高含硫天然气处理厂放空管网振动安全性评价

2019-03-20

天然气与石油 2019年1期

中国石油西南油气田公司川西北气矿, 四川江油 621700

0 前言

近年来，国家对清洁能源的开发力度增大,对天然气的利用和开发力度不断增强。由于不同地质条件,气田产出气体组分不尽相同，因此需使用不同的天然气处理工艺和装置,脱除产出气体中的杂质。放空管网作为天然气处理装置安全保障的最后一道屏障,在紧急停产放空中,放空气体将会在放空管网的弯管、三通及异径处对管道产生巨大的冲击力,可能导致其发生撕裂、位移过大而脱离管架等安全事故,其安全性和稳定性对全厂的安全生产至关重要[1-3]。

川西某天然气净化厂于2016年对老旧放空管网进行适应性改造,主要整改内容是:将高压与低压放空管线直三通改为斜三通;将部分管道下部排入放空管网的三通改为管道上部进入放空管网;将部分高凸的放空管网改为步步低的管网结构(坡度管网)。为检验新的放空管网是否适应原有的工艺参数,应用仿真模拟软件对高压天然气放空管线在放空过程中的工作状态进行模拟,对改造后的高压放空管网进行全面的分析和评价。

1 油气处理装置放空管网简介

川西某天然气净化厂建设规模为120×104m3/d,经多次改造后日处理量稳定在15×104m3/d,入厂压力约2.13 MPa,主要有脱硫、脱水、回收、原稳等装置及放空系统,放空管网采用门型架支撑,并由管卡固定。根据SH/T 3073-2016 《石油化工管道支吊架设计规范》,油气处理装置钢管管道支撑跨距应符合连续梁(管道)承受均布载荷的刚度条件和强度条件,DN 200壁厚为8.18 mm的管线计算结果门架间距应小于20.8 m,现场门架间距为5 m,门架上固定管线的管卡根据现场条件限制,管卡间距设置在10～30 m之间[4-5]。本文软件计算模拟的边界条件均以上述现场的管架、管卡实际情况为准。

川西某天然气净化厂的放空系统,在设计时仅考虑基本的固定间距,没有对弯管、下沉管及地形变化做出相应的调整,导致多次放空过程中,出现放空管道局部振动剧烈、位移过大等问题,存在安全隐患。因此需要对放空系统的管卡布置进行分析和整改[6-7]。天然气处理厂的放空系统平面布置见图1。

图1 放空管网平面布置示意图

2 放空管网放空过程中激振力分析

2.1 放空过程分析

川西某天然气净化厂在发生紧急停电、设备设施泄漏和停产事故时,将自动触发全厂或者局部装置紧急停车系统,关断所有的天然气进、出厂紧急截断阀,同时打开脱硫区、脱水区以及硫黄回收区等相关装置的放空阀进行紧急放空。高压装置同时放空时,管网内的气量会瞬间达到最大,管网中气体速度也接近0.7 Ma,放空系统很快达到最大工况。随着净化装置放空的继续进行,管道压力下降,放空气流量与气速逐渐下降,放空管网的振动慢慢减小,对系统安全的影响逐渐减小。本文所选择的工况为高压装置区域同时放空时作为模拟的初始状态,根据该状态进行一系列的仿真和分析。

2.2 管道内激振力的分析

天然气放空管道的激振力主要产生于管道的弯头或变径处。引起激振力的主要原因:一是气流的速度和方向发生改变使管道产生了动压力,二是压力方向的变化对管壁产生的静压,管壁受力情况见图2。

对于直角弯管的激振力按下式计算[8]:

式中:Fx为激振力的纵向分力,N;Fy为激振力的横向分力,N;qv为气体体积流量,m3/s;qm为气体质量流量,kg/s;u为气体流速,m/s;A为管道截面积,m2;g为重力加速度，9.8 m/s;γ为流体密度,kg/m3。

计算整个管网系统的振动时所分析使用的微分方程的矩阵形式为:

式中:[M]为系统总质量矩阵;[K]为系统总刚度矩阵;[C]为阻尼矩阵;y为节点位移向量; f为激振力向量。

根据现场真实数据,建立实际放空管网的三维模型,简化管网上的附件,在保证计算精度且加快计算速度基础上,根据物理尺寸和实际工况计算出上述方程的解,从而根据计算结果,指导工程实际。

2.3 三维实体模型的建立和网格划分

考虑到做整体模型对计算机要求较高,在保证计算准确性的前提下,对放空管网的模型进行了一定的简化。由于川西某天然气净化厂的放空管线分成高压和低压管线,两根放空管网使用的材料为20 G的无缝钢管,高压放空管网公称直寸为DN 200,低压放空管网在脱硫装置区域的放空管网公称尺寸为DN 150,而后扩大到DN 200。根据设计文件,高压放空管网的工作压力在0.2～0.4 MPa之间,低压放空管网的工作压力低于高压放空管网工作压力。因此本文只分析高压放空管网的安全性。

