴-悉尼液相乙烷管道[5]、沙特阿美公司的氣相富乙烷輸送管道[6]等，這些管道長度都在數(shù)百公里以上。在已建成的長距離乙烷輸送管道中，既有液相輸送方式，也有氣相輸送方式。相比之下，我國長距離乙烷輸送管道尚處于起步階段。相比于液相輸送方式，氣相輸送方式工藝更加簡單，因此本文主要對氣相乙烷輸送管道進(jìn)行研究。

經(jīng)濟(jì)流速是在氣相乙烷管道設(shè)計和運(yùn)行過程中十分重要的基礎(chǔ)參數(shù)。目前，國內(nèi)外的氣體輸送管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要是針對天然氣建立的，尚未形成氣相乙烷輸送管道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[7-9]，對于氣相乙烷管道經(jīng)濟(jì)流速的研究鮮見于報道。雖然氣相乙烷管道在設(shè)計可參考天然氣輸送管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是乙烷的泡點、露點、黏度、密度等物性參數(shù)與天然氣、液化石油氣、原油存在較大的差異，與之相關(guān)的管道輸送能耗必然不同。特別是對于純度高達(dá)95%以上的商品乙烷，其臨界壓力、臨界溫度分別約為4.9 MPa和32 ℃，在常溫輸送下容易發(fā)生相變，引發(fā)管道積液、段塞流等流動安全問題。因此，在確定氣相乙烷輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速時，不僅需要考慮運(yùn)行能耗等經(jīng)濟(jì)因素，還需要考慮乙烷的氣液相變因素。為此，需要結(jié)合乙烷的物性參數(shù)特征及輸送工藝，明確氣相乙烷長距離輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速，為氣相乙烷輸送管道的安全、經(jīng)濟(jì)高效設(shè)計和運(yùn)行管理提供指導(dǎo)。

1? 氣相乙烷管道輸送工藝

在天然氣處理廠，乙烷一般來自于天然氣脫輕烴裝置，多處于高溫低壓力的氣相狀態(tài)。在進(jìn)入管道之前，需要對氣相乙烷進(jìn)行增壓，以滿足管輸要求。輸送過程中乙烷保持氣相輸送，通過壓縮機(jī)增壓實現(xiàn)持續(xù)輸送，管輸流程如圖1所示。乙烷的臨界壓力為4.88 MPa，臨界溫度為32.25 ℃，在輸送過程中應(yīng)控制在2～2.5 MPa左右，溫度控制在0～25℃。否則，容易造成氣相乙烷液化，進(jìn)入液相或者超臨界態(tài)，形成多相流動影響管道以及設(shè)備正常運(yùn)行。

2? 經(jīng)濟(jì)流速計算模型

氣相乙烷輸送管道建設(shè)總投資費用高，管道運(yùn)行時間長，經(jīng)營維護(hù)費用大，能否確定乙烷管道的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行流速直接關(guān)系到管線建設(shè)是否經(jīng)濟(jì)可行。確定管道的經(jīng)濟(jì)流速，需遵循的原則是管道總投資費用最低，因此需建立最優(yōu)化模型來得到經(jīng)濟(jì)流速。

結(jié)合天然氣輸送管道建設(shè)和運(yùn)行的特點，可以得到氣相乙烷長距離輸送管道的總投資費用包括建設(shè)費用及運(yùn)行費用，建設(shè)費用包括管道建設(shè)，土地費用，壓氣站建設(shè)等，運(yùn)行費用包括壓縮機(jī)組、閥室所需電費等[10]。根據(jù)以上特點，采用氣相乙烷長輸管道年折合費用作為目標(biāo)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式所示：

（1）管道建設(shè)投資S1

氣相乙烷長距離輸送管道建設(shè)的投資費用主要包括土地建設(shè)費用、管道的防腐涂層費用、管材的費用、管道的保溫層費用等構(gòu)成[11-12]。具體結(jié)構(gòu)如下式所示：

（2）壓氣站建設(shè)投資S2

氣相乙烷長距離輸送管道的壓氣站建站投資可分為兩部分，一是站場建設(shè)費用，包括辦公樓、站內(nèi)管道、消防設(shè)施等;二是壓縮機(jī)等設(shè)備投資費用[13，14]。壓氣站建站投資用公式可表達(dá)為：

根據(jù)氣相乙烷在中低壓輸送選擇電驅(qū)動離心式壓縮機(jī)，其功率按下式計算：

（3）運(yùn)行維護(hù)費用S3

管道和壓氣站建成投產(chǎn)后，每年需要投入一定的費用以維持其正常運(yùn)行，如防腐層損壞、閥門檢修等[15]。維護(hù)費用可按下式計算：

（4）能耗費用S4

站場每年的能耗費用主要是壓縮機(jī)所需的電費，其余電費如清管、計量等則通過電耗附加系數(shù)進(jìn)行計算，其計算式為：

（5）折算系數(shù)E

考慮到管道與站場的時間價值，同時與運(yùn)行維護(hù)費用和能耗費用統(tǒng)一，采用折算系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，計算式為：

