CN116164224A - 一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统和方法。本发明方法包括如下步骤：将CO2低温泄放罐内充满氮气或伴生气，使其内压力高于大气压；海上平台高压CO2体系发生泄放时，将泄放气体排放至泄放管汇，然后进入CO2低温泄放罐，避免干冰生成，最后通过连接于CO2低温泄放罐出口上的气相出口管线泄放。本发明系统主要包括：泄放管汇、CO2低温泄放罐和泄放主路管线；海上平台高压CO2体系与泄放管汇相连接；CO2低温泄放罐的入口和出口分别设置入口管线和气相出口管线；CO2低温泄放罐通过其中一入口管线与通入氮气或伴生气的管线相连接；通过另一入口管线与泄放管汇相连接。本发明在使时提高二氧化碳泄放最低温度，不会产生过低温度和干冰。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程领域，涉及一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统和方法。
背景技术
国内海上油田尚无二氧化碳驱应用先例，海上平台二氧化碳泄放的安全控制系统或方法未见相关研究和报导。紧急工况下二氧化碳压缩机或注入泵泄放时，节流效应将产生低温和干冰(即固态二氧化碳)，而由于海上平台空间受限、设备布置紧凑、人员相对密集，将对海上平台安全带来极大挑战。
二氧化碳驱油的注气压力一般为20～50MPa，当在较高压力下泄放时，如不加以控制，可达到零下90多摄氏度的低温，而生成干冰，而干冰的气化潜热较高，升华进而造成周围环境降温。陆地油田通常是将泄放管线引至远离生产、生活区的位置进行泄放，并手动控制泄压阀来调整泄放速度，以避免过低温度，即使泄放过程中出现低温和干冰，只要选用低温管材，不会对生产安全带来较大影响。但海上平台集成度较高，可能带来以下危害：放空管线生成干冰，堵塞管线；干冰喷射散落造成人员伤害；干冰升华造成周围环境温度骤降，危害人员安全并对周围非低温设备管线造成伤害；生成固体干冰后，泄放扩散效率大幅降低，在平台周边易形成高浓度二氧化碳区域，可能造成人员窒息。
因此，海上需采取必要措施控制高压二氧化碳体系泄放过程中产生干冰。
发明内容
本发明的目的是提供一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制方法。
本发明在使紧急工况下二氧化碳压缩机或注入泵泄放时，提高二氧化碳泄放最低温度，不会产生过低温度和干冰；从而降低海上平台泄放过程中的安全风险，优化放空管线高度。
本发明提供了一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制方法，包括如下步骤：将CO2低温泄放罐内充满氮气或伴生气，使其内压力高于大气压；海上平台高压CO2体系发生泄放时，将泄放气体排放至所述泄放管汇，然后进入所述CO2低温泄放罐，避免干冰生成，最后通过连接于所述CO2低温泄放罐出口上的气相出口管线泄放。
本发明中，所述泄放管汇的作用是汇集流程中泄放的二氧化碳或高含二氧化碳伴生气；
低温泄放罐是立式压力罐，主要作用有：(1)提供泄放背压，避免产生低温和干冰；(2)提供更多缓冲容积和加热空间，以实现更充分的加热；(3)及时排放因泄放低温生成的天然气凝液和冷凝水。
上述的干冰控制方法中，所述CO2低温泄放罐内充满氮气或伴生气的压力为500～1000kPa；提高泄放背压可大幅提高泄放过程中的最低温度，500～1000kPa的背压基本可将泄放最低温度控制在-50℃以上，从而避免干冰生成；同时，海上平台的氮气系统又可满足该压力，无需增设新的高压气源。
所述泄放管汇中泄放气体进入所述CO2低温泄放罐的泄放背压为500～1000kPa。
上述的干冰控制方法中，所述海上平台高压CO2体系包括所述CO2注入泵、CO2压缩机、注气管汇和含CO2伴生气工艺系统中的至少一种。
