天然氣低溫分離系統低溫安全性分析及應用

梁德熾,符參,汪建明

1.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司 （廣東 湛江 524057）2.湛江市凱天工程技術服務有限公司 （廣東 湛江 524057）

1 概況

文昌氣田CEP平臺生產系統中的天然氣屬于易燃易爆物品，容易發生泄漏、中毒、火災及爆炸事故，造成很大的危害和社會影響[1]。為防止此類事故的發生，對低溫分離系統的安全性進行分析，排除其在生產運行中存在的安全隱患，并采取有效的防范措施，確保低溫分離系統的安全有效運行。將低溫安全分析方法與具體生產工藝相結合，對文昌氣田CEP平臺低溫分離系統進行低溫安全性分析。

文昌氣田CEP平臺低溫分離系統設置了一套處理能力為165×104m3/d的低溫分離裝置，主要工藝是將三甘醇系統脫水后的天然氣，經過J-T閥節流降壓后分離出天然氣中的重烴組分，將合格的干氣輸送至干氣壓縮機進行外輸，另一部分為平臺發電提供燃料氣。

低溫分離系統由關斷閥SDV-2701、2702、2703間的設備、管線、閥門、儀表和附件組成，形成一個關斷隔離的系統（圖1）。系統內的主要設備有低溫分離器V-2702、換熱器E-2702、換熱器E-2703和換熱器E-2704，設計參數見表1。系統的放空閥門（BDV）位于低溫分離器罐體（V-2702）上，用于緊急工況時的放空操作。

2 CEP平臺低溫分離系統現狀分析

2.1 低溫分離系統的運行現狀

圖1 文昌氣田CEP平臺低溫分離系統流程圖

表1 低溫分離系統主要設備對照表

因鉆后氣藏數據發生變化，導致天然氣外輸熱值不符合外輸合同要求，經現場操作將低溫分離器操作溫度由-2.5℃降至-12.5℃，以脫除更多的重烴。此時，經過工藝模擬計算，調低操作溫度的后果是放空時由于節流降壓的作用，會造成低溫分離系統溫度急劇降低至原設計溫度以下。因此，無法確定低溫分離系統中所有設備、管系及儀器是否滿足其應急放空時的安全性。需要對低溫分離系統進行低溫安全性分析及評估，判斷降低操作溫度后，現有設備、管系及儀器是否滿足安全性要求，以及對上下游各管系的影響。

2.2 資料準備及低溫安全性分析的目的

2.2.1 基礎資料的準備

1）建設方提供審批通過的工藝、配管、儀器儀表等相關專業的設計文件和完工文件。

2）生產部門提供此工況下的壓力、溫度、流量、組分等相關數據。

2.2.2 低溫安全性分析目的

1）分析低溫分離系統設計方案的合理性。

2）分析建造施工過程中的準確性及安全性[2]。

3）分析低溫分離系統在生產運行中的安全可靠性[2]。

4）對生產過程中各環節可能遇到的如區域火災、緊急放空工況等突發性問題進行分析。

3 低溫安全性分析

3.1 緊急泄放安全要求

系統的壓力泄放是一個動態過程，在泄放過程中，系統的壓力、溫度、泄放量、組分等都會隨時間而變化。傳統的方法只能用經驗公式對泄壓設備的尺寸進行估算，計算結果比較保守，且不能反映系統溫度、壓力的變化。Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等流程模擬軟件提供了模擬壓力泄放過程的工具，不僅可以計算泄壓裝置的尺寸，而且可以準確描述泄放過程中系統壓力、溫度、泄放量隨時間的變化，有助于低溫分離系統低溫安全性的分析工作。

BDV（blowdown valve）是緊急關斷系統相關閥門，目的是在緊急事故（如火災）下安全泄放系統內的氣體，使系統內壓力降低。根據APIRP521中有關泄放的規定，要求在安全閥起跳之前，在火災發生15 min內將系統內的壓力降低690 kPa或者操作壓力的50%（取最小值），這樣即使設備發生火災事故，也不會發生爆炸。

模擬計算時，擬按照冷態泄放工況（非火災工況）對系統減壓泄放進行工藝模擬計算。在模擬計算時，環境溫度取海域最低氣溫13℃，用于模擬計算系統內介質的最低溫度、容器最小壁溫等參數。

3.2 工藝模擬計算評估

3.2.1 基礎數據分析

1）通過核查低溫分離系統相關的設計文件和完工文件，并結合現場實測的最新數據進行整理，以此作為建立模型分析的基礎數據（表2）。參照15 min內將系統內的壓力降低690 kPa的工藝條件進行模擬計算。

表2 低溫分離系統入口組分數據

2）環境溫度對天然氣管道的影響因素。①管道內介質的影響。當天然氣組分發生改變或壓力、溫度等物性發生改變，都會引起管道內介質物性發生改變，從而改變管壁與管內天然氣間的熱量交換[3]。②管道外部環境的影響。架設在海面上的管道將受到海面與平臺環境對其內外溫度的不同影響。③管材材質的影響。材質不同的管道物性參數不同，其內外之間傳熱性也不相同。例如雙向不銹鋼（S31803）具有高強度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗強腐蝕能力。與316L和317L奧氏體不銹鋼相比，它的熱膨脹系數更低，導熱性更高。因此，在環境溫度選取時，需要考慮處于最低或最高溫度狀態時管道外部環境與管道外壁的換熱量，包括不同材質的管道，其傳熱系數不同導致換熱速度不同，引起對周圍環境的輻射散熱量和太陽、空氣等對管道的輻射換熱量。