3? 管道約束條件

長輸管道系統(tǒng)是一個復(fù)雜的水力熱力系統(tǒng)，在進(jìn)行工藝設(shè)計時，要滿足相應(yīng)的約束要求，以達(dá)到安全運(yùn)行的目的。對于氣相乙烷長距離輸送管線設(shè)計優(yōu)化問題，約束條件有相態(tài)約束、強(qiáng)度約束、水力約束、管徑規(guī)格和壓縮機(jī)間距等。

（1）相態(tài)約束條件

相態(tài)約束是指，氣相乙烷在輸送工程中任一點溫度所對應(yīng)的壓力要小于該溫度所對應(yīng)的露點壓力。約束條件如下式所示：

（2）強(qiáng)度約束

在管道運(yùn)行過程中，管道運(yùn)行壓力必須小于等于管道的最大允許操作壓力。管道強(qiáng)度約束具體形式如下式所示：

（3）穩(wěn)定性約束

長距離氣相乙烷輸送管道埋地時的穩(wěn)定性約束條件如下式：

式中：K — 管徑與壁厚的比例限制。

（4）壓氣站壓縮機(jī)功率性能約束

為減小優(yōu)化設(shè)計時的壓比選取，同時提高壓縮機(jī)組的工作效率，需設(shè)定壓縮機(jī)站壓比在一個區(qū)間內(nèi)，如下式所示：

總數(shù)學(xué)模型為：

模型求解步驟如圖2所示。

4? 算例分析

以塔里木油田擬建的輪南至庫爾勒氣相乙烷輸送管道為對象進(jìn)行實例分析。管道長度125 km，全線地勢平緩，總輸量2 400 t/d。出乙烷廠壓力為2.1 MPa，最低進(jìn)站壓力為1.2 MPa，起點溫度29.0℃，環(huán)境溫度夏季為20.0 ℃，冬季為3.0 ℃。輸送介質(zhì)組分如表1所示。參照國內(nèi)石油天然氣公司項目經(jīng)濟(jì)評價參數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)[7，10-14]，得出了各經(jīng)濟(jì)參數(shù)的取值，如表2所示。

通過優(yōu)化計算，得到最優(yōu)方案如下表所示。管道輸量為2 400 t·d-1，管徑規(guī)格為559 mm×6.4 mm，全線平均壓力1.7 MPa，冬季輸送下全線平均溫度6℃，乙烷密度為27.0 kg·m-3，夏季輸送下全線平均溫度為23 ℃，乙烷密度為24.4 kg·m-3，在此溫度壓力條件下得到冬季的經(jīng)濟(jì)流速為4.4 m·s-1，夏季的經(jīng)濟(jì)流速為4.8 m·s-1，因此得到經(jīng)濟(jì)流速范圍為4.4～4.8 m·s-1（表3）。

管道起點壓力為2.1 MPa，起點溫度為29 ℃，為出乙烷廠出廠的壓力溫度，不需要壓縮機(jī)或換熱器，減少工藝。冬季與夏季全線壓力溫度變化如圖3所示，滿足單相輸送的要求。

通過分析經(jīng)濟(jì)模型可以得到，管道輸量和輸送距離是影響模型的最主要的兩種因素。分別改變這兩種參數(shù)，可形成多種方案，總結(jié)得到不同工況下的經(jīng)濟(jì)流速，如圖4和圖5所示。結(jié)果表明，氣相乙烷輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速范圍為3～7 m·s-1。相比之下，常規(guī)天然氣輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速為7～15 m·s-1[13]，原油的流速為1～2 m·s-1[16]，乙烷輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速介于常規(guī)天然氣和原油輸送管道之間。這主要由于商品乙烷、密度均是介于天然氣和原油之間，在同樣輸量下所產(chǎn)生的摩阻損失必然介于天然氣和原油之間，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速也不會超出原油和天然氣管道的范圍。已建的沙特阿美NGP氣相乙烷管道[6]的經(jīng)濟(jì)流速為4.5～9.14 m·s-1左右，與本文計算結(jié)果相符。

圖4和圖5還表明，乙烷輸送管道的經(jīng)濟(jì)流速在一個范圍內(nèi)波動，這是受管道標(biāo)準(zhǔn)管徑的影響形成的。例如，在圖4中，輸送距離125 km等條件同算例一樣，只改變管道輸量。當(dāng)輸量在為5 500～

