中亞天然氣管道部分管段放空方法與應(yīng)用

劉 杰，劉 濤，劉志廣

中石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007

中亞天然氣管道部分管段放空方法與應(yīng)用

劉 杰，劉 濤，劉志廣

中石油中亞天然氣管道有限公司，北京 100007

中亞天然氣管道是中國第一條引進(jìn)境外天然氣的管道，在其建設(shè)和運(yùn)營過程中，需要對部分管段內(nèi)的高壓天然氣進(jìn)行放空。文章針對烏茲別克斯坦臨時(shí)段管道，探討了其部分管段內(nèi)的天然氣放空方法，對天然氣放空量和放空時(shí)間進(jìn)行了理論計(jì)算?，F(xiàn)場采用了水平放置火炬的點(diǎn)火方式，通過放空流程操作與控制，成功地實(shí)現(xiàn)了該臨時(shí)段管道內(nèi)高壓天然氣安全可靠、平穩(wěn)快速放空。

高壓天然氣；放空方法；安全可靠；放空時(shí)間；放空量

0 引言

中亞天然氣管道是中國第一條引進(jìn)境外天然氣的管道，起點(diǎn)位于土庫曼斯坦，途經(jīng)烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦，最后到達(dá)中國的霍爾里斯。中亞天然氣管道與同期建設(shè)的西氣東輸二線相連接后，總長約 1 萬 km，為世界上距離最長、等級最高的油氣輸送管道。

在長輸天然氣管道建設(shè)過程中，需要對氣體進(jìn)行置換，在運(yùn)行過程中，需要對天然氣進(jìn)行緊急泄放，這些都需要進(jìn)行天然氣放空操作。中亞天然氣管道途經(jīng)四國，其地質(zhì)、地形復(fù)雜，輸送距離長，輸送壓力高，輸送流量大，加之天然氣具有易燃、易爆、高壓、有毒等特點(diǎn)，因此對管道內(nèi)高壓天然氣進(jìn)行安全可靠、平穩(wěn)快速放空提出了更高要求。如何實(shí)現(xiàn)這一安全平穩(wěn)的放空目標(biāo)，防止事故的發(fā)生，值得我們深入探討。

1 工程概況

中亞天然氣管道烏茲別克斯坦段（以下簡稱中烏管道）起始于土烏邊境，終止于烏哈邊境，雙線（A 線和 B 線）伴行，原單線線路長度約 490 km，改線后為 529 km。全線設(shè) 36 座線路截?cái)嚅y室，3 座壓氣站，5 座清管站，1 座計(jì)量站以及1 座調(diào)控中心。兩條并行管道有 26 條跨接管道連接，設(shè)計(jì)輸量 300 億 m3/a。

中烏管道臨時(shí)段管道管徑為 1 067 mm，水平長度為75.65 km，管頂埋深 1.0 m，含有 4 座線路截?cái)嚅y室，分別為 No.6.2、No.7.1、No.7t.1 和 No.8.2 閥室，天然氣輸送壓力為 8.0 MPa。管道工藝流程如圖1所示。

圖1 中烏管道臨時(shí)段管道工藝流程示意

2 放空時(shí)間和放空量計(jì)算

根據(jù)要求，需要將中烏管道臨時(shí)段管道內(nèi)的天然氣全部放空。已知管道規(guī)格為D 1 067 mm × 15.9 mm，管道長 L = 75.65 km，管內(nèi)平均壓力 P1= 7.0 MPa（絕壓），溫度 T1= 20 ℃，放空管為 D 318 mm × 9 mm，通過節(jié)流截止閥進(jìn)行放空，壓力降為 P2= 0.1 MPa 時(shí)，計(jì)算需要放空的時(shí)間及放空量。設(shè)管道溫度始終保持 T = 20 ℃ 不變。

2.1 放空時(shí)間計(jì)算

根據(jù)質(zhì)量守恒列出微分方程[1]：

式中

V——放空管段容量/m3；

ρ——質(zhì)量流量密度/（kg/（m3?s））；

G——質(zhì)量流量/（kg/s）；

t——放空時(shí)間 /s。

式中P——管道絕對壓力/MPa；

M——放空氣體的相對分子質(zhì)量；

R——848 kg?m/（kg?K）；

T——管道溫度/K。

由于長輸天然氣管道壓力都較高，因此可以認(rèn)為放空的全過程為臨界狀態(tài)[2-3]。同時(shí)，考慮到放空火炬管段極短，可以忽略放空火炬管段的摩阻，此時(shí)，氣體在臨界狀態(tài)下流量為：

