集輸站場放空管道低溫工況探討

陳俊文 余 洋 邊云燕 祝 疆 杜薈敏

1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

安全與環(huán)保

集輸站場放空管道低溫工況探討

陳俊文1余 洋1邊云燕1祝 疆1杜薈敏2

1.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處

油氣集輸站場放空系統(tǒng)是站內(nèi)設(shè)施的重要安全保障。在事故情況下，站內(nèi)高壓氣體必須快速泄放。放空管道材質(zhì)主要參考放空過程中管道的溫度進(jìn)行確定。為保證選材合理性與經(jīng)濟(jì)性，有必要深入探討放空工況下介質(zhì)和管壁低溫工況。基于超壓放空和緊急放空過程，結(jié)合工程熱力學(xué)基本規(guī)律，分析了放空過程管道溫度的影響因素，借助商用軟件OLGA探討并模擬了某集氣站放空管道的溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明，超壓放空后管道溫度與介質(zhì)溫度較為接近，但緊急放空后管道溫度與介質(zhì)溫度存在明顯差異；緊急放空工況中，管道積存氣體、管道熱容等對管道低溫具有一定抑制作用；動態(tài)模擬為放空管道合理選材與降低成本提供了技術(shù)支持。研究成果為集輸站場放空管道精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考與借鑒。

集輸站場 壓力泄放 放空管道 低溫

隨著油氣地面工程技術(shù)日益發(fā)展，在系統(tǒng)安全性不斷鞏固的同時，對設(shè)備、管道經(jīng)濟(jì)性的要求逐步提高。通常采用超壓放空和緊急放空對油氣站場的設(shè)備和管道進(jìn)行保護(hù)[1-5]。在集氣站和處理廠中，按熱輻射距離和防火間距的要求，放空火炬距離主工藝設(shè)備相對較遠(yuǎn)。因此,合理的放空管道選材可在一定程度上節(jié)約工程投資，而泄放過程中放空管道的低溫工況則是管道材質(zhì)選擇的主要參考。泄放介質(zhì)經(jīng)過泄壓元件(安全閥或限流孔板)大幅降壓后，可能出現(xiàn)較低的溫度，并通過與管道傳熱，影響管道溫度。目前，對放空系統(tǒng)的研究已取得了較大的進(jìn)展[6-9]，在放空管道選材問題上也有所突破，但有關(guān)放空后低溫介質(zhì)對管道溫度的影響探討還鮮有報道,尤其對于持續(xù)時間較短的緊急放空過程，更值得深入探討管道的極端低溫問題，以合理評估管道實(shí)際溫度。因此，本文將深入研究典型泄放工況下的管道溫度變化規(guī)律，以期為放空管道選材提供一定參考。

本研究將基于放空系統(tǒng)不同特點(diǎn)，結(jié)合工程熱力學(xué)基本規(guī)律，分析放空過程中影響放空管道溫度的因素，并結(jié)合商用軟件建立放空管道溫度計(jì)算模型，模擬并探討某集氣站放空管道的極端低溫。

1 泄放系統(tǒng)概述與特點(diǎn)

油氣地面工程中為防止管道和設(shè)備超壓，以及在緊急工況下能夠快速降低系統(tǒng)壓力的要求，在站場內(nèi)(單井站、集氣站)設(shè)置了超壓和緊急兩類放空系統(tǒng)。

超壓放空系統(tǒng)常采用安全閥作為泄放元件，當(dāng)管道壓力超過安全閥定壓后，超壓介質(zhì)通過安全閥泄壓后進(jìn)入放空管道。在切斷氣源之前，一般認(rèn)為超壓介質(zhì)以持續(xù)的速率進(jìn)行排放，其速率為氣源產(chǎn)量，且泄放時介質(zhì)壓力穩(wěn)定(實(shí)際情況下，由于安全閥選型的影響，上游壓力可能發(fā)生周期性波動)。

緊急放空系統(tǒng)常采用限流孔板對站場管道和設(shè)備中的高壓介質(zhì)進(jìn)行降壓排放，當(dāng)啟動緊急放空閥以后，密閉容器、管道中的高壓氣體在額定時間內(nèi)被排放入放空管道，其最大泄放量為閥門剛開啟時孔板前后壓差最大時刻的流量，且泄放量和孔板前壓力隨泄放時間延長而降低。