3.2.2 低溫分離器模型搭建

低溫分離系統所用的流程模擬軟件為HYSYS V10，熱力學方程選用PR方程，用于計算氣液平衡數據，而Lee Kesler方法用于計算模型中焓值，其他熱力學性質和傳遞性質取軟件默認值。

基于低溫分離系統的PFD圖紙，在HYSYS V10軟件中建立計算模型，搭建工藝流程模擬圖（圖2）。當BDV泄放時，系統的最低溫度應出現在BDV閥前后以及低溫分離器CEP-V-2702處。模擬計算將重點針對BDV前后和低溫分離器處的最低溫度和壓力的變化。

參考海油文昌CEP平臺低溫分離系統文件中設備數據表、管線一覽表及ISO圖，計算出低溫分離系統的體積及重量，并在HYSYS V10軟件建模時，選取實測的組分數據、流量、溫度及壓力數據輸入模型開展模擬計算。得到JT閥(PV2704)后模擬計算值為-10.22℃，現場實測的JT閥(PV2704)后溫度監測點（TIT-2704）的溫度為-11.08℃。比對JT閥（PV2704）后溫度的計算結果和實測結果，存在0.86℃的誤差（表3）。

考慮現場測試儀表的精度及物料數據和監測數據的非同時性造成的誤差，可認為模型及物料數據的選取基本合理。

圖2 HYSYS V10搭建工藝流程模擬圖

表3 低溫分離系統現場運行數據

3.2.3 模擬計算分析

基于提供數據，模擬現場實際操作狀態，假定此時發生BDV泄放，采用HYSYS V10進行動態模擬。根據模擬計算結果可以看出，BDV閥前后和低溫分離器處的溫度壓力變化(圖3)。

通過以上分析，可看出隨著系統操作溫度的降低，BDV泄放時，系統極限低溫越低，節流閥閥后溫度也越低。BDV泄放后冷效應越明顯，系統溫度就越低，低溫分離器內氣體溫度隨著泄放時間先逐漸降低，再慢慢升高。

圖3 BDV泄放時罐內氣體、管壁溫度和壓力隨時間變化

針對系統設計溫度，將對模擬計算結果分別從低溫分離系統的最低金屬壁溫、氣相溫度兩個方面進行分析。模擬計算結果，在低溫分離器入口溫度-15℃工況下BDV泄放時，文昌氣田CPE平臺低溫分離器隨著壓力降低系統溫度顯示呈下降趨勢，罐內氣體最低溫度為-37℃，罐內壁液體溫度隨時間慢慢降低，但是整體降低幅度較小，其最低罐內壁溫度約為-24℃，均未超過設計低溫（-40℃），在此操作工況（-12.5℃）下是安全的。

3.3 材料的低溫適用性

根據目前生產工況，現場操作BDV閥緊急泄放時，氣體快速釋放產生壓力降，加上管道保溫絕熱減少過程中產生的溫度降低，根據現場實測得出天然氣管道內壓力每降低1 MPa，溫度約降低5～6℃[4]。以BDV閥緊急泄放時外輸管線降至極限溫度為條件，根據ASTM A370和ASTM E23-18試驗方法對低溫分離系統中各類容器、管系、儀表等材料及焊縫區域進行了韌脆轉變溫度試驗[4]。試驗結果表明，該材料母材和焊縫在試驗溫度范圍內，隨著溫度降低，材料的沖擊平均值隨之降低（表4）。拉伸試驗中，抗拉強度和屈服強度隨著溫度的降低有明顯的升高，滿足材料的低溫特性；材料的延伸率和斷面收縮率隨著溫度的變化，比較穩定。

根據ASME A923標準要求，材料的母材S31803和熱影響區在-40℃最小沖擊能54 J，焊縫金屬為-40℃下最小沖擊能為34 J。試驗測試結果表明，使用的材料在所有溫度下的沖擊功均大于54 J，表現出良好的沖擊韌性[1]。

3.4 管道應力計算評估

3.4.1 管道應力分析的目的

1）確定管系的應力水平在采用的規范（ASME31.3）允許的應力范圍內。

2）確定管道支吊架類型和定位。

表4 雙相不銹鋼理化試驗檢測結果對照表

3）對重要管架提供管道作用荷載數據，對管架、固定架、導向架和管道限位架等進行設計。

4）防止由于過載或疲勞造成的管道或支架的破壞。

5）法蘭泄漏。

6）防止設備管口荷載過大。

3.4.2 輸入設計參數

1）涉及到的管道常規參數。

2）低溫低應力工況下的管道參數。

3）地震加速度。

4）風荷載。

5）材料的特性。

3.4.3 計算結果分析

計算得出的一次應力、二次應力值應小于許用應力范圍；設備管口的荷載應在允許的范圍內；管道的應力水平在允許的應力范圍內[5-7]。

通過對低溫分離系統操作溫度-40～70℃的調整，重新進行了管道應力分析計算，可以得出低溫分離系統的管道應力在標準的許用范圍內，低溫低應力下的應力比滿足標準的要求（表5）。

表5 管道應力計算結果

4 結束語

根據現有的設計文件、竣工資料、通用標準、材料參數及試驗結果對低溫分離系統各類焊接區域的材料進行了安全適用性評估，同時進行了工藝泄放模擬計算和管道應力分析計算。低溫分離系統在-15℃的操作工況下，可以安全使用，但日常需要對壓力、溫度加強監測和控制，以避免極限低溫出現，對材料性能產生影響。全面、細致地分析低溫分離系統，為天然氣處理工藝設備安全性分析過程提供依據，從而確保天然氣生產安全平穩運行。