式中μ——閥門開啟度；

K——絕熱指數(shù)，天然氣：K=1.3，空氣：K=1.4；

F——放空閥全開時(shí)截面積/m2；

g—— 重力加速度，取 9.8 N/kg；

Z——天然氣壓縮因子。

根據(jù)式（1）、（2）、（3）微分化解得：

對式（5）兩邊同時(shí)積分得出放空時(shí)間的公式：

式中P1、P2——分別為放空前、后管道絕對壓力/MPa；

2.2 放空量計(jì)算

由氣體狀態(tài)方程可知，放空前后的氣態(tài)平衡方程為：

式中Z2——放空后的天然氣壓縮因子；

T2——放空后的管道溫度/K。

（1） 若放空后的天然氣狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，即P2=P0時(shí)，P0、V0、Z0、T0均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（即 20 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下的參數(shù)。

式中P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣壓力/MPa；

V01——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放空前的管段容量/m3；

Z1——放空前的天然氣壓縮因子；

Z0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放空前的天然氣壓縮因子；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下管道溫度/K。

（2）若放空管內(nèi)天然氣壓力降為P3時(shí)，即P2=P3時(shí)，

式中Z3——壓力降為P3時(shí)的天然氣壓縮因子；

V02——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放空后的管段容量/m3。

利用上述公式計(jì)算可得：此項(xiàng)目放空過程主要包括三個(gè)階段，首先，當(dāng)閥門開啟度從 0 到 1/4，管內(nèi)天然氣放空至 3.0 MPa 時(shí)所需放空時(shí)間為t1= 31 h，放空量為V'1= 210 萬 m3；然后閥門開啟度從 1/4 到 1/2，管內(nèi)天然氣放空至 1.5 MPa 時(shí)所需放空時(shí)間為t2= 11 h，放空量為V'2=110 萬m3；最后從 1.5 MPa 放空至 0.1 MPa 時(shí)所需放空時(shí)間為t3=3.45 h，放空量為V'3= 120 萬 m3。整個(gè)放空過程管內(nèi)天然氣表壓從 6 MPa 降至與大氣壓力相等時(shí)所需放空時(shí)間為t0= 45.45 h，放空量為V0= 440 萬 m3。

參考西氣東輸管道類似放空經(jīng)驗(yàn)[4-5]，在整個(gè)放空過程中，應(yīng)根據(jù)壓力表讀數(shù)變化，密切監(jiān)測放空壓力，從而有效控制放空天然氣的流速和放空量，減小振動、噪音和熱輻射范圍。

3 放空方法

對于豎直火炬點(diǎn)火方式，西氣東輸管道曾有過類似的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)[6]?？偨Y(jié)該經(jīng)驗(yàn)，對本案放空管高度、流速控制及輻射范圍等進(jìn)行了計(jì)算[7-8]。取馬赫數(shù)為 0.5，風(fēng)速為6 m/s。當(dāng)采用出口直徑為 300 mm 的火炬筒時(shí)，計(jì)算得放空時(shí)間為 67 h，火焰釋放總熱量為 395.761 MJ，火焰長度為 34 m，火炬筒出口流速為 214 m/s，此時(shí)從火炬筒中心到受熱點(diǎn)距離與火炬高度關(guān)系見表1。

表1 火炬筒中心到受熱點(diǎn)距離與火炬高度關(guān)系

對于水平火炬點(diǎn)火方式，國內(nèi)外可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)極少[9-10]。由于烏茲別克斯坦當(dāng)?shù)?月份多為西北風(fēng)，在放空閥室東側(cè) 150 m 處有一小山坡，利用它與正在運(yùn)營的臨時(shí)段管道隔離。放空作業(yè)前，在 No.7.1 閥室放空立管處進(jìn)行工程動火，在其一側(cè)加裝一條長 185 m、直徑 300 mm的臨時(shí)放空點(diǎn)火管道，采用埋溝敷設(shè)方式進(jìn)行施工，管頂埋深 0.5 m，管口延伸至小山坡下。在管口處挖掘一個(gè)長 20 m、寬 10 m、深 2 m 的點(diǎn)火坑，并在周圍設(shè)立隔離墻和隔離警戒區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)火坑與周圍隔開，如圖2所示。在實(shí)際放空過程中，將天然氣出口流速控制在100 m/s，最高不超過 200 m/s，即把放空量控制在 10 萬 m3/h，最高不超過 20 萬 m3/h，總放空時(shí)間控制在 25 ～ 50 h。

圖2 水平火炬點(diǎn)火放空方式示意

由于此次放空的天然氣壓力較高，控制放空流速及放空量較為困難，若采用豎直火炬點(diǎn)火的放空方法，則垂直火焰長度過長，又由于當(dāng)?shù)貧夂蚝惋L(fēng)向變化異常，因此火焰方向不易控制，給操作與觀察帶來了不便，增加了安全隱患。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用水平火炬點(diǎn)火方式便于控制天然氣放空量和放空速度，能夠降低風(fēng)向變化對放空火焰的不利影響，有利于保證放空過程安全。因此從平穩(wěn)、安全角度出發(fā)，此次放空采用水平火炬點(diǎn)火放空方式。

