混輸海底管道進站調壓閥安裝位置的影響分析

李鵬程，江志華，王 軍，張文欣

中海油研究總院有限責任公司，北京 100028

海上凝析氣田生產的油氣產物多采用氣液混輸管道輸送至陸上終端[1]。陸上終端設有氣液分離、天然氣凈化和脫水、凝液回收、凝析油脫水與穩定等設施，將海上油氣處理成合格產品后銷售至下游用戶。陸上終端作為連接上游生產平臺與下游用戶的一個重要紐帶，為下游用戶提供壓力平穩、氣質達標的天然氣[2]。登陸管道內多相流動引起進站壓力波動，造成終端內油氣處理設施運行不穩定，向下游用戶供氣的氣質發生快速變化，引起對氣質要求嚴格的用戶的合同糾紛[3]。

混輸海底管道進站壓力需由下游用戶需求以及終端內處理工藝確定，穩定的進站壓力方能使終端向下游用戶提供安全、平穩、連續的供氣[4]。進站壓力調節閥作為壓力控制的重要元件，通過終端內跟蹤調節工況的控制系統，控制調節閥門開度大小實現節流，使進站壓力保持平穩，從而達到控制天然氣壓力穩定的目的，若超出設計的最高壓力值，系統會自動關閥進行保護[5-6]。因此，合理的調壓閥設置對于保證終端向下游用戶供氣的氣質、氣量穩定與裝置穩定運行具有重要意義。

1 進站調壓閥安裝位置影響分析

凝析天然氣混輸海底管道輸送的氣體雖干凈而且液量比較少，但清管時往往產生嚴重的段塞，正常操作和清管過程液體流量差別很大，在終端常設置管式段塞流捕集器作為進站一級分離器，以有效地進行氣液分離，并在清管作業時發揮臨時儲存器的緩沖作用，為下游處理裝置提供穩定的氣液流量[7-8]。

進站調壓閥通常位于段塞流捕集器的上游或下游，安裝位置將影響終端內段塞流捕集器設計壓力的確定及清管作業過程中終端對下游用戶的連續供氣性質，合理的安裝位置既能保證系統下游設備不超壓，又能維持向下游用戶正常供氣。此外，終端內管式段塞流捕集器容積大，占地面積大，投資高，適當的段塞流捕集器設計壓力將有助于降低工程投資，提高油田開發效益[9]。

1.1 進站調壓閥位于段塞流捕集器上游

當終端下游用戶對氣量與氣質要求不高，例如下游為民用類用戶，清管過程中終端內生產設施的運行波動對此類用戶的影響可忽略，此時建議調壓閥設置于段塞流捕集器上游，其工藝流程如圖1所示。

圖1 進站調壓閥安裝于段塞流捕集器上游的工藝流程

1.1.1 段塞流捕集器最大操作壓力的確定

因下游用戶對氣量和氣質的供應未有嚴格要求，此時段塞流捕集器主要發揮氣液分離和清管儲液功能。調壓閥作為壓力分界點，因海底管道關斷閥開啟時閥后管路需充壓至接近海底管道關停后的平衡壓力，因此調壓閥上游設備最大操作壓力為海底管道停止輸氣后的平衡壓力，調壓閥下游段塞流捕集器最大操作壓力依據終端用戶需求壓力及終端內工藝流程壓降確定，即海底管道輸送時的進站壓力[10]。段塞流捕集器的設計壓力將以最大操作壓力為基礎，按GB150.1～150.4—2011《壓力容器》確定。

輸氣管道停止輸氣后，進出口關斷，管道內壓力不會象輸油管道輸油時那樣立刻減小，由于存在氣體密度差，高壓端的氣體將逐漸流向低壓端，起點壓力逐漸下降，終點壓力逐漸上升，最后全線達到某壓力值，即海底管道關斷后的平衡壓力[11]。平衡壓力計算如下：