根据前述,放空管网通过管卡固定在管架上面,由于管架是多连体钢结构,且离地距离很小,可以视为管道铺设在地面基座上。因此,管卡和管架可以简化成如图3所示的结构,管卡底面设置为固定约束[9-11]。

图3 放空管网三维模型

本文使用计算模型在三维建模软件装配好模型后导入网格划分软件,在网格划分软件中分别对计算模型的流道、管卡、管壁划分计算网格。流道划分采用的是非结构四面体网格,其中,连管的网格数为 3 949 223,节点数为 687 925,单个固定管卡网格数为 33 422,节点数为 1 458。

3 放空管网流体力学分析

3.1 边界条件设定

本文使用的计算流体力学软件边界条件为:流量入口,常压出口。入口流量0.13 m3/s,出口压力0 MPa(常压)。由于最高设计使用压力0.35 MPa,且该放空管使用温度大部分时间大于10℃,不会出现降压形成水合物的情况,因此,设置温度为25℃。考虑到放空操作和放空安全阀出口流体模型以及稳态分析和瞬态分析结果对所述问题的关联性,本文选取稳态分析模式,计算步数为残差值小于10-4计算停止。

3.2 计算结果分析

经过计算流体力学软件对具体工程实例的求解,可以得到放空管网全部管道内部流场分布情况(包括任意一点的压力、流速、温度等),然后将计算出的流体动力学结果加载到固体上,求解管道受力及管道附件受力情况。根据这些计算结果对管道的受力及其安全性进行评价和建议。

观察高压放空管线全线压降云图可以看到:整个放空管网在工作状态时,从入口到出口管道内的压力依次逐步降低,最后在出口部分降至常压,根据云图显示,管道内气体在弯头部分的压力下降远大于直管的压力下降,气体每经过一次弯头,就会改变流体方向,损失一部分压力,损失的压力转换为动能,使管道振动加剧[12],见图4。

图4 高压放空管线全线压降云图

结合图5压降-振幅关系示意图，观察高压放空管线全线压降和振幅的变化可以发现:管道内气体在弯头部位的压力下降远远大于直管的压力下降。观察整个管网的压力降,在整个尾端弯头处(4号弯头)气体压力降幅最大;由于气体冲击管壁,压力能转换为动能,导致管道振动加剧,并且管道振幅与该部分管道内气体压力降幅呈正比。观察整个压力降幅情况,可以看出管道尾部弯头前后压力降幅最大,振幅也最大[13]。

图5 压降-振幅关系示意图

观察高压放空管道末端弯头处前后受力云图可以发现:管卡主要受力部分为未与弯管接触的部分,即管卡下半段与门架固定的部分,并且可以发现在放空管网的末端处弯头后管卡所受的最大应力约为弯头前管卡所受应力的1.75倍;同时可以发现管壁受力较大的地方主要出现在管卡固定处的后端,见图6～7。

图6 末端弯头后端的管卡受力云图

图7 末端弯头前端的管卡受力云图

模拟管卡间距依次为5、15、30 m的布置方案,选取管卡间距为5 m的距离作为取样点,将数据进行拟合可以得到直观的振动趋势,在观察弯头后管卡间距与管道振幅关系图可以看出:不同布置方案的情况下,管道振幅都呈正弦波状分布,但是拥有不同的周期,管卡间距越小周期越小。管卡间距为30 m方案中,振幅最大部分出现在距管卡15 m位置,最大振幅约为2.5 mm;管卡间距为15 m和5 m方案中,振幅最大部分出现在两管卡中点位置,两方案最大振幅分别为0.5 mm和0.3 mm。从管道的最大振幅来看,管卡间距5 m和15 m的方案相差不多,见图8。

图8 弯头后管卡间距与管道振幅关系

模拟管卡间距依次为5、15、30 m布置方案,从图9弯头后的管卡所受最大应力图可以看出:在管卡间距为30 m的布置方案中,两相邻的管卡所受应力相差无几,管卡受到的最大应力在100～110 MPa之间;在管卡间距为15 m的布置方案中,两相邻的管卡所受应力已经有明显的下降趋势,能量被管卡和门架吸收和传递,管卡受到的最大应力在90～105 MPa之间;在管卡间距为5 m的布置方案中,两相邻的管卡所受应力有了更明显的下降趋势,能量被多个管卡和门架分摊、吸收和传递,管卡受到的最大应力在70～85 MPa之间。同时,与前述方案相比间距5 m方案中,管卡所受最大应力是最小的,有着更高的安全系数[14]。

图9 弯头后的管卡所受最大应力

2016年川西某天然气净化厂大修期间将放空管网由之前的直三通改为斜三通。观察整改前后的仿真结果,对比整改前后的管道受力云图、气液相组分云图和放空管网入口振幅云图,见图10～15,可以发现:整改前管道受力主要集中在三通和弯头部分,使用斜三通后优化了管道受力方向,降低了管道所受到的冲击力,降低了放空管网入口处的最大振幅和振动频率;使用斜三通与之前的直三通相比,可以有效地减少管道弯头和端部的积液,进而减轻因酸性和潮湿环境对放空管网的腐蚀[15-21]。