CN110513600B - 一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法，系统包括末段埋地管道系统、末站管道系统、液相辅助接收系统和干线泄放系统。与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明根据气态乙烷管道停输后受极端环境影响的液化规律，根据再启动工艺特点和安全操作要求，通过设置温度补偿与监测、液相接收和泄放换热等方案，保障单相气态乙烷进入下游处理设备，达到安全、经济再启动的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法。
背景技术
近年来，乙烷输送管道建设的需求巨大。乙烷产品作为天然气附属产品中摩尔质量较轻的一类，饱和蒸气压较高，临界温度约为32℃，临界压力约为4.5MPa，因此有条件以气相或液相状态进行单相输送。气态乙烷管道操作压力远低于液态乙烷输送管道，在安全性方面存在优势，且在与下游工艺匹配的基础上，管道上、下游可不再设置储罐，在一定情况下提高了经济性。尤其对于输送距离相对较短的乙烷管道，采用气相输送更具经济优势。目前，为保证乙烷管道输送的单相状态，大部分气态乙烷管道输送工程按照管道正常运行压力高于埋地管道所处地温对应的露点压力的标准来进行工艺设计。北方地区的气态乙烷输送管道，冬季停输后，在土壤温度场的作用下，绝大部分埋地管道仍可以保持足够温度，保证介质处于气相；中间或末端站场内，由于露空段环境温度远低于埋地段，露空环境温度下对应的露点压力远低于停输压力，因此将引起露空段中乙烷发生部分液化；在埋地管道和露空管道的过渡段，受管道传热和介质传热的影响，在靠近露空段的部分埋地管道内形成温度过渡区，这将引起全线介质压力降低，液相乙烷集中于过渡段和露空段。尤其对于靠近管道末端的过渡段和末端站场管道，当管道再启动时，这极有可能引起下游出现瞬态段塞、严重介质气化及由此造成的低温或局部气阻，影响设备性能，甚至危及操作安全。
目前，上述问题尚未见公开报道，但类似工况乙烷管道已经处于前期规划和设计中，因此有必要积极开展研究，采取合理措施，消除因气态乙烷管道冬季停输后形成的末端积液在重新运行时对下游的操作和安全影响，形成一套可行、经济的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种气态乙烷管道末端流动保障系统及方法，本发明基于气态乙烷管道冬季停输后管道末端(埋地-露空过渡段和露空段)液化规律，从外部加热、临时积液接收和流动换热等方面考虑，采取乙烷液化段划分、温度-压力监测、管段热量补偿、放空置换、设置缓冲分离等方案，消除气态乙烷管道冬季停输后，由于末端管段内介质液化引起的再启动过程对下游设备的风险，保障运行安全。
本发明所采用的技术方案是：一种气态乙烷管道末端流动保障系统，包括末段埋地管道系统、末站管道系统、液相辅助接收系统和干线泄放系统，其中：
所述末段埋地管道系统包括安装于末段阀井系统下游的末段埋地管道和在末段埋地管道上设置埋地加热保温测温系统；
所述末站管道系统包括起于出土处的露空干线，以及在露空干线上依次安装的露空加热保温系统、干线截断阀、干线调节阀、露空加热保温系统和截断阀，在干线截断阀的上游和干线调节阀的下游均安装有温度变送器和压力变送器；
所述液相辅助接收系统包括从末站管道系统的干线调节阀下游的干线管道接出、并接入末站管道系统下游接入管道的缓冲分离器，在所述缓冲分离器的入口管道和出口管道上均设置截断阀，在缓冲分离器内设置液位变送器；
所述干线泄放系统包括与末段埋地管道下游连接的放空管道以及在放空管道上依次设置的加热保温系统、截断阀、调节阀和压力变送器。
本发明还提供了一种气态乙烷管道末端流动保障方法，包括如下内容：
步骤一、确定末段埋地管道的起始位置和管道内可能出现的最大液态乙烷体积；
步骤二、在末段埋地管道上设置保温、加热、连续式温度监测系统；同时，在末段埋地管道上，按照50m/处间隔设置末段间隔式旁路测温系统；在露空干线上设置保温、加热、温度监测和压力监测系统；
