天然氣混輸海底管道放空設(shè)計方法探討

李偉，張淑艷，陳文峰，曾樹兵，劉飛龍

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院開發(fā)工藝設(shè)計研究部，天津，300451）

1 引言

當(dāng)天然氣混輸海底管道超壓、緊急放空及開工、停工或發(fā)生故障需要進(jìn)行維修時，需要通過放空系統(tǒng)將海底管道完全放空或?qū)⒑５坠艿肋\行壓力降低至允許操作的壓力。此外，當(dāng)海底管道的實際停輸時間大于允許溫降時間，為了使海管中流體的操作壓力和操作溫度處于水化物生成區(qū)間外，對海管進(jìn)行放空或泄壓也是一種選擇[1-2]。

在國標(biāo)和行標(biāo)中對天然氣管道放空計算方法均有具體要求和推薦作法說明[3-5]。但由于天然氣管道放空時管段內(nèi)氣體流動屬于典型的非定常流動，放空過程將經(jīng)歷超臨界流、臨界流及亞音速流3種狀態(tài)，管段水力計算不可簡單套用達(dá)西公式。相關(guān)的研究文獻(xiàn)內(nèi)容較少，目前關(guān)于天然氣放空系統(tǒng)的放空量計算多采用一個沒有依據(jù)的公式(即管容、放空時間)，計算結(jié)果與現(xiàn)場結(jié)果差異極大，導(dǎo)致工程設(shè)計與工程實際嚴(yán)重不符，此種情況的存在將帶來嚴(yán)重的安全隱患[6]。

2 天然氣混輸海底管道動態(tài)放空計算的方法

放空過程中瞬時產(chǎn)生的大氣量通過孔板會發(fā)生嚴(yán)重的J-T（焦耳-湯姆遜）冷效應(yīng)，由于氣流的動能比氣流的焓是很小的，可以忽略不計，于是可以認(rèn)為節(jié)流過程為等焓流動[7]。放空過程中海底管道中的氣體的膨脹也將產(chǎn)生J-T冷效應(yīng)，使管道中流體的溫度與環(huán)境發(fā)生非穩(wěn)態(tài)的換熱過程，管道最終接近環(huán)境溫度。對于天然氣混輸海底管道的放空計算，因涉及氣、液兩相的流動，采用常規(guī)的計算方法也很難反映放空過程中的氣液相的真實流動狀態(tài)。采用動態(tài)模擬計算方法既能反映管道放空至規(guī)定壓力所需要的時間又能反映放空氣量和液體的攜帶量；可以反映節(jié)流降壓后冷流在工藝管線中流動時發(fā)生的傳熱過程，從而獲得低溫傳播距離等關(guān)鍵工藝參數(shù)。

本文將孔板上、下游工藝管線引入OLGA軟件放空計算模型（圖2），采用動態(tài)模擬方法對海底管道放空時產(chǎn)生的低溫分布情況進(jìn)行模擬與分析，用于確定放空時低溫出現(xiàn)的位置，從而評估低溫影響。

圖1 OLGA放空動態(tài)計算模型

3 工程項目實例應(yīng)用與分析

以緬甸海域某海上氣田項目為例，有1條管長4.116km，管外徑457mm的天然氣混輸海底管道。最低空氣溫度為22℃，最低海床溫度為14℃。正常輸送時的氣量為283×104m3/d，輸送溫度為75℃，下游接收端操作壓力為2170kPa。事故工況時，需要通過下游接收端的放空管線對海底管道進(jìn)行放空，放空系統(tǒng)的背壓150kPa。輸送天然氣組分性質(zhì)（表1）：

表1 輸送天然氣組分性質(zhì)