上述的干冰控制方法中，所述CO2低温泄放罐内设置气体加热器或在罐体外及所述气相出口管线包裹电伴热(所述电伴热可选用本领域高功率的电伴热)，用于加热所述泄放气体，抑制冰生成；并且提供缓冲容积和加热空间，以实现更充分的加热，进一步提高干冰抑制效果。
上述的干冰控制方法中，为了实现干冰控制过程自动化，避免人为主观因素带来的不确定性，进行了如下设置：
所述CO2低温泄放罐的入口管线设置温度控制器，用于监测所述入口管线内泄放气体温度，所述泄放气体温度低于-40℃时将启动所述气体加热器或所述电伴热；
通入所述氮气或伴生气的维压管线上设置入口定压阀，用于维持所述CO2低温泄放罐内压力；
所述CO2低温泄放罐的气相出口管线设置出口定压阀或压力调节阀；
所述CO2低温泄放罐的气相出口管线上设置低温报警装置，在产生低于-50℃的过低温度时提前发出警报，操作人员可选择手动暂停泄放。
本发明中，定压阀是自动控制阀，所述CO2低温泄放罐内压力如超出设定压力，所述入口定压阀将自动关闭，所述出口定压阀自动打开，来放掉一部分气，直到罐内压力恢复到设定点时，所述入口定压阀和所述出口定压阀都将关闭，完成定压控制；如罐内压力低于设定压力，所述入口定压阀将打开，让氮气或伴生气补充进来，同时关闭所述出口定压阀，也就是所述氮气或伴生气只进不出，来达到提高压力到设定点的作用。
上述的干冰控制方法中，当所述气相出口管线发生堵塞时，所述CO2低温泄放罐内泄放气体将通过泄放旁路管线泄放；
所述泄放旁路管线设置于所述气相出口管线的两端之间，用于所述气相出口管线上的所述出口定压阀或压力调节阀发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
所述泄放旁路管线上设置压力高高联锁、快开蝶阀和爆破片。
本发明还提供了一种用于上述的干冰控制方法的海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统，包括：泄放管汇、CO2低温泄放罐和泄放主路管线；
海上平台高压CO2体系与所述泄放管汇相连接，用于海上平台高压CO2体系发生泄放时，将所述海上平台高压CO2体系的泄放气体排放至所述泄放管汇；
所述CO2低温泄放罐的入口和出口分别设置入口管线和气相出口管线；
所述CO2低温泄放罐通过其中一所述入口管线与通入氮气或伴生气的管线相连接，以在正常情况下充满氮气或伴生气；通过另一所述入口管线与所述泄放管汇相连接，使所述泄放管汇中泄放气体进入所述CO2低温泄放罐；
所述泄放主路管线包括所述气相出口管线和放空臂，所述CO2低温泄放罐内泄放气体经所述气相出口管线通过放空臂排放；
所述CO2低温泄放罐底部设置天然气凝液、冷凝水排放管线，用于排出天然气凝液、冷凝水。
上述的干冰控制系统中，所述海上平台高压CO2体系包括CO2注入泵或压缩机、注气管汇、含CO2伴生气工艺系统；
所述CO2低温泄放罐内设置气体加热器或在罐体外及所述气相出口管线包裹电伴热，用于加热所述泄放气体，抑制干冰生成；
与通入氮气或伴生气的管线相连接的所述入口管线上设置入口定压阀；
所述气相出口管线上设置出口定压阀或压力调节阀。
上述的干冰控制系统中，与所述泄放管汇相连接的所述入口管线上设置温度控制器；
所述温度控制器，用于监测所述入口管线内泄放气体温度，低于-40℃时将启动所述气体加热器或所述电伴热，加热所述CO2低温泄放罐内和/或所述出口管线内的气体；
所述气相出口管线上设置低温报警装置，用于检测到温度低于-50℃设定值时提前发出警报，操作人员选择手动暂停泄放。
上述的干冰控制系统中，所述的干冰控制系统还包括泄放旁路管线；
所述泄放旁路管线设置于所述气相出口管线的两端之间，用于所述气相出口管线上的所述出口定压阀或压力调节阀发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