步骤三、在冬季管道停输并准备重新启动时，开启末段间隔式旁路测温系统的温度变送器和连续式温度监测系统，并接通埋地管道和露空管道的加热系统；当管道温度达到并保持预期设定温度至少8小时后，打开干线截断阀、截断阀和干线调节阀，并同时启动上游系统，气相乙烷介质进入下游处理设施；
步骤四、当部分埋地和露空段温度变送器温度或分布式温度检测系统显示的管道温度无法达到预期设定温度，并确定加热系统出现故障时，开启干线泄放系统运行5分钟后关闭；同时，在干线旁路接入缓冲分离器，将干线再启动介质首先引入缓冲分离器进行气液分离，气相优先进入下游系统，液相暂时储存于缓冲分离器中；通过缓冲分离器的加热和保温系统，逐渐气化积存的液相乙烷；当缓冲分离器的液位达到最低液位时，保持加热系统运行1小时，保证缓冲分离器内液相尽可能汽化，随后关闭旁路，连通干线。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明根据气态乙烷管道停输后受极端环境影响的液化规律，根据再启动工艺特点和安全操作要求，通过设置温度补偿与监测、液相接收和泄放换热等方案，保障单相气态乙烷进入下游处理设备，达到安全、经济再启动的目的，具体表现为：
(1)设置科学
本系统根据气态乙烷管道单相输送的工艺，针对该类管道在冬季停输后，末端露空部分和末端埋地-露空过渡段部分的温度将受到大气环境影响的特征，利用工艺分析软件确定可能出现液化的管段，并采取了加热保温、积液捕集、泄放换热等措施，避免再启动时将管道末段的积液涌入下游处理设备，保障系统安全。
(2)经济合理
本系统在运行、停输过程中无需启动，依靠管道保温层可足够保持介质温度维持在露点温度以上；仅在再启动前提前开启，具有较好的经济性。
(3)冗余性好
本系统设置了3类保障方案，包括了管道加热保温、干线泄放换热、液相捕集；正常情况下，采取管道加热保温的方式确保介质完全气化后再启动；在加热系统故障时，采取干线泄放换热和液相捕集的方式保证进入下游的介质为气态，提高了系统的安全冗余性。
(4)推动技术发展
鉴于乙烷本身的物理性质和泄漏后危害性，乙烷管道输送技术与常规天然气管道有所区别，且工艺要求更高。本发明的再启动工艺和系统配置，可进一步推动气态乙烷管道输送技术发展。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的一种气态乙烷管道末端流动保障系统的示意图。
具体实施方式
一种气态乙烷管道末端流动保障系统，如图1所示，包括：上游干线1、末段埋地管道2、埋地加热保温测温系统3、露空干线4、露空加热保温系统5、干线截断阀6、干线调节阀7、压力变送器8、温度变送器9、温度变送器10、压力变送器11、露空加热保温系统12、截断阀13、下游接入管道14、缓冲分离器入口管道15、截断阀16、缓冲分离器17、液位变送器18、截断阀19、出口管道20、放空管道21、加热保温系统22、截断阀23、调节阀24、限流孔板25、压力变送器26、低压放空管27，旁路球阀101/102/104/105、旁路温度变送器103。
其中，末段埋地管道2、埋地加热保温测温系统3等组成末端埋地管道系统，负责在冬季停输后，再启动前对管道内由于下游露空段传递低温引起的低温两相介质进行加热和温度监控。
具体地，末段埋地管道2与上游干线1焊接，其长度根据停输后温度场分析确定；末段埋地管道2与下游露空干线4焊接，交接点为管道出土位置。在末段埋地管道2上设置埋地加热保温测温系统3，为管道外壁预制安装的加热带、测温光纤、防腐层、保温层。
其中，旁路球阀101/102/104/105、旁路温度变送器103等组成末段间隔旁路测温系统，起到利用旁路管道进行干线温度监测的功能，并与管道上的分布式温度监测系统的检测结果互为比对。