6 500 t·d-1時，管道外徑610 mm為最優(yōu)管徑，此時經(jīng)濟(jì)流速隨輸量增加而增加。當(dāng)輸量增加到6 500 t/d時，最優(yōu)管道外徑從610 mm增加至660 mm，管道流速下降，隨后又隨著數(shù)量的增加而增加。在圖5中，管道輸量2 400 t·d-1等條件同算例一樣，只改變輸送距離。當(dāng)輸送距離為210～270 km時，隨著輸送距離增加，通過增大管徑可以降低流速以減少摩阻損失，此時增大管徑的費用小于壓氣站建設(shè)、運(yùn)行費用，所以管道流速降低。然而，當(dāng)輸送距離達(dá)到280 km時，此時增大管徑的費用已大于壓氣站的建設(shè)、運(yùn)行費用，此時可以增加壓力站、減小管徑、管道流速相應(yīng)增大。

5? 結(jié) 論

（1）綜合考慮乙烷物性及氣相管道輸送工藝，基于最優(yōu)化原理，建立了以氣相乙烷輸送管道年折合費用最低為目標(biāo)函數(shù)，包含乙烷相態(tài)、管道穩(wěn)定性、管道強(qiáng)度和壓縮機(jī)壓比約束在內(nèi)的乙烷輸送管道經(jīng)濟(jì)流速計算模型。

（2）將模型用于擬建的塔里木氣相乙烷管道，該管道管長125 km，輸量2 400 t·d-1，環(huán)境溫度為3～20℃，結(jié)果表明該管道經(jīng)濟(jì)流速為4.4～4.8 m·s-1，并通過改變輸送條件得到多種方案下的經(jīng)濟(jì)流速范圍為3～7 m·s-1，與國內(nèi)外已建管道流速相符，對于我國開展對氣相乙烷管道建設(shè)具有指導(dǎo)作用。

（3）目前只是針對氣相乙烷管道輸送工藝進(jìn)行了理論的方案設(shè)計和計算，缺乏足夠的實踐論證。未來可結(jié)合我國不同地區(qū)實際的經(jīng)濟(jì)情況、不同的管道材料等，進(jìn)一步細(xì)化模型，建立更加完善的氣相乙烷輸送管道經(jīng)濟(jì)流速計算模型。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃格省，師曉玉，張彥，等.國內(nèi)外乙烷裂解制乙烯發(fā)展現(xiàn)狀及思考[J].現(xiàn)代化工，2018，38（10）：1-5.

[2] 陳曉昀.國內(nèi)乙烷裂解制乙烯項目應(yīng)關(guān)注問題探討[J].乙烯工業(yè)，2019，31（02）： 6-10.

[3] 詹宜澤，詹宇.乙烷制乙烯產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].化工管理，2018（19）：9-10.

[4] LIND G， BACHMAN S. Lessons， Issues， and Perils Experienced During the Conceptual Design and Predictive Modeling of an Ethane Pipeline[C].PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group， 2012.

[5] COLES， R.B.. ICI Australia Moomba-Sydney 1375 km ethane pipeline： pipeline to the world[J]. Australian Commodities： Forecasts and Issues， 1996， 84：34-37.

[6] RAED Z， CARLOS A. Transport of Ethane-Rich Gases Using an Extensive Gas Pipeline System[C]. Society of Petroleum Engineers， 2014， SPE-91043-MS.

[7] 劉永衛(wèi).天然氣輸送管道的優(yōu)化設(shè)計[J].化工管理，2018（09）：186.

[8] 郭春雷，謝辰，武思雨，等.國內(nèi)外長輸管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)問題探討[J].全面腐蝕控制，2018，32（04）：41-45.

[9] 杜娟，李煉，賈戰(zhàn)營，等.國外長輸管道工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性[J].石油庫與加油站，2017，26（02）：12-15+5.

[10] 張雙蕾，張繼川，陳鳳，等. CO2管道輸送技術(shù)研究[J].天然氣與石油，2014，32（06）：17-20.

[11] 黃善波，徐明海，程顯剛，等.雙層保溫管道的總體優(yōu)化設(shè)計[J].油氣儲運(yùn)，2001（04）：20-22.

[12] 王強(qiáng).長輸管道優(yōu)化設(shè)計及其影響因素分析[J].石化技術(shù)，2017，24（06）：163.

[13] 付奎.長距離輸氣管道工藝設(shè)計優(yōu)化方法研究[D].西南石油大學(xué)，2017.

[14] 畢瀠，韓鋼，劉德俊，等.液化石油氣管道優(yōu)化設(shè)計[J].當(dāng)代化工，2015，44（03）：612-614.

[15] 王國付，吳明，王書淼，等.干線輸氣管道優(yōu)化設(shè)計[J].油氣儲運(yùn)，2006（05）：23-25.

[16]王威，魯瑜，羅峰，等.長輸油管道砂沉積模擬實驗及臨界流速計算分析[J].油氣田地面工程，2016，35（11）：51-53.