液體硫黃管道輸送工藝要點與模擬技術探討

陳俊文 黃永勃 邊文娟 高 飛 黃 靜 涂多運

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油工程建設有限公司海灣地區公司, 阿布扎比 阿聯酋 127345

0 前言

隨著油氣開發不斷發展,含硫天然氣處理技術日益成熟,極大推動了含硫氣田的開發[1-5]。由于大氣污染控制標準日益提高,同時相關工業對硫黃需求旺盛,因此硫黃產品回收成為天然氣凈化工藝中的關鍵部分[6-13]。硫酸工業是硫黃的最大供應目標,相比固體硫黃交易,液體硫黃輸送可省去上游硫黃固化和下游硫黃再熔的投資和運行費用,且具有運輸效率高、粉塵污染少等特點,因此在技術可行的前提下,可優先應用。另外,受處理廠總體規劃與擴建的影響,硫黃回收單元(廠)與成型單元(廠)的間距可能達到數千米,這也對液體硫黃輸送提出了要求。目前,液體硫黃輸送主要包括槽車運輸和管道運輸。相比槽車運輸,管道運輸具有操作連續、儲罐需求低、介質保溫性能穩定、社會影響小等優點,適合長期連續生產。對于液體硫黃管道輸送,GB/T 2449.2-2015《工業硫黃 第2部分:液體產品》[11]中對液體硫黃的運輸和貯存進行了關于貯存溫度的總體要求,部分學者亦對液體硫黃管道輸送技術有所探討,主要涉及輸送泵選型、輸送加熱與絕熱、介質安全分析等方面。另外,關于液體硫黃管道輸送工藝技術,部分文獻進行了較為概括的說明[14-19],但具體的輸送工藝計算和分析技術卻鮮有報道。因此,鑒于液體硫黃黏溫特性、凝固點、介質密度等性質與普通液烴的顯著差異,有必要對液體硫黃管道輸送技術要點和軟件模擬技術進行探討和分析,為相關液體硫黃管道項目提供工藝分析參考與借鑒。

1 液體硫黃特性

硫黃在常溫下呈固體狀態,可分為塊狀和粉狀。當硫黃溫度達到熔點時,成為熔融的液體狀態。固態單質硫分子由環狀結構的8個硫原子組成。在較低溫度下,其晶體結構呈斜方形,當溫度達到約368 K時,斜方形硫逐漸轉變為在較高溫度下穩定的斜形硫。當溫度上升至388～392 K時,單斜形硫逐漸熔化而轉變為液態硫。

液態硫凝固點為113～119℃,受溫度影響密度約為1 700～1 800 kg/m3,黏性過渡溫度為159℃。其黏度隨溫度升高呈“先下降,再陡增”的趨勢,見圖1。常壓下,其沸點為444.6℃。為保證輸送安全,在進入管道前,需對液體硫黃進行脫氣處理。

圖1 液體硫黃黏溫曲線

2 液體硫黃管道輸送關鍵工藝分析

液體硫黃在管道輸送中,可采取工藝控制措施,保證其在管道中維持低黏度液體狀態,嚴格防止介質在輸送過程中固化。鑒于液體硫黃物理性質,考慮安全裕量,一般將輸送溫度設置在130℃以上;為防止溫度過高引起的黏度陡增及微量溶解氣體逸出,最高輸送溫度不得高于140℃。同時,由于液體硫黃管道輸送屬于液體輸送,因此需進一步考慮液體輸送中的穩態與動態分析問題。具體而言,液體硫黃管道關鍵工藝設計特點包括:伴熱系統工藝、絕熱系統工藝、停輸泄放工藝和水力系統工藝。

2.1 伴熱系統工藝

由于液體硫黃輸送溫度較高,允許溫度變化范圍較小,因此輸送過程中需采用伴熱+絕熱模式,即通過伴熱系統提供熱能,彌補沿途的熱量損失,保證介質溫度處于設計范圍內。目前,常用的伴熱系統包括蒸汽伴熱和電伴熱兩種,前者對伴熱介質的供給與處理要求較高,且管道型式較為復雜,只適合站內短距離管道;后者又分為變功率電熱帶系統和集膚效應伴熱系統,通過伴熱帶發熱或集膚效應發熱對管道進行伴熱。集膚效應伴熱系統與普通電伴熱相比的最大特點是伴熱溫度高、功率密度大,單電源伴熱長度可達30 km,更加適用于長距離、大口徑、伴熱要求高的液體輸送管道。