采用放空動態(tài)模擬計算方法分析海底管道放空時的孔板下游工藝管線的低溫分布情況，評估孔板下游工藝管線所允許的最低溫度限制。圖2顯示了當(dāng)工況1）：孔板上、下游工藝管線管徑分別為60.3mm和88.9mm，孔板孔徑為38.1mm時，以及工況2）：孔板上、下游工藝管線分別為88.9mm和114.3mm，孔板孔徑為12.4mm時，孔板下游工藝管線中流體的溫度分布情況。從圖2可知，工況1）的最低溫度出現(xiàn)在孔板下游工藝管線的出口端，最低溫度可低至-25℃，已接近普通碳鋼的耐低溫下限值；工況2）的最低溫度出現(xiàn)在孔板下游工藝管線的入口端，流體在流動過程中逐漸升溫。

圖2 放空時孔板下游工藝管線低溫分布情況

圖2顯示，在執(zhí)行放空操作的瞬間，對于工況1），孔板下游工藝管線的出口的溫度與入口溫度有將近40℃的溫差，出口溫度遠(yuǎn)低于入口溫度。

圖3顯示，執(zhí)行放空操作時工況1）的氣體最大瞬時泄放量為18892m3/h，最大氣體流速超過了376m/s，如考慮將放空氣排放至密閉系統(tǒng)的管道，馬赫數(shù)大于0.5～0.7。而工況2）的氣體最大瞬時泄放量只有1991m3/h，最大氣體流速為46m/s，馬赫數(shù)不大于0.5～0.7[8]。

圖3 放空時孔板下游工藝管線出口氣體流量和流速變化趨勢

從上述分析可知，由于工況1）的孔板泄放孔徑較大而放空工藝管線的管徑較小。泄放流量過大使孔板后建立起來的壓力過大，工藝管線中的氣體經(jīng)過孔板的節(jié)流降壓后繼續(xù)向前流動，在氣體迅速流動時外界環(huán)境不足以加熱冷流繼而會產(chǎn)生二次J-T冷效應(yīng)。

在相同泄放量下，不同的放空管徑將導(dǎo)致不同的泄放流速。管徑的改變意味著泄放流速的變化[9]。對于工況2），縮小孔板的孔徑可以明顯降低放空氣量。增大孔板后工藝管線管徑使孔板后流道增大從而有效降低了氣流速度。同時，由于放空速率的降低，海管中操作壓力降低至規(guī)定背壓所需的放空時間也將會延長（圖4）。

圖4 放空時海底管道操作壓力和孔板下游工藝管線出口液體流量變化趨勢

泄壓和減壓系統(tǒng)以及泄放裝置設(shè)計規(guī)范[10-11]要求，在放空系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡量避免多相流對于放空系統(tǒng)中管匯和放空設(shè)備的影響。由于孔板的孔徑縮小，放空氣量的降低減小了液體攜帶量（圖4），這不僅避免了工藝管線中出現(xiàn)段塞流的情況，也降低了分液罐負(fù)荷，提高了安全可操作性。

采用海底管道放空動態(tài)模擬計算方法，可以獲取放空氣量、放空時間、放空工藝管線氣體流速和低溫等關(guān)鍵工藝參數(shù)（表2）。

表2 天然氣混輸海底管道放空動態(tài)模擬計算參數(shù)匯總表

4 結(jié)論

1）采用放空動態(tài)模擬方法，可以獲取海底管道放空時的放空量、放空時間和工藝管線中氣體流速等關(guān)鍵工藝參數(shù)，可為孔板選型、工藝管線定尺提供工藝數(shù)據(jù)。

2）采用放空動態(tài)模擬方法，可以模擬放空工藝管線的低溫分布情況，能夠確定放空時最低溫出現(xiàn)的位置從而指導(dǎo)材料選擇。本方法克服了等焓計算公式無法判斷低溫分布的不足，分析結(jié)果具有可視性強(qiáng)、低溫分布特征鮮明等特征。

3）當(dāng)孔板泄放孔徑較大而放空工藝管線管徑較小時，泄放流量過大將使孔板后建立起來的背壓過大；工藝管線中氣體在經(jīng)過孔板的一次節(jié)流后所產(chǎn)生的冷流在繼續(xù)向前迅速流動過程中，由于外界環(huán)境不足以加熱冷流會加劇二次J-T冷效應(yīng)。