混輸海底管道進(jìn)站調(diào)壓閥安裝位置的影響分析

李鵬程，江志華，王 軍，張文欣

中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

海上凝析氣田生產(chǎn)的油氣產(chǎn)物多采用氣液混輸管道輸送至陸上終端[1]。陸上終端設(shè)有氣液分離、天然氣凈化和脫水、凝液回收、凝析油脫水與穩(wěn)定等設(shè)施，將海上油氣處理成合格產(chǎn)品后銷售至下游用戶。陸上終端作為連接上游生產(chǎn)平臺與下游用戶的一個(gè)重要紐帶，為下游用戶提供壓力平穩(wěn)、氣質(zhì)達(dá)標(biāo)的天然氣[2]。登陸管道內(nèi)多相流動引起進(jìn)站壓力波動，造成終端內(nèi)油氣處理設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定，向下游用戶供氣的氣質(zhì)發(fā)生快速變化，引起對氣質(zhì)要求嚴(yán)格的用戶的合同糾紛[3]。

混輸海底管道進(jìn)站壓力需由下游用戶需求以及終端內(nèi)處理工藝確定，穩(wěn)定的進(jìn)站壓力方能使終端向下游用戶提供安全、平穩(wěn)、連續(xù)的供氣[4]。進(jìn)站壓力調(diào)節(jié)閥作為壓力控制的重要元件，通過終端內(nèi)跟蹤調(diào)節(jié)工況的控制系統(tǒng)，控制調(diào)節(jié)閥門開度大小實(shí)現(xiàn)節(jié)流，使進(jìn)站壓力保持平穩(wěn)，從而達(dá)到控制天然氣壓力穩(wěn)定的目的，若超出設(shè)計(jì)的最高壓力值，系統(tǒng)會自動關(guān)閥進(jìn)行保護(hù)[5-6]。因此，合理的調(diào)壓閥設(shè)置對于保證終端向下游用戶供氣的氣質(zhì)、氣量穩(wěn)定與裝置穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 進(jìn)站調(diào)壓閥安裝位置影響分析

凝析天然氣混輸海底管道輸送的氣體雖干凈而且液量比較少，但清管時(shí)往往產(chǎn)生嚴(yán)重的段塞，正常操作和清管過程液體流量差別很大，在終端常設(shè)置管式段塞流捕集器作為進(jìn)站一級分離器，以有效地進(jìn)行氣液分離，并在清管作業(yè)時(shí)發(fā)揮臨時(shí)儲存器的緩沖作用，為下游處理裝置提供穩(wěn)定的氣液流量[7-8]。

進(jìn)站調(diào)壓閥通常位于段塞流捕集器的上游或下游，安裝位置將影響終端內(nèi)段塞流捕集器設(shè)計(jì)壓力的確定及清管作業(yè)過程中終端對下游用戶的連續(xù)供氣性質(zhì)，合理的安裝位置既能保證系統(tǒng)下游設(shè)備不超壓，又能維持向下游用戶正常供氣。此外，終端內(nèi)管式段塞流捕集器容積大，占地面積大，投資高，適當(dāng)?shù)亩稳鞑都髟O(shè)計(jì)壓力將有助于降低工程投資，提高油田開發(fā)效益[9]。

1.1 進(jìn)站調(diào)壓閥位于段塞流捕集器上游

當(dāng)終端下游用戶對氣量與氣質(zhì)要求不高，例如下游為民用類用戶，清管過程中終端內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行波動對此類用戶的影響可忽略，此時(shí)建議調(diào)壓閥設(shè)置于段塞流捕集器上游，其工藝流程如圖1所示。

圖1 進(jìn)站調(diào)壓閥安裝于段塞流捕集器上游的工藝流程

1.1.1 段塞流捕集器最大操作壓力的確定

因下游用戶對氣量和氣質(zhì)的供應(yīng)未有嚴(yán)格要求，此時(shí)段塞流捕集器主要發(fā)揮氣液分離和清管儲液功能。調(diào)壓閥作為壓力分界點(diǎn)，因海底管道關(guān)斷閥開啟時(shí)閥后管路需充壓至接近海底管道關(guān)停后的平衡壓力，因此調(diào)壓閥上游設(shè)備最大操作壓力為海底管道停止輸氣后的平衡壓力，調(diào)壓閥下游段塞流捕集器最大操作壓力依據(jù)終端用戶需求壓力及終端內(nèi)工藝流程壓降確定，即海底管道輸送時(shí)的進(jìn)站壓力[10]。段塞流捕集器的設(shè)計(jì)壓力將以最大操作壓力為基礎(chǔ)，按GB150.1～150.4—2011《壓力容器》確定。

輸氣管道停止輸氣后，進(jìn)出口關(guān)斷，管道內(nèi)壓力不會象輸油管道輸油時(shí)那樣立刻減小，由于存在氣體密度差，高壓端的氣體將逐漸流向低壓端，起點(diǎn)壓力逐漸下降，終點(diǎn)壓力逐漸上升，最后全線達(dá)到某壓力值，即海底管道關(guān)斷后的平衡壓力[11]。平衡壓力計(jì)算如下：

