中亚天然气管道部分管段放空方法与应用

2014-03-15刘志广

石油工程建设 2014年1期

关键词：阀室管段火炬

刘杰，刘涛，刘志广

中石油中亚天然气管道有限公司，北京 100007

中亚天然气管道部分管段放空方法与应用

刘杰，刘涛，刘志广

中石油中亚天然气管道有限公司，北京 100007

中亚天然气管道是中国第一条引进境外天然气的管道，在其建设和运营过程中，需要对部分管段内的高压天然气进行放空。文章针对乌兹别克斯坦临时段管道，探讨了其部分管段内的天然气放空方法，对天然气放空量和放空时间进行了理论计算。现场采用了水平放置火炬的点火方式，通过放空流程操作与控制，成功地实现了该临时段管道内高压天然气安全可靠、平稳快速放空。

高压天然气；放空方法；安全可靠；放空时间；放空量

0 引言

中亚天然气管道是中国第一条引进境外天然气的管道，起点位于土库曼斯坦，途经乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦，最后到达中国的霍尔里斯。中亚天然气管道与同期建设的西气东输二线相连接后，总长约 1 万 km，为世界上距离最长、等级最高的油气输送管道。

在长输天然气管道建设过程中，需要对气体进行置换，在运行过程中，需要对天然气进行紧急泄放，这些都需要进行天然气放空操作。中亚天然气管道途经四国，其地质、地形复杂，输送距离长，输送压力高，输送流量大，加之天然气具有易燃、易爆、高压、有毒等特点，因此对管道内高压天然气进行安全可靠、平稳快速放空提出了更高要求。如何实现这一安全平稳的放空目标，防止事故的发生，值得我们深入探讨。

1 工程概况

中亚天然气管道乌兹别克斯坦段（以下简称中乌管道）起始于土乌边境，终止于乌哈边境，双线（A 线和 B 线）伴行，原单线线路长度约 490 km，改线后为 529 km。全线设 36 座线路截断阀室，3 座压气站，5 座清管站，1 座计量站以及1 座调控中心。两条并行管道有 26 条跨接管道连接，设计输量 300 亿 m3/a。

中乌管道临时段管道管径为 1 067 mm，水平长度为75.65 km，管顶埋深 1.0 m，含有 4 座线路截断阀室，分别为 No.6.2、No.7.1、No.7t.1 和 No.8.2 阀室，天然气输送压力为 8.0 MPa。管道工艺流程如图1所示。

图1 中乌管道临时段管道工艺流程示意

2 放空时间和放空量计算

根据要求，需要将中乌管道临时段管道内的天然气全部放空。已知管道规格为D 1 067 mm × 15.9 mm，管道长 L = 75.65 km，管内平均压力 P1= 7.0 MPa（绝压），温度 T1= 20 ℃，放空管为 D 318 mm × 9 mm，通过节流截止阀进行放空，压力降为 P2= 0.1 MPa 时，计算需要放空的时间及放空量。设管道温度始终保持 T = 20 ℃ 不变。

2.1 放空时间计算

根据质量守恒列出微分方程[1]：

式中

V——放空管段容量/m3；

ρ——质量流量密度/（kg/（m3•s））；

G——质量流量/（kg/s）；

t——放空时间 /s。

式中P——管道绝对压力/MPa；

M——放空气体的相对分子质量；

R——848 kg•m/（kg•K）；

T——管道温度/K。

由于长输天然气管道压力都较高，因此可以认为放空的全过程为临界状态[2-3]。同时，考虑到放空火炬管段极短，可以忽略放空火炬管段的摩阻，此时，气体在临界状态下流量为：