安全閥和限流孔板泄放均可視為絕熱節(jié)流過程。根據(jù)焦耳-湯姆遜定律，在常規(guī)集輸系統(tǒng)的泄放條件下，節(jié)流前后壓差越大，則介質(zhì)的溫度降也越高[10]。對比超壓放空和緊急放空時泄壓元件上游壓力和泄放量特點(diǎn)可知，超壓放空的介質(zhì)在節(jié)流后將具有較為穩(wěn)定的低溫參數(shù)；緊急放空的介質(zhì)因?yàn)樯嫌螇毫Τ掷m(xù)降低，造成節(jié)流的溫差減小，而上游溫度一般變化不大，因此，在節(jié)流后一般呈現(xiàn)介質(zhì)溫度由低逐漸升高的趨勢。

以下進(jìn)一步結(jié)合管道傳熱規(guī)律，探討泄放系統(tǒng)的放空管道低溫問題。

2 放空管道傳熱規(guī)律

在泄放過程中，流動介質(zhì)、管道和外界環(huán)境構(gòu)成熱力場。由于放空介質(zhì)與外界環(huán)境存在溫度差，因此在放空過程中，放空介質(zhì)將與放空管道、管道外環(huán)境進(jìn)行熱力交換。傳熱過程主要包括以下3種類型[11]：

(1) 放空介質(zhì)與管道內(nèi)壁形成熱對流，其傳熱能力用內(nèi)部放熱系數(shù)表示。

(2) 管道徑向方向?qū)?，其傳熱能力用傳熱系?shù)表示。

(3) 管道外壁與環(huán)境的換熱，其傳熱能力用外部放熱系數(shù)表示。

在上述過程中，從定性分析來看，由于天然氣在管道內(nèi)的流態(tài)幾乎處于紊態(tài)[12]，氣體至管道內(nèi)部的內(nèi)部放熱系數(shù)很大，故在工程中可忽略內(nèi)部放熱系數(shù)對總傳熱系數(shù)的影響[13]；鋼管的傳熱系數(shù)也相對較大，其對總傳熱系數(shù)的影響也可忽略；而外部放熱系數(shù)主要考慮管道外壁與外界環(huán)境的熱對流和熱輻射，相對較小，是影響放空管道總傳熱系數(shù)的主要因素。

由此可知，在放空介質(zhì)-外部環(huán)境構(gòu)成的溫度場中，溫差主要體現(xiàn)在管道外壁溫度與環(huán)境溫度的差值上；放空介質(zhì)與管道內(nèi)壁的溫差很小。這也說明,在相對穩(wěn)定傳熱的超壓放空工況中，管道內(nèi)壁溫度可近似視為介質(zhì)溫度。

對于緊急放空工況，其操作時間相對較短，放空介質(zhì)溫度、流量等參數(shù)不斷變化。同時，在放空初始階段，放空介質(zhì)與放空管道內(nèi)積存氣體混合后的溫度對管道內(nèi)壁影響不可忽視，該過程示意簡圖如圖1所示。

由圖1可見，緊急放空下的介質(zhì)進(jìn)入放空管道后，迅速與管道中積存氣體換熱，這些積存氣體在放空管道中長時間停留，其溫度接近環(huán)境溫度。一般情況下，放空初始階段的泄壓介質(zhì)溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，因此混合氣體(泄放介質(zhì)和積存氣體)溫度將高于泄壓介質(zhì)。同時，隨著緊急放空的進(jìn)行，上游介質(zhì)壓力逐漸降低，造成泄壓壓差減小，泄放介質(zhì)的溫度可能繼續(xù)上升，因此，在持續(xù)時間較短的緊急放空過程中，管道內(nèi)實(shí)際介質(zhì)的最低溫度可能不同于泄壓介質(zhì)的最低溫度。另外，在放空介質(zhì)溫度短時間變化過程中，鋼材熱容對傳熱和管道溫度也具有一定影響，故不能通過穩(wěn)定的放空介質(zhì)-外部環(huán)境溫度場來定性分析泄放介質(zhì)最低溫度對管道最低溫度的影響，需借助較為先進(jìn)的計(jì)算軟件對管道低溫情況進(jìn)行模擬。