所述泄放旁路管线上设置压力高高联锁、快开蝶阀和爆破片。
本发明中，一旦出口管线上的所述出口定压阀或压力调节阀发生堵塞，或阀门故障失效无法打开，所述CO2低温泄放罐的压力将积聚提高，所述泄放旁路管线入口的3选2压力高高仪表会检测到异常高压，进而发送信号给所述快开蝶阀并将其打开，此时泄放流体可通过快开蝶阀通路泄放；如所述快开蝶阀失效也未能及时打开，所述CO2低温泄放罐的压力会继续升高，直到达到所述爆破片设定点并将其爆破形成通路，进而泄放流体通过备用所述泄放旁路管线实现放空。
本发明由于采用上述方案，具有以下优点：
1、提高泄放背压可有效提高二氧化碳泄放过程中的最低温度，从而避免干冰生成，降低海上平台泄放安全风险；
2、根据模拟计算，该方法相比提高初始泄放温度、降低初始压力、多级节流，能更有效地避免过低温度发生；
3、相比常规的通过人为控制泄压阀来调整泄放速度的方式，该方法更加可靠，避免人为主观因素带来的不确定性；
4、对于高含二氧化碳的高压天然气系统，需设置紧急泄放阀(BDV)，该阀在紧急泄放时无法通过人为控制泄压阀来调整泄放速度，该方法能够解决该类系统泄放的干冰问题；
5、系统的主要设备为立式低温泄放罐，设备少、占地面积小，符合海上平台工艺紧凑化要求；
6、低温泄放罐提供了缓冲容积和加热空间，能够使加热更加充分，相比在管道上设置加热器升温效果更好；
7、设置该系统后，可使二氧化碳泄放相对独立，避免大量二氧化碳进入平台的闭排和火炬系统，或可降低闭排和火炬系统选材等级。
附图说明
图1为本发明海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统的示意图。
图2为本发明实施例表1中工况2的温度曲线。
图中各标记如下：
1泄放管汇；2CO2注入泵或压缩机；3CO2注气管汇；4含CO2伴生气工艺系统；5CO2低温泄放罐；6通入氮气或伴生气的管线；7入口定压阀；8温度控制器；9气体加热器；10泄放主路管线；11低温报警装置；12出口定压阀或压力调节阀；13放空臂；14泄放旁路管线；15三选二压力高高仪表；16快开蝶阀；17爆破片；18天然气凝液、冷凝水排放管线。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本技术方案，下面将结合实施例中的附图对本发明进行进一步说明，所述的实施例内容非对本发明的限定。
如图1所示，为本发明海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统的示意图。它包括：泄放管汇1、CO2低温泄放罐5和泄放主路管线10；
海上平台高压CO2体系与泄放管汇1相连接，用于海上平台高压CO2体系发生泄放时，将海上平台高压CO2体系的泄放气体排放至泄放管汇1；
CO2低温泄放罐5的入口和出口分别设置入口管线和气相出口管线；
CO2低温泄放罐5通过其中一入口管线与通入氮气或伴生气的管线6相连接，以在正常情况下充满氮气或伴生气；通过另一入口管线与泄放管汇1相连接，使泄放管汇1中泄放气体进入CO2低温泄放罐5；
泄放主路管线10包括气相出口管线和放空臂13，CO2低温泄放罐5内泄放气体经气相出口管线通过放空臂13排放。
进一步地，海上平台高压CO2体系包括CO2注入泵或压缩机2、CO2注气管汇3、含CO2伴生气工艺系统4中的至少一种；
CO2低温泄放罐5内设置气体加热器9或在罐体外及气相出口管线包裹电伴热，用于加热所述泄放气体，抑制干冰生成；
与通入氮气或伴生气的管线6相连接的入口管线上设置入口定压阀7；
气相出口管线上设置出口定压阀或压力调节阀12。
进一步地，与泄放管汇1相连接的入口管线上设置温度控制器8；
温度控制器8，用于监测入口管线内泄放气体温度，低于-40℃时将启动气体加热器或电伴热；