在末段埋地管道2上设置多处地下旁路温度监控管路，管径为DN80，依次设置旁路球阀101/102/104/105，并在旁路球阀102和旁路球阀104之间设置温度变送器103，旁路球阀保持为常开状态，在检修、更换温度变送器103时，为全部关断状态；进一步地，地下旁路温度监控阀井按照50m/处间隔设置。进一步地，地下旁路温度监控阀井的管路上设置加热带和保温层。
其中，露空干线4、露空加热保温系统5、干线截断阀6、干线调节阀7、压力变送器8、温度变送器9、温度变送器10、压力变送器11、露空加热保温系统12、截断阀13、下游接入管道14等组成末站管道系统，用于接收上游干线介质，并在冬季停输后，再启动前对露空管道进行加热，同时用于管道内压力、温度参数监控。
具体地，露空干线4与末段埋地管道2焊接，露空安装；干线截断阀6为电动球阀，常开，用于连通和隔离埋地管道和末站系统；干线调节阀7为电动调节阀，安装于干线截断阀6下游，用于调节干线进入末站系统介质的压力；截断阀13连接干线调节阀7和下游接入管道14，电动球阀，常开，用于连通和隔离辅助液相接收系统；下游接入管道14连接下游处理设施，露空安装；在干线截断阀6的上游，安装压力变送器8和温度变送器9，用于检测上游干线系统压力和露空管道温度；在调节阀7下游安装温度变送器10和压力变送器11，用于检测调节阀下游管道的压力和温度。在所述干线管道4和下游接入管道14分别安装露空加热保温系统5和12；露空加热保温系统5和12为分别预制在露空干线4和下游接入管道14外部的加热带和保温层，起到露空管道加热、保温的作用。
其中，缓冲分离器入口管道15、截断阀16、缓冲分离器17、液位变送器18、截断阀19、出口管道20组成辅助液相接收系统，负责在末段加热系统失效后，分离并接收启动时从上游干线中携带的液相乙烷，同时利用其配套的加热系统，气化残留液相乙烷的作用。
具体地，缓冲分离器入口管道15从干线调节阀7下游的干线管道接出，管径与干线管道相同，接入缓冲分离器17；在缓冲分离器入口管道15上安装截断阀16，电动球阀；缓冲分离器17为卧式分离器，设置置换口、冲洗口和放空口，不设置液相出口，起到接收输入介质中液相乙烷的作用，分离后的气态乙烷从出口管道19排出，接入下游接入管道14；缓冲分离器17设置液位变送器18，起到检测液相乙烷液位的作用，当液位超过设定值后，报警并联锁干线截断阀6关闭系统进气；出口管道20上安装截断阀19，电动球阀；出口管道20管径与干线管道相同。进一步地，各管路和缓冲分离器17设置加热和保温。
其中，放空管道21、加热保温系统22、截断阀23、调节阀24、限流孔板25、压力变送器26、低压放空管27等组成干线泄放系统，主要用于埋地干线检修时，对其内部介质进行泄放，是一种典型的干线安全配套保护系统；同时，也可用于本系统在再启动前，泄放埋地管道内的两相低温介质的作用，并通过泄放，促进上游埋地管道介质与末端埋地管道介质混合换热。
具体地，放空管道21连接末段埋地管道2的埋地部分，出土后露空敷设，允许气体流速低于15m/s；截断阀23为电动球阀，常关；调节阀24为电动控制，用于控制乙烷泄放速度；限流孔板25安装于调节阀24下游，用于辅助调节阀24进行泄放速度限制，并在调节阀24失效后，限制泄放的最高速度；低压放空管27为不锈钢材质，接入下游放空总管；压力变送器26用于检测乙烷泄放管道压力。进一步地，所述放空管道21安装加热保温系统22；加热保温系统22为预制在放空管道21外部的加热带和保温层，起到露空管道加热、保温的作用；该管路上阀门和仪表，也设置加热和保温系统。
其中，沿线各站场的温度变送器、压力变送器实时监控，组成沿途温度压力监测系统，与所述的干线压力变送器、温度变送器协同作用。
同时，本系统还包括变送器信号传输、处理和阀门控制的逻辑控制系统。
本发明的工作原理及工作过程为：
(1)大部分气态乙烷管道均考虑将管道的最高运行压力设定在冬季地温对应的露点压力以下，以保持管道在长距离流动过程中保持单相(气态)运行。