4 放空的實(shí)施

在 A 線繞行段達(dá)到投產(chǎn)條件后，通過 No.6.1 閥室將正在運(yùn)營的臨時(shí)管道內(nèi)天然氣切換至 A 線繞行段管道中。在 A 線繞行段天然氣升壓到與臨時(shí)線天然氣壓力一致后，關(guān)閉臨時(shí)線兩端 No.6.2 和 No.8.2 閥室的干線截?cái)嚅y、跨接線及旁通線的所有閥門，對臨時(shí)段管道完成隔離。在No.6.2 和 No.8.2 閥室閥門關(guān)閉后，通過臨時(shí)線 No.7.1閥室對天然氣進(jìn)行放空。

在放空開始時(shí)，放空閥開度較小，現(xiàn)場根據(jù)水平火焰噴射長度和放空管振動情況，通過壓力表監(jiān)測數(shù)據(jù)，分階段逐漸增加放空閥開度?？紤]到若壓降過快會導(dǎo)致溫度急劇降低，使閥門材料及焊縫產(chǎn)生脆性裂變，因此在操作過程中保證在壓力未降到 3.0 MPa 前，放空閥開度不超過 1/4。這樣做有效防止了冰堵情況發(fā)生，對閥門材料及焊縫起到了保護(hù)作用[11]，減小了放空管道振動，保證了放空壓力、放空速度、放空量及時(shí)可控。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測和記錄，閥門開啟度從 0 調(diào)到 1/4經(jīng)歷了 30.5 h，壓力降到了 3.0 MPa，與理論計(jì)算放空至3.0 MPa 時(shí)所用放空時(shí)間一致，此時(shí)放空量為 210 萬 m3。當(dāng)壓力降到 3.0 MPa后，閥門開啟度逐漸加大，從 1/4 至1/2，當(dāng)壓力降到 1.5 MPa 時(shí)，閥門全部開啟，直至壓力降為 0 MPa。整個(gè)放空過程保證了壓力降的平穩(wěn)安全，保持了水平放空火焰的長度、熱輻射范圍基本不變，處于可控范圍內(nèi)。放空氣體壓力從 3 MPa 降到 1.5 MPa 所用時(shí)間為 11.5 h，從 1.5 MPa 降到 0 MPa 所用時(shí)間為3.5 h。全程放空時(shí)間共計(jì) 45.5 h，與理論計(jì)算放空時(shí)間一致，放空量為 440 萬 m3。

5 結(jié)束語

本文對中烏管道臨時(shí)段高壓天然氣放空方法進(jìn)行了比較，對天然氣放空量、放空時(shí)間進(jìn)行了理論計(jì)算，選擇了水平火炬點(diǎn)火放空方式，通過實(shí)際操作控制，使該放空方式得到了有效驗(yàn)證和成功實(shí)施。在整個(gè)放空過程中，現(xiàn)場根據(jù)水平火焰噴射長度和放空管振動情況，通過壓力表監(jiān)測數(shù)據(jù)，分階段逐漸增加放空閥開啟度，有效防止了冰堵情況發(fā)生，減小了放空管道的振動，保證了放空壓力、放空速度、放空量的及時(shí)可控。從安全和環(huán)保的角度出發(fā)，將放空點(diǎn)選擇在植被較少、有地勢優(yōu)勢且無人居住的閥室處進(jìn)行天然氣放空，采用水平放置火炬方式可使其產(chǎn)生的燃燒物基本沉淀于放空火炕底部，與豎直放空產(chǎn)生的燃燒物隨風(fēng)飄散相比，減少了環(huán)境污染，大幅降低了噪音和熱輻射范圍，達(dá)到了預(yù)期目的。

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Gas Discharging Method and Its Application for Partial Sections of Trans-Asia Gas Pipeline

Liu Jie,Liu Tao，Liu Zhiguang
Trans-Asia Gas Pipeline Company,Ltd.of CNPC,Beijing 100007,China

Trans-Asia Gas Pipeline is the first pipeline importing foreign natural gas to China.During its construction and production,high pressure gas discharging operations are needed for partial pipeline sections.This paper discusses the gas discharging method of temporary pipeline section of Uzbekistan Pipeline that is a part of Trans-Asia Gas Pipeline;conducts the theoretical calculations of gas discharging volume and time.The ignition way of horizontal flare on-site is adopted.Through the operation and control of gas discharging process flow,the high pressure natural gas in the temporary pipeline is discharged safely,quickly and steadily.

high pressure natural gas;discharging method;safe and reliable;discharging time;horizontal flare

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.007

劉 杰（1980－），男，北京人，工程師，2008年碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）熱能工程專業(yè)，現(xiàn)從事天然氣管道建設(shè)與運(yùn)行管理工作。

2013-06-04