式中μ——阀门开启度；

K——绝热指数，天然气：K=1.3，空气：K=1.4；

F——放空阀全开时截面积/m2；

g—— 重力加速度，取 9.8 N/kg；

Z——天然气压缩因子。

根据式（1）、（2）、（3）微分化解得：

对式（5）两边同时积分得出放空时间的公式：

式中P1、P2——分别为放空前、后管道绝对压力/MPa；

2.2 放空量计算

由气体状态方程可知，放空前后的气态平衡方程为：

式中Z2——放空后的天然气压缩因子；

T2——放空后的管道温度/K。

（1）若放空后的天然气状态为标准状态时，即P2=P0时，P0、V0、Z0、T0均为标准状态（即 20 ℃，标准大气压）下的参数。

式中P0——标准状态下天然气压力/MPa；

V01——标准状态下放空前的管段容量/m3；

Z1——放空前的天然气压缩因子；

Z0——标准状态下放空前的天然气压缩因子；

T0——标准状态下管道温度/K。

（2）若放空管内天然气压力降为P3时，即P2=P3时，

式中Z3——压力降为P3时的天然气压缩因子；

V02——标准状态下放空后的管段容量/m3。

利用上述公式计算可得：此项目放空过程主要包括三个阶段，首先，当阀门开启度从 0 到 1/4，管内天然气放空至 3.0 MPa 时所需放空时间为t1= 31 h，放空量为V'1= 210 万 m3；然后阀门开启度从 1/4 到 1/2，管内天然气放空至 1.5 MPa 时所需放空时间为t2= 11 h，放空量为V'2=110 万m3；最后从 1.5 MPa 放空至 0.1 MPa 时所需放空时间为t3=3.45 h，放空量为V'3= 120 万 m3。整个放空过程管内天然气表压从 6 MPa 降至与大气压力相等时所需放空时间为t0= 45.45 h，放空量为V0= 440 万 m3。

参考西气东输管道类似放空经验[4-5]，在整个放空过程中，应根据压力表读数变化，密切监测放空压力，从而有效控制放空天然气的流速和放空量，减小振动、噪音和热辐射范围。

3 放空方法

对于竖直火炬点火方式，西气东输管道曾有过类似的实施经验[6]。总结该经验，对本案放空管高度、流速控制及辐射范围等进行了计算[7-8]。取马赫数为 0.5，风速为6 m/s。当采用出口直径为 300 mm 的火炬筒时，计算得放空时间为 67 h，火焰释放总热量为 395.761 MJ，火焰长度为 34 m，火炬筒出口流速为 214 m/s，此时从火炬筒中心到受热点距离与火炬高度关系见表1。

表1 火炬筒中心到受热点距离与火炬高度关系

对于水平火炬点火方式，国内外可以借鉴的经验极少[9-10]。由于乌兹别克斯坦当地4月份多为西北风，在放空阀室东侧 150 m 处有一小山坡，利用它与正在运营的临时段管道隔离。放空作业前，在 No.7.1 阀室放空立管处进行工程动火，在其一侧加装一条长 185 m、直径 300 mm的临时放空点火管道，采用埋沟敷设方式进行施工，管顶埋深 0.5 m，管口延伸至小山坡下。在管口处挖掘一个长 20 m、宽 10 m、深 2 m 的点火坑，并在周围设立隔离墙和隔离警戒区域将点火坑与周围隔开，如图2所示。在实际放空过程中，将天然气出口流速控制在100 m/s，最高不超过 200 m/s，即把放空量控制在 10 万 m3/h，最高不超过 20 万 m3/h，总放空时间控制在 25 ～ 50 h。

图2 水平火炬点火放空方式示意

由于此次放空的天然气压力较高，控制放空流速及放空量较为困难，若采用竖直火炬点火的放空方法，则垂直火焰长度过长，又由于当地气候和风向变化异常，因此火焰方向不易控制，给操作与观察带来了不便，增加了安全隐患。根据当地实际情况，采用水平火炬点火方式便于控制天然气放空量和放空速度，能够降低风向变化对放空火焰的不利影响，有利于保证放空过程安全。因此从平稳、安全角度出发，此次放空采用水平火炬点火放空方式。