式中：Ppj為管道關停后平衡壓力，kPa；PQ為管道起點壓力，kPa；PZ為管道終點壓力，kPa。

1.1.2 清管作業對下游用戶的影響分析

在氣液混輸管道清管過程中，由于氣液滑移速度的存在，在清管器前產生很大液體段塞[12]。當液體段塞進入段塞流捕集器后，會引起捕集器內液位快速上升，壓力下降，此時安裝于段塞流捕集器的入口調壓閥將盡可能調大開度直至全開。但此時由于段塞持續時間長，進入段塞流捕集器內氣體量持續減少，終端向下游用戶的供氣量會大幅下降，并且段塞流捕集器內壓力的減小導致段塞流捕集器氣相出口氣質中重組分增多[13]。當段塞流捕集器氣相出口流量下降到終端天然氣處理設施的最小處理能力時，終端將開啟站內循環操作模式，而無法繼續向下游用戶供氣。

1.2 進站調壓閥位于段塞流捕集器下游

部分終端用戶對氣量和氣質要求嚴格，如海南東方終端下游用戶有化學公司與甲醇廠，其對氣質的二氧化碳含量以及熱值有嚴格要求，組分的較大波動有可能導致生產裝置緊急關停[14]。裝置一旦關停，恢復正常生產周期長、難度大。對于此類終端，在登陸管道清管過程中，需嚴格控制終端設備的操作，盡可能減小對下游用戶生產的影響，以免引起合同糾紛，此時建議調壓閥設置于段塞流捕集器下游，其工藝流程如圖2所示。

圖2 進站調壓閥安裝于段塞流捕集器下游工藝流程

1.2.1 段塞流捕集器最大操作壓力確定

因用戶對氣量和氣質均有嚴格要求，段塞流捕集器除具有氣液分離和臨時儲液功能外，還需在清管過程中發揮氣體儲存器緩沖作用，為下游處理裝置提供穩定氣液流量[15]。

段塞流捕集器位于進站調壓閥上游，其最大操作壓力首先要滿足海底管道關停后的平衡壓力。此外，捕集器在清管段塞到達時還需向下游穩定持續供氣，以滿足下游用戶最小氣量要求，因此在清管前需對段塞流捕集器充壓[16]。段塞流捕集器充壓壓力計算如下：

式中：Pf為段塞流捕集器充壓壓力，kPa；QG1為下游用戶最小原料氣需求量，m3/s；QG2為清管段塞到達時管道出口最小輸氣量，m3/s；V為段塞體積，m3；t為段塞持續時間，s；QL為終端凝析油最大處理能力，m3/s。

下游用戶原料氣最小需求量QG1為：

式中：Q1為下游用戶用氣量需求，m3/s；Q2為終端脫酸損失的氣量，m3/s；Q3為終端脫水損失的氣量，m3/s；Q4為終端轉為輕烴的氣量，m3/s；Q5為原料氣處理過程損失的其他氣量，m3/s。

段塞流捕集器最大操作壓力取海底管道關停后的平衡壓力與清管作業前段塞流捕集器需充壓壓力的較大值。

1.2.2 清管作業對下游用戶的影響分析

當清管段塞進入段塞流捕集器后，會引起液面不斷上升，并將捕集器內儲存的高壓氣體排出，以保障下游用戶的最小氣量需求。因調壓閥位于段塞流捕集器下游，并且取壓點在閥后，因此清管段塞到達終端時生產壓力穩定，可向下游用戶提供穩定氣質。最小供應氣量高于終端設備最低處理能力，無需開啟站內循環模式，保證了下游用戶在清管時的最低用氣需求。

1.3 調壓閥安裝位置的影響分析對比

根據以上分析研究，調壓閥安裝位置對段塞流捕集器最高操作壓力的確定、清管段塞到達時終端的操作及下游用戶供氣的影響對比見表1。

表1 調壓閥安裝位置的影響分析對比

2 結論

進站調壓閥安裝在段塞流捕集器下游可有效保障向終端用戶供氣的氣質和氣量；安裝在段塞流捕集器上游可降低段塞流捕集器最大操作壓力，優化工程投資。不同的安裝位置也將對清管過程中終端操作模式調整有較大影響，應結合陸地終端裝置運營模式、下游用戶供氣要求以及項目投資等因素綜合分析研究。