伴熱系統工藝設計主要為伴熱系統功率設計,即滿足管道熱量補償量,同時考慮系統安全運行的冗余。熱量補償量應通過管道絕熱計算的管道散熱量(W/m)獲得,為降低伴熱系統故障對液體硫黃管道運行的影響,需在絕熱設計中將管道的散熱量控制在較低數值。

2.2 絕熱系統工藝

絕熱系統是液體硫黃管道工藝設計的核心,保溫材料要求密度小、機械強度大、導熱因子小、化學性能穩定,能在工作溫度下長期使用,蒸汽伴管伴熱的保溫管道宜選用硬質或半硬質圓形保溫材料制品,在被伴熱管和保溫層之間形成一個加熱空間,如選用軟質保溫材料則應在伴熱管和保溫層之間加鐵絲網以保證加熱空間。在軟質材料施工過程中,不能用保溫材料填充加熱空間,否則會大大降低伴熱效果。

由于液體硫黃管道的特殊性,不適用經濟厚度算法,應按照前文所述規定最大散熱量的方式進行絕熱層厚度及選材設計。計算方法可參照GB 50264-2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》執行[20]。

另外,管道的支撐也是絕熱設計的關鍵,部分在運的液態硫黃管道在管道支撐處發生了較大的熱量損失。

2.3 停輸泄放工藝

液體硫黃管道在停產后,雖然絕熱層可保證液體硫黃溫度在一定時間內高于其凝固點溫度,但一旦停輸時間過久,硫黃存在固化的可能;同時,若電伴熱系統發生故障,即使正常輸量下管道絕熱層可保證介質到達末點時仍保持液相,但可能在低輸量情況下,管道沿程散熱量增大,導致介質無法順利到達末點。因此,液體硫黃管道在出現上述工況時,推薦在管道沿途低點處設置液硫坑,盡快且最大程度地排出管道內尚未冷卻的液體硫黃,避免液體硫黃凝固后在再融化過程中發生危險。

2.4 水力系統工藝

液體硫黃管道水力系統設計是確定泵型、管道設計壓力和操作指導的基礎。類似于輸油管道設計方法,液體硫黃管道水力分析應在選擇合適計算手段的前提下,結合邊界條件(壓力、溫度和輸量),開展穩態水力、熱力分析和動態水擊分析。由于液體硫黃凝固點較高,泄放裝置設置困難,因此其設計壓力應能滿足極端工況下的壓力需求。

由此可見,與距離極短的廠內液體硫黃管道相比,液體硫黃外輸管道對水力、熱力分析要求極高,因此這也是除伴熱系統和絕熱系統外液體硫黃外輸管道設計的要點。

由于流速過快將直接影響液體硫黃管道內靜電積聚、管道水擊壓力和管道壓損等問題因此液體硫黃管道可參照液相烴類管道設計思路確定適中流速,均衡管道輸送效率與極端壓力控制。

3 工藝軟件與模型建立

鑒于液體硫黃的介質相態、黏溫特性(凝固點至黏性過渡點)、膨脹性能和牛頓流體等特點,結合液體硫黃管道水力分析要求,綜合輸油管道工藝計算手段,選擇TLNET作為硫黃管道工藝計算軟件,該軟件不需要編寫任何程序,界面友好,操作方便,在液相烴類管道模擬中應用廣泛。同時,該軟件具有較為強大的虛擬組分模擬功能,通過用戶輸入液相流體在不同溫度下的密度、黏度、熱容、體積模量、熱膨脹系數等參數,能夠虛擬制作對應液相流體(適用溫度宜在輸入溫度范圍內),并代入模型進行計算、分析。

由于軟件中沒有預設液體硫黃組分,因此需進行虛擬組分添加,以模擬液體硫黃的輸送性質。具體步驟如下:

1)選擇列表式性質輸入窗口。

2)輸入不同的液體硫黃黏度-溫度特征值,擬合形成黏溫曲線。

3)輸入不同的液體硫黃體積模量-溫度-黏度特征值,擬合形成體積模量曲線。

4)輸入不同的液體硫黃熱容-溫度特征值,擬合形成熱容曲線。

5)輸入不同的液體硫黃熱膨脹系數-溫度-密度特征值,擬合形成熱膨脹系數曲線。

由此可以建成液體硫黃組分。

進一步按照常規液相管道建模方式,依次輸入管道信息、高程信息、邊界條件和環境信息,完成液體硫黃管道穩態水力分析建模。

同時,針對動態分析對液體硫黃管道的重要性,增加泵、球閥等引起水擊效應的元件,設定元件動作指令,完成動態模型建立。

4 算例分析

某液體硫黃管道長度10 km,管徑DN 300,輸量為12 000 t/d,硫黃回收裝置液硫池介質溫度控制在138℃,通過液下泵輸送進入外輸管道。為控制管道散熱率低于60 W/m,管道絕熱層為75 mm珍珠巖和63 mm聚氨酯。管道露空敷設,大氣溫度為5℃。模型計算中,不考慮電伴熱對管道介質的伴熱效果。管道沿程最高點高程為170 m,末點高程為120 m,管道出口壓力需保證管道最高點維持正壓,因此管道末點壓力取為0.9 MPa。管道沿程地形見圖2。

