气相乙烷输送管道经济流速计算方法研究

赵建彬 王玉柱 张员瑞 贾文龙 李长俊

摘      要： 乙烷是制备乙烯的重要原料，从富乙烷天然气中提取乙烷，通过长距离管道输送至乙烯厂并加以利用，能够产生可观的经济效益。我国的长距离气相乙烷输送管道建设处于起步阶段，在设计时主要参照输气管道的设计标准及规范进行设计，缺乏气相乙烷输送管道经济流速相关的规定。为此，基于最优化原理，建立了以气相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含乙烷相态、管道稳定性、管道强度和压缩机压比约束在内的乙烷输送管道经济流速计算模型，以费用最低为原则进行求解。以塔里木油田拟建的气相乙烷输送管道为对象进行实例分析，结果表明，该管道的经济流速范围为3～7 m·s-1，为气相乙烷输送管道的经济设计、运行和管理提供了依据。

关  键  词：气相乙烷;管道;经济流速;数学模型;计算

中图分类号：TE 832       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）09-1954-05

Abstract： Ethane is the most economical material for ethylene production and has great value. The ethane is extracted from natural gas and sent to the ethylene plant for use. Transportation is the most important link. At present， pipeline transportation is the most economical method for large-scale long-distance transportation of ethane. However， the design standards and specifications of ethane long-distance pipelines are mainly related to natural gas pipelines. There is no standard and norm related to ethane pipeline transportation， so it is necessary to clarify its economy flow rate for piping design. In this paper， a mathematical function of annual conversion cost of the long-distance gas phase ethane delivery pipeline was established， including phase state constraints， pipeline stability constraints， pipeline strength constraints and compressor pressure ratio constraints， and it was solved by using programming software based on the lowest cost principle. The gas phase ethane pipeline in Tarim oilfield was analyzed as an example. The results showed that the economical flow rate of the pipeline was 3～7 m/s， which could provide a basis for the economic design， operation and management of the gas phase ethane pipeline.

Key words： Gas phase ethane; Pipeline; Economic flow rate; Mathematical model; Calculation

在石油化工行业中，乙烯是一种重要原料，其衍生产品众多，而乙烷是制乙烯最经济的材料[1-3]。在天然气生产中，脱除乙烷的主要目的是使天然气的烃露点满足外输要求，而非规模化利用乙烷。但是，近年来在塔里木油田的开发中，发现了迪那、牙哈等一大批高温高压凝析气田，产出的凝析气中乙烷体积含量高于5%，这为大规模脱除乙烷并进行规模化应用提供了良好的资源条件。对于大量乙烷的长距离陆上输送，管道输送是最方便和经济的输送方式。

国外已建立了大量的可以媲美天然和原油输送管道的乙烷输送管道系统，主要集中在澳大利亚、北美和中东地区。例如，北美的EPP（Enterprise Products Partners）旗下的“宙斯盾”（Aegis）乙烷管道系统[4]、阿尔伯达省乙烷收集系统、澳大利亚APA公司的蒙巴-悉尼液相乙烷管道[5]、沙特阿美公司的气相富乙烷输送管道[6]等，这些管道长度都在数百公里以上。在已建成的长距离乙烷输送管道中，既有液相输送方式，也有气相输送方式。相比之下，我国长距离乙烷输送管道尚处于起步阶段。相比于液相输送方式，气相输送方式工艺更加简单，因此本文主要对气相乙烷输送管道进行研究。