气相出口管线上设置低温报警装置11，用于检测到温度低于-50℃设定值时提前发出警报，操作人员选择手动暂停泄放。
进一步地，CO2低温泄放罐5底部设置天然气凝液、冷凝水排放管线18。
进一步地，当气相出口管线(即泄放主路管线10)发生堵塞时，干冰控制系统还包括泄放旁路管线14泄放；
泄放旁路管线14设置于气相出口管线的两端之间，用于气相出口管线上的出口定压阀或压力调节阀或压力调节阀12发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
泄放旁路管线14上设置压力高高联锁(具体可为三选二压力高高仪表15)、快开蝶阀16和爆破片17。
一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制方法，包括如下步骤：
(1)在正产情况下，将CO2低温泄放罐内充满氮气/伴生气，使其内压力高于大气压，优选，CO2低温泄放罐内充满氮气/伴生气的压力为500～1000kPa；
(2)海上平台高压CO2体系(包括CO2注入泵、CO2压缩机、注气管汇和含CO2伴生气工艺系统中的至少一种)发生泄放时，由于罐内压力较高，因此为泄放气体提供了较高的背压。如表1中高压二氧化碳泄放过程模拟研究发现，对比工况1和2，二氧化碳含量越高，最低温度会更低，但影响不是很大；对比工况2、3、4，二氧化碳含量较高，且限流孔板尺寸较小时，初始温度和压力对最低温度和干冰是否生成影响不大；对比工况3和4，初始压力对高峰泄放量影响较大，但对最低温度和干冰是否生成影响不大；对比工况4和5，调整限流孔板尺寸，有利于提高最低流体温度；对比工况2和6，泄放提高背压，明显提高泄放温度，泄放量较低，并抑制干冰生成。
因此，500～1000kPa的背压基本可将泄放最低温度控制在-50℃以上，从而避免干冰生成；将泄放气体排放至泄放管汇，然后进入CO2低温泄放罐，避免干冰生成，最后通过连接于CO2低温泄放罐出口上的气相出口管线泄放。
进一步地，CO2低温泄放罐内设置气体加热器，用于加热泄放气体，抑制干冰生成；并且提供缓冲容积和加热空间，以实现更充分的加热，进一步提高干冰抑制效果。
进一步地，CO2低温泄放罐的入口管线设置温度控制器，用于检测入口管线内泄放气体温度；检测到过低温度，将启动罐内的气体加热器或罐出口管线的高功率电伴热，加热罐内和管线内的气体，避免形成干冰堵塞下游泄放管线；
通入氮气或伴生气的管线上设置入口定压阀，用于维持CO2低温泄放罐内压力；
CO2低温泄放罐的气相出口管线设置出口定压阀或压力调节阀；
CO2低温泄放罐的气相出口管线上设置低温报警装置，如果检测到过低温度将提前发出警报，操作人员可选择手动暂停泄放。
进一步地，CO2低温泄放罐内泄放气体还通过泄放旁路管线泄放；泄放旁路管线上设置压力高高锁、快开蝶阀和爆破片；
泄放旁路管线设置于气相出口管线的两端之间，用于气相出口管线上的定压阀或压力调节阀发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
一旦出口管线上的出口定压阀或压力调节阀12发生堵塞，或阀门故障失效无法打开，CO2低温泄放罐的压力将积聚提高，泄放旁路入口的3选2压力高高仪表会检测到异常高压，进而发送信号给快开蝶阀并将其打开，此时泄放流体可通过快开蝶阀通路泄放；如快开蝶阀失效也未能及时打开，低温泄放罐的压力会继续升高，直到达到爆破片设定点并将其爆破形成通路，进而泄放流体通过备用泄放旁路实现放空。
表1高压二氧化碳泄放过程模拟结果汇总
Claims (10)
1.一种海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制方法，包括如下步骤：将CO2低温泄放罐内充满氮气或伴生气，使其内压力高于大气压；海上平台高压CO2体系发生泄放时，将泄放气体排放至所述泄放管汇，然后进入所述CO2低温泄放罐，避免干冰生成，最后通过连接于所述CO2低温泄放罐出口上的气相出口管线泄放。