圖2 管道高程-里程圖

4.1 穩態分析

本例中,管道沿程穩態輸送壓降、溫降線見圖3。

圖3 液體硫黃管道沿程壓降

由圖3可見,由于液體硫黃整體黏度較小,因此管道壓降不高;在管道絕熱層的保溫作用下,流動過程中溫降較小,即使不考慮電伴熱的作用,在正常輸送條件下,管道也可在末點位置保證正常流動,其溫度高于凝固點。

利用TLNET軟件,提取沿程介質密度、黏度,見圖4。

圖4 液體硫黃管道沿程密度、黏度

由圖4可見,隨沿程溫度降低,介質密度與黏度均發生一定程度增大,表明本文所建模型能夠實時計算介質在不同溫度下的關鍵參數,進一步說明了模型的可靠性。

圖5 不同輸量下液體硫黃管道沿程壓降

圖6 不同輸量下液體硫黃管道沿程溫降

在實際運行中,一旦電伴熱發生失效或管道停輸,液體硫黃管道應立即進行安全排液操作,避免再熔過程中發生危險。

4.2 動態分析

應用TLNET軟件模擬液體硫黃管道輸送,可以進行動態水擊分析,為管道安全設計提供定量參數。

模擬管道末點進廠閥門關閉下的管道內壓力變化趨勢,閥門關閉時間為12 s,液下泵在閥門全部關閉時開啟關停動作。管道沿程壓力動態模擬結果見圖7。

圖7 液體硫黃管道沿程壓力-最高壓力(水擊)

由圖7可見,在閥門關閉后,管道末點壓力從 0.9 MPa 升至3.3 MPa。這種壓力波動主要由兩部分組成,一部分為閥門關閉引起的水擊壓力,一部分為上游泵延時關閉引起的充裝壓力。在正常輸送狀態下,管道的流速為1.1 m/s左右,而泵的充裝時間也并非太長,一般情況下,普通烴類在對應工況下產生的水擊壓力不超過1 MPa,為定量模擬這種情況,取相同體積流量的凝析油管道進行對比說明,見圖8。

圖8 凝析油管道沿程壓力-最高壓力(水擊)

由圖8可見,相同體積流量的凝析油管道,在穩態末點壓力與液體硫黃管道相同的情況下,水擊引起的末點壓力升高約0.7 MPa,遠低于液體硫黃管道的末點壓力升高值(2.4 MPa)。在經典的水擊壓力計算公式中,由于流速變化引起的水擊壓力Δp與流速變化值Δv、水擊波傳播速度a、介質密度ρ三者成正比,而水擊波傳播速度a又與管道材料、介質密度ρ等相關,尤其與介質密度ρ的平方根成反比,因此,綜合而言,引起這種問題的根源在于液體硫黃具有較高的密度(約1 700 kg/m3)。

綜上所述,在動態分析中可知,與常規液烴管道相比,液體硫黃管道可能產生較高的水擊壓力,這對管道設計壓力的選取提出了更高的要求,也進一步說明了建立液體硫黃管道模型對分析液體硫黃輸送流動特性的重要性。通過動態分析,可進一步掌握液體硫黃管道工藝特點,為更周全考慮液硫管道安全設計提供參考。

5 結論和建議

1)液體硫黃管道的輸送溫度較高,管道伴熱、絕熱和排液設計是管道工藝設計的基礎,實際液體硫黃輸送工程中建議采用集膚效應電伴熱為核心的伴熱系統,同時配套成熟先進的溫度檢測控制系統、保溫系統及支撐絕熱系統,以保障輸送安全。

2)TLNET軟件兼具穩態和動態分析功能,且能夠自行創建液體硫黃組分,滿足液體硫黃管道工藝分析要求。

3)液體硫黃管道穩態輸送時溫降、壓降規律與普通液烴管道溫降、壓降規律類似,由于與環境溫差較大,溫降線近似呈直線形態;介質黏度、密度等參數隨溫度變化而改變,進一步說明TLNET軟件對液體硫黃輸送模擬的可靠性。

4)液體硫黃管道水擊升壓高于相同條件下普通烴類管道,主要是其密度相對較大引起的,需在具體工藝設計中重點考慮水擊保護問題。