经济流速是在气相乙烷管道设计和运行过程中十分重要的基础参数。目前，国内外的气体输送管道设计标准主要是针对天然气建立的，尚未形成气相乙烷输送管道的设计标准和规范[7-9]，对于气相乙烷管道经济流速的研究鲜见于报道。虽然气相乙烷管道在设计可参考天然气输送管道的相关标准，但是乙烷的泡点、露点、黏度、密度等物性参数与天然气、液化石油气、原油存在较大的差异，与之相关的管道输送能耗必然不同。特别是对于纯度高达95%以上的商品乙烷，其临界压力、临界温度分别约为4.9 MPa和32 ℃，在常温输送下容易发生相变，引发管道积液、段塞流等流动安全问题。因此，在确定气相乙烷输送管道的经济流速时，不仅需要考虑运行能耗等经济因素，还需要考虑乙烷的气液相变因素。为此，需要结合乙烷的物性参数特征及输送工艺，明确气相乙烷长距离输送管道的经济流速，为气相乙烷输送管道的安全、经济高效设计和運行管理提供指导。

1  气相乙烷管道输送工艺

在天然气处理厂，乙烷一般来自于天然气脱轻烃装置，多处于高温低压力的气相状态。在进入管道之前，需要对气相乙烷进行增压，以满足管输要求。输送过程中乙烷保持气相输送，通过压缩机增压实现持续输送，管输流程如图1所示。乙烷的临界压力为4.88 MPa，临界温度为32.25 ℃，在输送过程中应控制在2～2.5 MPa左右，温度控制在0～25℃。否则，容易造成气相乙烷液化，进入液相或者超临界态，形成多相流动影响管道以及设备正常运行。

2  经济流速计算模型

气相乙烷输送管道建设总投资费用高，管道运行时间长，经营维护费用大，能否确定乙烷管道的经济运行流速直接关系到管线建设是否经济可行。确定管道的经济流速，需遵循的原则是管道总投资费用最低，因此需建立最优化模型来得到经济流速。

结合天然气输送管道建设和运行的特点，可以得到气相乙烷长距离输送管道的总投资费用包括建设费用及运行费用，建设费用包括管道建设，土地费用，压气站建设等，运行费用包括压缩机组、阀室所需电费等[10]。根据以上特点，采用气相乙烷长输管道年折合费用作为目标函数，其数学表达式如式所示：

（1）管道建设投资S1

气相乙烷长距离输送管道建设的投资费用主要包括土地建设费用、管道的防腐涂层费用、管材的费用、管道的保温层费用等构成[11-12]。具体结构如下式所示：

（2）压气站建设投资S2

气相乙烷长距离输送管道的压气站建站投资可分为两部分，一是站场建设费用，包括办公楼、站内管道、消防设施等;二是压缩机等设备投资费用[13，14]。压气站建站投资用公式可表达为：

根据气相乙烷在中低压输送选择电驱动离心式压缩机，其功率按下式计算：

（3）运行维护费用S3

管道和压气站建成投产后，每年需要投入一定的费用以维持其正常运行，如防腐层损坏、阀门检修等[15]。维护费用可按下式计算：

（4）能耗费用S4

站场每年的能耗费用主要是压缩机所需的电费，其余电费如清管、计量等则通过电耗附加系数进行计算，其计算式为：

（5）折算系数E

考虑到管道与站场的时间价值，同时与运行维护费用和能耗费用统一，采用折算系数进行统一，计算式为：

3  管道约束条件

长输管道系统是一个复杂的水力热力系统，在进行工艺设计时，要满足相应的约束要求，以达到安全运行的目的。对于气相乙烷长距离输送管线设计优化问题，约束条件有相态约束、强度约束、水力约束、管径规格和压缩机间距等。

（1）相态约束条件

相态约束是指，气相乙烷在输送工程中任一点温度所对应的压力要小于该温度所对应的露点压力。约束条件如下式所示：

（2）强度约束

在管道运行过程中，管道运行压力必须小于等于管道的最大允许操作压力。管道强度约束具体形式如下式所示：

（3）稳定性约束

长距离气相乙烷输送管道埋地时的稳定性约束条件如下式：

式中：K — 管径与壁厚的比例限制。

（4）压气站压缩机功率性能约束

为减小优化设计时的压比选取，同时提高压缩机组的工作效率，需设定压缩机站压比在一个区间内，如下式所示：

总数学模型为：

模型求解步骤如图2所示。

4  算例分析

以塔里木油田拟建的轮南至库尔勒气相乙烷輸送管道为对象进行实例分析。管道长度125 km，全线地势平缓，总输量2 400 t/d。出乙烷厂压力为2.1 MPa，最低进站压力为1.2 MPa，起点温度29.0℃，环境温度夏季为20.0 ℃，冬季为3.0 ℃。输送介质组分如表1所示。参照国内石油天然气公司项目经济评价参数和相关文献[7，10-14]，得出了各经济参数的取值，如表2所示。