2.根据权利要求1所述的干冰控制方法，其特征在于，所述CO2低温泄放罐内充满氮气或伴生气的压力为500～1000kPa；
所述泄放管汇中泄放气体进入所述CO2低温泄放罐的泄放背压为500～1000kPa。
3.根据权利要求1或2所述的干冰控制方法，其特征在于，所述海上平台高压CO2体系包括所述CO2注入泵、CO2压缩机、注气管汇和含CO2伴生气工艺系统中的至少一种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的干冰控制方法，其特征在于，所述CO2低温泄放罐内设置气体加热器或在罐体外及所述气相出口管线包裹电伴热，用于加热所述泄放气体，抑制干冰生成。
5.根据权利要求4所述的干冰控制方法，其特征在于，所述CO2低温泄放罐的入口管线设置温度控制器，用于监测所述入口管线内泄放气体温度，所述泄放气体温度低于-40℃时将启动所述气体加热器或所述电伴热；
通入所述氮气或伴生气的维压管线上设置入口定压阀，用于维持所述CO2低温泄放罐内压力；
所述CO2低温泄放罐的气相出口管线设置出口定压阀或压力调节阀；
所述CO2低温泄放罐的气相出口管线上设置低温报警装置。
6.根据权利要求5所述的干冰控制方法，其特征在于，当所述气相出口管线发生堵塞时，所述CO2低温泄放罐内泄放气体将通过泄放旁路管线泄放；
所述泄放旁路管线设置于所述气相出口管线的两端之间，用于所述气相出口管线上的出口定压阀或压力调节阀发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
所述泄放旁路管线上设置压力高高联锁、快开蝶阀和爆破片。
7.一种用于权利要求1-6中任一项所述的干冰控制方法的海上平台高压二氧化碳体系泄放的干冰控制系统，其特征在于，包括：泄放管汇、CO2低温泄放罐和泄放主路管线；
海上平台高压CO2体系与所述泄放管汇相连接，用于海上平台高压CO2体系发生泄放时，将所述海上平台高压CO2体系的泄放气体排放至所述泄放管汇；
所述CO2低温泄放罐的入口和出口分别设置入口管线和气相出口管线；
所述CO2低温泄放罐通过其中一所述入口管线与通入氮气或伴生气的管线相连接，以在正常情况下充满氮气/伴生气；通过另一所述入口管线与所述泄放管汇相连接，使所述泄放管汇中泄放气体进入所述CO2低温泄放罐；
所述泄放主路管线包括所述气相出口管线和放空臂，所述CO2低温泄放罐内泄放气体经所述气相出口管线通过放空臂排放；
所述CO2低温泄放罐底部设置天然气凝液、冷凝水排放管线。
8.根据权利要求7所述的干冰控制系统，其特征在于，所述海上平台高压CO2体系包括CO2注入泵、压缩机、注气管汇、含CO2伴生气工艺系统；
所述CO2低温泄放罐内设置气体加热器或在罐体外及所述气相出口管线包裹电伴热，用于加热所述泄放气体，抑制干冰生成；
与通入氮气或伴生气的管线相连接的所述入口管线上设置入口定压阀；
所述气相出口管线上设置出口定压阀或压力调节阀。
9.根据权利要求7或8所述的干冰控制系统，其特征在于，与所述泄放管汇相连接的所述入口管线上设置温度控制器；
所述温度控制器，用于监测所述入口管线内泄放气体温度，所述泄放气体温度低于-40℃时将启动所述气体加热器或所述电伴热；
所述气相出口管线上设置低温报警装置。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的干冰控制系统，其特征在于，所述的干冰控制系统还包括泄放旁路管线；
所述泄放旁路管线设置于所述气相出口管线的两端之间，用于所述气相出口管线上的所述出口定压阀或压力调节阀发生堵塞或故障失效无法打开时泄放气体；
所述泄放旁路管线上设置压力高高联锁、快开蝶阀和爆破片。
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