对于这类管道，在冬季长期停输后，露空管道部分将可能由于长期停运而引起温度降低至环境温度，同时，与露空管道相邻的埋地管道过渡段，也会存在一定程度的温度降低。因此，若不采取任何温度控制措施，在冬季停输后，末端埋地管道与露空管道必然出现因环境温度影响而引起的局部管道内部液相析出，当再启动时，积存的液相可能瞬时涌入下游生产设施，对正常生产安全造成影响。
(2)根据埋地管道布置、尺寸、壁厚、材质、埋深、环境条件等信息，结合进厂露空管道布置、尺寸、壁厚、材质、环境条件等参数，通过模拟分析，模拟停输状态下，埋地管道-露空管道体系的时域温度分布，确定末段埋地管道受露空管道及其充装介质影响的温度分布，并将埋地管道温度从与埋地土壤温度开始降低的位置，确定为本系统末端埋地管道的起始位置；同时，通过模拟分析，确定管道内可能出现的最大液态乙烷积聚体积。
(3)对于末端停输后受环境温度影响而发生介质液化的埋地管段，在埋地段的管道外部设置保温、加热、分布式温度监测系统，利用电加热带加热，利用测温光纤监测沿程温度，利用保温层进行保温，以起到再启动前利用外部热源，加热埋地段管道，并监测沿线温度的作用。同时，对于埋地段，设置末端监测旁路测温系统，进一步监测介质温度，其监测结果与测温光纤所测结果比对，确保系统正常运行。
(4)对于末端停输后的露空管段，通过设置加热保温系统，在再启动前保证末端露空管道内介质处于气相状态。设置压力变送器和温度变送器以监测系统压力和露空管道内介质温度，确保介质处于气相，方可开始进行再启动。
(5)借助干线泄放系统和可临时接入的气液分离系统，实现埋地加热系统出现故障时的再启动作业。埋地管道内部分低温乙烷通过干线泄放系统进行泄放，并引起上游处于土壤温度的介质流向管道末端，一定程度上减缓末端液相体积和提高末端介质温度；同时，将末端露空管道接入临时缓冲分离器，将再启动过程中推出的液相在临时缓冲分离器中进行分离，并通过临时分离器的加热系统进行汽化，分离后的气态乙烷进入下游生产设施。综上，可实现气态乙烷管道末站再启动过程的流动保障。
本发明还公开了一种气态乙烷管道末站流动保障方法，包括如下主要内容：
步骤一：根据埋地管道布置、尺寸、壁厚、材质、埋深、环境条件等信息，结合进厂露空管道布置、尺寸、壁厚、材质、环境条件等参数，通过模拟分析，分析停输状态下，埋地管道-露空管道体系的时域温度分布，确定末段埋地管道在露空管道换热、充装介质传热和埋地环境换热下的综合温度分布，并将埋地管道温度低于埋地环境温度时的位置，确定为本系统末端埋地管道的起始位置；同时，通过模拟分析，确定管道内可能出现的最大液态乙烷体积。
步骤二：根据确定的末端埋地管道起始位置，在下游末段埋地管道上设置保温、加热、连续式温度监测系统；同时，在末段埋地管道上，按照50m/处间隔，设置末段间隔式旁路测温系统；在末站管道设置保温、加热、温度监测、压力监测系统。由此，形成前述的末段间隔旁路测温系统、末段埋地管道系统、末站管道系统。
步骤三：在冬季管道停输并准备重新启动时，开启间隔旁路测温系统温度变送器103和开启末端埋地管道的分布式温度监测系统，并接通埋地管道和露空管道的加热系统；当各处温度变送器温度和分布式温度检测系统显示的管道温度达到预期设定温度，并保持温度至少8小时后，打开干线截断阀6、截断阀13和干线调节阀7，并同时启动上游系统，气相乙烷介质进入下游处理设施。
步骤四：基于步骤三，当部分埋地和露空段温度变送器温度或分布式温度检测系统显示的管道温度无法达到预期设定温度，并确定加热系统出现故障时，开启干线泄放系统，打开管路加热系统22，开启球阀23，通过调节阀24和限流孔板25泄放埋地管道内积存的低温乙烷，并促进上游管道和露空管道的内部介质流动和换热，干线泄放系统运行5分钟后关闭，起到适度排出低温介质和诱导内部换热的作用；进一步地，在干线旁路接入缓冲分离器撬，缓冲分离器17通过入口管道15和气相出口管道20连接干线，用于接收、分离带有液相的乙烷介质，并临时存储液态乙烷，分离后的气态乙烷返回至干线。通过缓冲分离器的加热和保温系统，逐渐气化积存的液相乙烷；当液位变送器18指示的液位达到最低液位时，保持加热系统运行1小时，保证缓冲分离器内液相尽可能汽化，随后关闭旁路，连通干线；另外，当液位变送器18指示的液位超过高液位后，联锁减小干线调节阀开度，若进一步液位超过高高液位后，关闭干线截断阀，待缓冲分离器内液位由于加热汽化降低后，重新开启进气。