3 放空管道溫度模擬

鑒于前述的緊急放空快速操作、介質(zhì)溫度變化等特點(diǎn)，借助具有動態(tài)模擬功能的OLGA軟件對某集氣站放空管道內(nèi)壁溫度變化進(jìn)行動態(tài)分析。OLGA是一款油氣集輸工程中常用的管道介質(zhì)模擬軟件，適用于集輸管道的水力、熱力計(jì)算[14]。

3.1 案例概述

某集氣站設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，操作溫度為30 ℃，具備接收集氣支線來氣、測試分離并外輸?shù)墓δ埽瑴y試分離器尺寸為DN 1 200×5 000。站場內(nèi)部設(shè)計(jì)了緊急放空系統(tǒng)，用于緊急工況下泄放站內(nèi)設(shè)施內(nèi)的積存氣體，在15 min內(nèi)將站內(nèi)壓力降至0.69 MPa。放空管道管徑為DN150，露空敷設(shè)，長度約為150 m。場地所在區(qū)域冬季極端氣溫為3 ℃。站內(nèi)截?cái)嘞到y(tǒng)容積約為7 m3。集氣站放空系統(tǒng)主要流程如圖2所示。

圖2中綠色部分為泄放后介質(zhì)流通的放空管道。當(dāng)緊急放空時，切斷SDV-1和SDV-2，打開BDV，站內(nèi)高壓介質(zhì)經(jīng)限流孔板泄壓后進(jìn)入放空管道，并由火炬焚燒。

通過前期模擬，泄放元件(限流孔板)出口處介質(zhì)流量、溫度隨泄放時間的變化曲線如圖3、圖4所示，截?cái)嘞到y(tǒng)壓力變化曲線如圖5所示。

在15 min的泄放時間內(nèi)，站場設(shè)施內(nèi)介質(zhì)的最高泄放速率為4 500 kg/h，最低泄放溫度為-29 ℃(限流孔板后)。由于上游壓力不斷降低，節(jié)流壓差逐步減小，導(dǎo)致泄放溫度隨泄放時間增大而有所升高，最后基本與限流孔板上游介質(zhì)溫度一致。

3.2 放空管道模擬與分析

3.2.1 溫度

以15 min內(nèi)放空介質(zhì)的流量和溫度為輸入條件，利用OLGA軟件模擬放空管道起點(diǎn)處(考慮為最極端低溫位置)的溫度-時間變化情況,模擬結(jié)果見圖6。

由圖6可見，在開始緊急放空以前(第60 min以前)，放空管道內(nèi)氣體為靜置狀態(tài)，經(jīng)過與外界充分換熱，氣體溫度、管道內(nèi)壁溫度、管道外壁溫度和環(huán)境溫度幾乎相等；開始泄放時(第60 min)，大量低溫氣體進(jìn)入放空管道，與管道內(nèi)氣體混合并換熱，因此管道內(nèi)實(shí)際氣體溫度有所下降(約-2 ℃)；隨著泄放進(jìn)行，后進(jìn)入管道的低溫泄放氣體繼續(xù)與放空管道內(nèi)的氣體換熱，直至達(dá)到最低溫度(-4.5 ℃)；隨后，由于上游壓力降低，泄放后氣體溫度逐漸升高，放空管道內(nèi)介質(zhì)溫度持續(xù)增長；放空結(jié)束后，管道內(nèi)介質(zhì)溫度逐漸趨于環(huán)境溫度。

同時，對于管壁溫度而言，由于緊急放空持續(xù)時間較短，而低溫介質(zhì)經(jīng)過管道內(nèi)積存氣體換熱后，再與管壁換熱，不僅需要足夠長的時間建立穩(wěn)定的溫差場，而且管道熱容也影響了管道溫度的變化速度。因此，在短時間的緊急放空中，雖然管壁溫度的變化趨勢基本與放空介質(zhì)一致，但變化幅度遠(yuǎn)低于放空介質(zhì)，管道溫度與介質(zhì)溫度不能視為一致或視為接近一致。由此可見，若通過泄放介質(zhì)最低溫度判斷管道溫度，則可能帶來較大誤差(約25 ℃)，影響管道材料選擇的經(jīng)濟(jì)性。