4 放空的实施

在 A 线绕行段达到投产条件后，通过 No.6.1 阀室将正在运营的临时管道内天然气切换至 A 线绕行段管道中。在 A 线绕行段天然气升压到与临时线天然气压力一致后，关闭临时线两端 No.6.2 和 No.8.2 阀室的干线截断阀、跨接线及旁通线的所有阀门，对临时段管道完成隔离。在No.6.2 和 No.8.2 阀室阀门关闭后，通过临时线 No.7.1阀室对天然气进行放空。

在放空开始时，放空阀开度较小，现场根据水平火焰喷射长度和放空管振动情况，通过压力表监测数据，分阶段逐渐增加放空阀开度。考虑到若压降过快会导致温度急剧降低，使阀门材料及焊缝产生脆性裂变，因此在操作过程中保证在压力未降到 3.0 MPa 前，放空阀开度不超过 1/4。这样做有效防止了冰堵情况发生，对阀门材料及焊缝起到了保护作用[11]，减小了放空管道振动，保证了放空压力、放空速度、放空量及时可控。

根据现场实际监测和记录，阀门开启度从 0 调到 1/4经历了 30.5 h，压力降到了 3.0 MPa，与理论计算放空至3.0 MPa 时所用放空时间一致，此时放空量为 210 万 m3。当压力降到 3.0 MPa后，阀门开启度逐渐加大，从 1/4 至1/2，当压力降到 1.5 MPa 时，阀门全部开启，直至压力降为 0 MPa。整个放空过程保证了压力降的平稳安全，保持了水平放空火焰的长度、热辐射范围基本不变，处于可控范围内。放空气体压力从 3 MPa 降到 1.5 MPa 所用时间为 11.5 h，从 1.5 MPa 降到 0 MPa 所用时间为3.5 h。全程放空时间共计 45.5 h，与理论计算放空时间一致，放空量为 440 万 m3。

5 结束语

本文对中乌管道临时段高压天然气放空方法进行了比较，对天然气放空量、放空时间进行了理论计算，选择了水平火炬点火放空方式，通过实际操作控制，使该放空方式得到了有效验证和成功实施。在整个放空过程中，现场根据水平火焰喷射长度和放空管振动情况，通过压力表监测数据，分阶段逐渐增加放空阀开启度，有效防止了冰堵情况发生，减小了放空管道的振动，保证了放空压力、放空速度、放空量的及时可控。从安全和环保的角度出发，将放空点选择在植被较少、有地势优势且无人居住的阀室处进行天然气放空，采用水平放置火炬方式可使其产生的燃烧物基本沉淀于放空火炕底部，与竖直放空产生的燃烧物随风飘散相比，减少了环境污染，大幅降低了噪音和热辐射范围，达到了预期目的。

[1]四川石油设计院，输气干线设计手册 [S].

[2]孔吉民.对管道内放空时间及放空量的探讨 [J].石油化工应用,2005,（4）:18-20.

[3]叶学礼.天然气放空管路水力计算 [J].天然气工业,1999,19（3）:77-81.

[4]齐建波,孙立刚，张文伟，等.西气东输二线阀室放空系统设置 [J].油气储运,2009,28（9）:63-65.

[5]赵淑珍,胡道华 .西气东输放空系统的设计与研究 [J].天然气与石油，2006,24（5）:20-23.

[6]朱骊川,葛新.长输管道火炬计算若干问题探讨 [J].国外油田工程，2007,20（4）:79-80.

[7]GB 50183-2004，石油天然气工程设计防火规范 [S].

[8]SY/T 10043 - 2002，泄压和减压系统指南 [S].

[9]API RP 521,A Guide,Pressure Relieving &Depressing System [S].

[10]王松汉.石油化工设计手册,第4卷,工艺和系统设计 [M].北京:化学工业出版社,2002.

[11]董海生,卢宝春.浅谈节流效应及在天然气集输工艺中的应用 [J].油气田地面工程,2003,22 （11）:24.

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