式中：Ppj為管道關(guān)停后平衡壓力，kPa；PQ為管道起點(diǎn)壓力，kPa；PZ為管道終點(diǎn)壓力，kPa。

1.1.2 清管作業(yè)對下游用戶的影響分析

在氣液混輸管道清管過程中，由于氣液滑移速度的存在，在清管器前產(chǎn)生很大液體段塞[12]。當(dāng)液體段塞進(jìn)入段塞流捕集器后，會引起捕集器內(nèi)液位快速上升，壓力下降，此時(shí)安裝于段塞流捕集器的入口調(diào)壓閥將盡可能調(diào)大開度直至全開。但此時(shí)由于段塞持續(xù)時(shí)間長，進(jìn)入段塞流捕集器內(nèi)氣體量持續(xù)減少，終端向下游用戶的供氣量會大幅下降，并且段塞流捕集器內(nèi)壓力的減小導(dǎo)致段塞流捕集器氣相出口氣質(zhì)中重組分增多[13]。當(dāng)段塞流捕集器氣相出口流量下降到終端天然氣處理設(shè)施的最小處理能力時(shí)，終端將開啟站內(nèi)循環(huán)操作模式，而無法繼續(xù)向下游用戶供氣。

1.2 進(jìn)站調(diào)壓閥位于段塞流捕集器下游

部分終端用戶對氣量和氣質(zhì)要求嚴(yán)格，如海南東方終端下游用戶有化學(xué)公司與甲醇廠，其對氣質(zhì)的二氧化碳含量以及熱值有嚴(yán)格要求，組分的較大波動有可能導(dǎo)致生產(chǎn)裝置緊急關(guān)停[14]。裝置一旦關(guān)停，恢復(fù)正常生產(chǎn)周期長、難度大。對于此類終端，在登陸管道清管過程中，需嚴(yán)格控制終端設(shè)備的操作，盡可能減小對下游用戶生產(chǎn)的影響，以免引起合同糾紛，此時(shí)建議調(diào)壓閥設(shè)置于段塞流捕集器下游，其工藝流程如圖2所示。

圖2 進(jìn)站調(diào)壓閥安裝于段塞流捕集器下游工藝流程

1.2.1 段塞流捕集器最大操作壓力確定

因用戶對氣量和氣質(zhì)均有嚴(yán)格要求，段塞流捕集器除具有氣液分離和臨時(shí)儲液功能外，還需在清管過程中發(fā)揮氣體儲存器緩沖作用，為下游處理裝置提供穩(wěn)定氣液流量[15]。

段塞流捕集器位于進(jìn)站調(diào)壓閥上游，其最大操作壓力首先要滿足海底管道關(guān)停后的平衡壓力。此外，捕集器在清管段塞到達(dá)時(shí)還需向下游穩(wěn)定持續(xù)供氣，以滿足下游用戶最小氣量要求，因此在清管前需對段塞流捕集器充壓[16]。段塞流捕集器充壓壓力計(jì)算如下：

式中：Pf為段塞流捕集器充壓壓力，kPa；QG1為下游用戶最小原料氣需求量，m3/s；QG2為清管段塞到達(dá)時(shí)管道出口最小輸氣量，m3/s；V為段塞體積，m3；t為段塞持續(xù)時(shí)間，s；QL為終端凝析油最大處理能力，m3/s。

下游用戶原料氣最小需求量QG1為：

式中：Q1為下游用戶用氣量需求，m3/s；Q2為終端脫酸損失的氣量，m3/s；Q3為終端脫水損失的氣量，m3/s；Q4為終端轉(zhuǎn)為輕烴的氣量，m3/s；Q5為原料氣處理過程損失的其他氣量，m3/s。

段塞流捕集器最大操作壓力取海底管道關(guān)停后的平衡壓力與清管作業(yè)前段塞流捕集器需充壓壓力的較大值。

1.2.2 清管作業(yè)對下游用戶的影響分析

當(dāng)清管段塞進(jìn)入段塞流捕集器后，會引起液面不斷上升，并將捕集器內(nèi)儲存的高壓氣體排出，以保障下游用戶的最小氣量需求。因調(diào)壓閥位于段塞流捕集器下游，并且取壓點(diǎn)在閥后，因此清管段塞到達(dá)終端時(shí)生產(chǎn)壓力穩(wěn)定，可向下游用戶提供穩(wěn)定氣質(zhì)。最小供應(yīng)氣量高于終端設(shè)備最低處理能力，無需開啟站內(nèi)循環(huán)模式，保證了下游用戶在清管時(shí)的最低用氣需求。

1.3 調(diào)壓閥安裝位置的影響分析對比

根據(jù)以上分析研究，調(diào)壓閥安裝位置對段塞流捕集器最高操作壓力的確定、清管段塞到達(dá)時(shí)終端的操作及下游用戶供氣的影響對比見表1。

表1 調(diào)壓閥安裝位置的影響分析對比

2 結(jié)論

進(jìn)站調(diào)壓閥安裝在段塞流捕集器下游可有效保障向終端用戶供氣的氣質(zhì)和氣量；安裝在段塞流捕集器上游可降低段塞流捕集器最大操作壓力，優(yōu)化工程投資。不同的安裝位置也將對清管過程中終端操作模式調(diào)整有較大影響，應(yīng)結(jié)合陸地終端裝置運(yùn)營模式、下游用戶供氣要求以及項(xiàng)目投資等因素綜合分析研究。