為進(jìn)一步對比說明該問題，以緊急放空中最大泄放量持續(xù)泄放來模擬超壓放空的工況，放空管道入口的溫度模擬結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，在超壓等量泄放開始階段(60～100 min)，管內(nèi)介質(zhì)溫度、管道溫度持續(xù)降低，約40 min達(dá)到平衡，這也說明管內(nèi)積存氣體對管道介質(zhì)的溫度下降產(chǎn)生了一定的抑制作用。同時，在該段時間內(nèi)，也可看到管道溫度的降低速度低于介質(zhì)溫度，說明管材熱容具有減緩管道溫度下降的作用。另外，穩(wěn)定流動后，介質(zhì)溫度約-27 ℃，管道內(nèi)壁溫度約-25 ℃，管道外壁溫度約-24.8 ℃，說明露空管道的主要溫度降發(fā)生在管道外壁與大氣的熱輻射和對流換熱過程中，這也進(jìn)一步說明了將全量、連續(xù)放空管道長度管道內(nèi)壁溫度近似等同于介質(zhì)溫度的定性分析是合理的(見第2節(jié))。

從本節(jié)模擬來看，緊急放空系統(tǒng)由于放空速率快、介質(zhì)物性變化較大，在放空初始階段,雖然介質(zhì)溫度較低，但與管道內(nèi)積存氣體換熱后，混合介質(zhì)溫度明顯升高。因此,實(shí)際接觸管道的介質(zhì)溫度比泄放介質(zhì)高；同時，在短時間低溫后，放空介質(zhì)溫度隨放空時間逐漸上升，進(jìn)一步減小了管道承受低溫的可能；另外，在放空前,管道已經(jīng)與周圍環(huán)境充分換熱，鋼管的熱容延長了管道降溫的時間。因此，緊急放空工況下，管道的最低溫度是不能視為等同于放空介質(zhì)最低溫度的。與之相比，由于超壓放空持續(xù)時間長、泄壓介質(zhì)物性參數(shù)不隨放空時間而變化。因此，在足夠長時間的換熱后，管道的最低溫度與介質(zhì)的最低溫度非常接近。

同時，根據(jù)緊急放空和超壓放空的特點(diǎn)，進(jìn)一步模擬了兩種工況下放空管道軸向的溫降變化情況，模擬結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可見，緊急放空下，放空介質(zhì)在流動過程中由于與放空管道內(nèi)積存氣體、管壁和環(huán)境進(jìn)行換熱，因此管道沿線介質(zhì)溫度呈“前段陡增、后段平穩(wěn)”的趨勢，且隨放空時間延長，受進(jìn)管介質(zhì)溫度升高的影響，管道中相同位置的介質(zhì)溫度逐漸升高；由前所述，由于管道內(nèi)壁溫度受介質(zhì)換熱、管材熱容等因素影響，雖然在相同時刻管道內(nèi)壁沿程溫度也呈“前段陡增、后段平穩(wěn)”的規(guī)律，但溫度高于流動介質(zhì)，且具有溫降滯后性。

相比之下，由圖9可見，在超壓放空下，由于放空介質(zhì)溫度與流量相對恒定。因此，在一定放空時間后，管道沿程溫度趨于穩(wěn)定，但受沿程與環(huán)境換熱的影響，整體呈“緩慢升高”的趨勢。

管道軸向溫度模擬表明，緊急放空過程中管道軸向溫度受放空特征的影響，雖然與超壓放空管道呈現(xiàn)了一致的“前低后平”趨勢，但溫度降低情況明顯優(yōu)于超壓放空管道。這種軸向動態(tài)分析也為大規(guī)模放空系統(tǒng)中(例如處理廠放空系統(tǒng))合理選擇各類管材長度提供了技術(shù)分析手段。

3.2.2 壓力

在本算例的緊急放空過程中，放空管道壓力沿程模擬結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見，受緊急泄放過程的介質(zhì)流量的變化影響，在管道末點(diǎn)壓力保持不變的情況下，管道起點(diǎn)壓力呈“先增大，后減小”的趨勢，表示了放空中背壓建立、起點(diǎn)壓力升高和衰竭的過程。但總體來講，放空管道壓力水平較低，這主要是放空管道管徑選擇稍顯保守所致。