通过上述步骤，实现本系统运行，达到气态乙烷末站流动保障的目的。
Claims (8)
1.一种气态乙烷管道末端流动保障系统，其特征在于：包括末段埋地管道系统、末站管道系统、液相辅助接收系统和干线泄放系统，其中：
所述末段埋地管道系统包括安装于末段阀井系统下游的末段埋地管道和在末段埋地管道上设置埋地加热保温测温系统；
所述末站管道系统包括起于出土处的露空干线，以及在露空干线上依次安装的露空加热保温系统、干线截断阀、干线调节阀、露空加热保温系统和截断阀，在干线截断阀的上游和干线调节阀的下游均安装有温度变送器和压力变送器；
所述液相辅助接收系统包括从末站管道系统的干线调节阀下游的干线管道接出、并接入末站管道系统下游接入管道的缓冲分离器，在所述缓冲分离器的入口管道和出口管道上均设置截断阀，在缓冲分离器内设置液位变送器；
所述干线泄放系统包括与末段埋地管道下游连接的放空管道以及在放空管道上依次设置的加热保温系统、截断阀、调节阀和压力变送器；
在末段埋地管道上设置第一旁路球阀、第二旁路球阀、第三旁路球阀和第四旁路球阀，在第二旁路球阀和第三旁路球阀之间设置温度变送器；
所述埋地加热保温测温系统为在管道外壁预制安装的加热带、测温光纤、防腐层和保温层。
2.根据权利要求1所述的一种气态乙烷管道末端流动保障系统，其特征在于：所述旁路球阀均为常开状态，并按照50m/处间隔设置。
3.根据权利要求1所述的一种气态乙烷管道末端流动保障系统，其特征在于：所述末站管道系统的干线截断阀、干线调节阀和截断阀均为电动球阀，常开。
4.根据权利要求1所述的一种气态乙烷管道末端流动保障系统，其特征在于：所述缓冲分离器为卧式分离器，设置置换口、冲洗口和放空口，不设置液相出口，分离后的气态乙烷从出口管道排出，接入末站管道系统的下游接入管道。
5.根据权利要求1所述的一种气态乙烷管道末端流动保障系统，其特征在于：所述放空管道连接末段埋地管道的埋地部分，出土后露空敷设，允许气体流速低于15m/s；在调节阀下游安装限流孔板。
6.一种基于权利要求1所述气态乙烷管道末端流动保障系统的方法，其特征在于：包括如下内容：
步骤一、确定末段埋地管道的起始位置和管道内可能出现的最大液态乙烷体积；
步骤二、在末段埋地管道上设置保温、加热、连续式温度监测系统；同时，在末段埋地管道上，按照50m/处间隔设置末段间隔式旁路测温系统；在露空干线上设置保温、加热、温度监测和压力监测系统；
步骤三、在冬季管道停输并准备重新启动时，开启末段间隔式旁路测温系统的温度变送器和连续式温度监测系统，并接通埋地管道和露空管道的加热系统；当管道温度达到并保持预期设定温度至少8小时后，打开干线截断阀、截断阀和干线调节阀，并同时启动上游系统，气相乙烷介质进入下游处理设施；
步骤四、当部分埋地和露空段温度变送器温度或分布式温度检测系统显示的管道温度无法达到预期设定温度，并确定加热系统出现故障时，开启干线泄放系统运行5分钟后关闭；同时，在干线旁路接入缓冲分离器，通过缓冲分离器的加热和保温系统，逐渐气化积存的液相乙烷；当缓冲分离器的液位达到最低液位时，保持加热系统运行1小时，保证缓冲分离器内液相尽可能汽化，随后关闭旁路，连通干线。
7.根据权利要求6所述的气态乙烷管道末端流动保障系统的方法，其特征在于：所述开启干线泄放系统是指打开放空管道上的管路加热系统，开启截断阀，通过调节阀和限流孔板泄放埋地管道内积存的低温乙烷，促进上游管道和露空管道的内部介质流动和换热。
8.根据权利要求6所述的气态乙烷管道末端流动保障系统的方法，其特征在于：当缓冲分离器的液位超过高液位后，联锁减小干线调节阀开度，若进一步液位超过高高液位后，关闭干线截断阀，待缓冲分离器内液位由于加热汽化降低后，重新开启进气。
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