通过优化计算，得到最优方案如下表所示。管道输量为2 400 t·d-1，管径规格为559 mm×6.4 mm，全线平均压力1.7 MPa，冬季输送下全线平均温度6℃，乙烷密度为27.0 kg·m-3，夏季输送下全线平均温度为23 ℃，乙烷密度为24.4 kg·m-3，在此温度压力条件下得到冬季的经济流速为4.4 m·s-1，夏季的经济流速为4.8 m·s-1，因此得到经济流速范围为4.4～4.8 m·s-1（表3）。

管道起点压力为2.1 MPa，起点温度为29 ℃，为出乙烷厂出厂的压力温度，不需要压缩机或换热器，减少工艺。冬季与夏季全线压力温度变化如图3所示，满足单相输送的要求。

通过分析经济模型可以得到，管道输量和输送距离是影响模型的最主要的两种因素。分别改变这两种参数，可形成多种方案，总结得到不同工况下的经济流速，如图4和图5所示。结果表明，气相乙烷输送管道的经济流速范围为3～7 m·s-1。相比之下，常规天然气输送管道的经济流速为7～15 m·s-1[13]，原油的流速为1～2 m·s-1[16]，乙烷输送管道的经济流速介于常规天然气和原油输送管道之间。这主要由于商品乙烷、密度均是介于天然气和原油之间，在同样输量下所产生的摩阻损失必然介于天然气和原油之间，相应的经济流速也不会超出原油和天然气管道的范围。已建的沙特阿美NGP气相乙烷管道[6]的经济流速为4.5～9.14 m·s-1左右，与本文计算结果相符。

图4和图5还表明，乙烷输送管道的经济流速在一个范围内波动，这是受管道标准管径的影响形成的。例如，在图4中，输送距离125 km等条件同算例一样，只改变管道输量。当输量在为5 500～

6 500 t·d-1时，管道外径610 mm为最优管径，此时经济流速随输量增加而增加。当输量增加到6 500 t/d时，最优管道外径从610 mm增加至660 mm，管道流速下降，随后又随着数量的增加而增加。在图5中，管道输量2 400 t·d-1等条件同算例一样，只改变输送距离。当输送距离为210～270 km时，随着输送距离增加，通过增大管径可以降低流速以减少摩阻损失，此时增大管径的费用小于压气站建设、运行费用，所以管道流速降低。然而，当输送距离达到280 km时，此时增大管径的费用已大于压气站的建设、运行费用，此时可以增加压力站、减小管径、管道流速相应增大。

5  结 论

（1）综合考虑乙烷物性及气相管道输送工艺，基于最优化原理，建立了以气相乙烷输送管道年折合费用最低为目标函数，包含乙烷相态、管道稳定性、管道强度和压缩机压比约束在内的乙烷输送管道经济流速计算模型。

（2）将模型用于拟建的塔里木气相乙烷管道，该管道管长125 km，输量2 400 t·d-1，环境温度为3～20℃，结果表明该管道经济流速为4.4～4.8 m·s-1，并通过改变输送条件得到多种方案下的经济流速范围为3～7 m·s-1，与国内外已建管道流速相符，对于我国开展对气相乙烷管道建设具有指导作用。

（3）目前只是针对气相乙烷管道输送工艺进行了理论的方案设计和计算，缺乏足够的实践论证。未来可结合我国不同地区实际的经济情况、不同的管道材料等，进一步細化模型，建立更加完善的气相乙烷输送管道经济流速计算模型。

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