同樣地，對于超壓放空情況，其模擬結(jié)果顯示(見圖11)放空管道的壓力變化也呈現(xiàn)“先增大，后減小”的趨勢，其起點(diǎn)壓力降低的原因并非泄放介質(zhì)流量降低，而可理解為放空管道內(nèi)泄放介質(zhì)溫度降低所致。

由壓力分布情況可見，泄壓系統(tǒng)中壓力水平普遍較低，可為后續(xù)的“低溫低應(yīng)力分析”提供條件。

4 放空管道最低溫度設(shè)計(jì)思路

放空管道的最低溫度確定將直接影響放空管道的選材問題，而放空管道溫度與放空介質(zhì)溫度之間的關(guān)系應(yīng)由具體工況進(jìn)行具體分析。

由前文研究可知，對于緊急放空工況，模擬計(jì)算的泄放介質(zhì)溫度與管道內(nèi)壁溫度之間差距較為明顯，若按照泄放最低溫度確定管道的最低設(shè)計(jì)溫度較為保守，可能造成選材浪費(fèi)。準(zhǔn)確確定緊急放空系統(tǒng)的放空管道最低溫度應(yīng)利用先進(jìn)的模擬軟件，動態(tài)分析放空時間內(nèi)管道積存氣體、管道泄放氣體、管道熱容、極端環(huán)境溫度等綜合作用下的管道內(nèi)壁溫度，以此作為選材依據(jù)。

對于全量放空管道，泄放介質(zhì)的最低溫度與管道的最低溫度非常接近，可以按照介質(zhì)的最低溫度(若此溫度低于最低環(huán)境溫度)確定管道的最低設(shè)計(jì)溫度。

另外，無論緊急放空管道還是超壓放空管道，沿管道軸向的溫度變化基本是趨于逼近環(huán)境溫度的，但其逼近程度需通過計(jì)算軟件深入分析，這也應(yīng)該作為管道分段選材的一種研究方向。

5 結(jié)論與建議

本文基于放空系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合工程熱力學(xué)基本規(guī)律，分析放空過程中影響管道溫度的因素，并結(jié)合商用軟件建立放空管道溫度計(jì)算模型，探討并模擬某集氣站放空管道的極端低溫,得出如下結(jié)論。

(1) 超壓放空管道放空持續(xù)時間相對較長，管道最低溫度可近似等同于放空介質(zhì)的最低溫度。

(2) 緊急放空管道放空持續(xù)時間短，泄放介質(zhì)物性參數(shù)不斷變化，管道最低溫度與放空介質(zhì)的最低溫度具有明顯差別，應(yīng)借助計(jì)算軟件詳細(xì)分析。

(3) 放空管道軸向溫度變化對于分段選材也有影響，應(yīng)結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步研究。

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Discussion on the operation condition at low temperatures of vent line in gathering station

Chen Junwen1, Yu Yang1, Bian Yunyan1, Zhu Jiang1, Du Huimin2

1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation, Southwest Company, Chengdu, Sichuan, China； 2. Gas Transmission Management Department, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China

The pressure relief system is the key safety guarantee for oil-gas station. Under accident conditions, the high pressure medium must be quickly relieved. The material of vent line is mainly determined by the pipeline temperature during relief. It is necessary to discuss the low temperature condition of the vent medium and vent line, to ensure the rationality and economy of the material selection. In this paper, based on the over-pressure relief and emergency relief process, the influence on the vent line temperature during relief was analyzed in combination with the basic law of engineering thermodynamics, and the low temperature rule of vent line was discussed and simulated with OLGA software. The results showed that the vent line temperature would be close to the relief medium temperature during over-pressure relief, but there would be significant temperature difference under emergency relief. The storage gas and vent line thermal capacity may have an inhibitory effect on the low temperature under emergency relief, and the dynamic simulation can provide technical support on the rational material selection and cost reduction of vent line. The study result will provide reference for fine design of vent line in the gathering station.

gathering station, pressure relief, vent line, low temperature

四川省科技廳資助項(xiàng)目“頁巖氣低成本地面集輸工藝技術(shù)研究”(2016SZ0001)。

陳俊文(1987-)，男，工程師，碩士，2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)主要從事天然氣儲運(yùn)研究與設(shè)計(jì)工作。E-mail：chenjunw_sw@cnpc.com.cn

TE88

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.03.021

2016-08-23；編輯：鐘國利