天然氣低溫分離系統(tǒng)低溫安全性分析及應(yīng)用

梁德熾,符參,汪建明

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

1 概況

文昌氣田CEP平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)中的天然氣屬于易燃易爆物品，容易發(fā)生泄漏、中毒、火災(zāi)及爆炸事故，造成很大的危害和社會(huì)影響[1]。為防止此類事故的發(fā)生，對(duì)低溫分離系統(tǒng)的安全性進(jìn)行分析，排除其在生產(chǎn)運(yùn)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(tǒng)的安全有效運(yùn)行。將低溫安全分析方法與具體生產(chǎn)工藝相結(jié)合，對(duì)文昌氣田CEP平臺(tái)低溫分離系統(tǒng)進(jìn)行低溫安全性分析。

文昌氣田CEP平臺(tái)低溫分離系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)脫水后的天然氣，經(jīng)過J-T閥節(jié)流降壓后分離出天然氣中的重?zé)N組分，將合格的干氣輸送至干氣壓縮機(jī)進(jìn)行外輸，另一部分為平臺(tái)發(fā)電提供燃料氣。

低溫分離系統(tǒng)由關(guān)斷閥SDV-2701、2702、2703間的設(shè)備、管線、閥門、儀表和附件組成，形成一個(gè)關(guān)斷隔離的系統(tǒng)（圖1）。系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè)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(shè)計(jì)參數(shù)見表1。系統(tǒng)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(shí)的放空操作。

2 CEP平臺(tái)低溫分離系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 低溫分離系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀

圖1 文昌氣田CEP平臺(tái)低溫分離系統(tǒng)流程圖

表1 低溫分離系統(tǒng)主要設(shè)備對(duì)照表

因鉆后氣藏?cái)?shù)據(jù)發(fā)生變化，導(dǎo)致天然氣外輸熱值不符合外輸合同要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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?zé)N。此時(shí)，經(jīng)過工藝模擬計(jì)算，調(diào)低操作溫度的后果是放空時(shí)由于節(jié)流降壓的作用，會(huì)造成低溫分離系統(tǒng)溫度急劇降低至原設(shè)計(jì)溫度以下。因此，無法確定低溫分離系統(tǒng)中所有設(shè)備、管系及儀器是否滿足其應(yīng)急放空時(shí)的安全性。需要對(duì)低溫分離系統(tǒng)進(jìn)行低溫安全性分析及評(píng)估，判斷降低操作溫度后，現(xiàn)有設(shè)備、管系及儀器是否滿足安全性要求，以及對(duì)上下游各管系的影響。

2.2 資料準(zhǔn)備及低溫安全性分析的目的

2.2.1 基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)備

1）建設(shè)方提供審批通過的工藝、配管、儀器儀表等相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)文件和完工文件。

2）生產(chǎn)部門提供此工況下的壓力、溫度、流量、組分等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.2 低溫安全性分析目的

1）分析低溫分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性。

2）分析建造施工過程中的準(zhǔn)確性及安全性[2]。

3）分析低溫分離系統(tǒng)在生產(chǎn)運(yùn)行中的安全可靠性[2]。

4）對(duì)生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)可能遇到的如區(qū)域火災(zāi)、緊急放空工況等突發(fā)性問題進(jìn)行分析。

3 低溫安全性分析

3.1 緊急泄放安全要求

系統(tǒng)的壓力泄放是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在泄放過程中，系統(tǒng)的壓力、溫度、泄放量、組分等都會(huì)隨時(shí)間而變化。傳統(tǒng)的方法只能用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)泄壓設(shè)備的尺寸進(jìn)行估算，計(jì)算結(jié)果比較保守，且不能反映系統(tǒng)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(jì)算泄壓裝置的尺寸，而且可以準(zhǔn)確描述泄放過程中系統(tǒng)壓力、溫度、泄放量隨時(shí)間的變化，有助于低溫分離系統(tǒng)低溫安全性的分析工作。

BDV（blowdown valve）是緊急關(guān)斷系統(tǒng)相關(guān)閥門，目的是在緊急事故（如火災(zāi)）下安全泄放系統(tǒng)內(nèi)的氣體，使系統(tǒng)內(nèi)壓力降低。根據(jù)APIRP521中有關(guān)泄放的規(guī)定，要求在安全閥起跳之前，在火災(zāi)發(fā)生15 min內(nèi)將系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低690 kPa或者操作壓力的50%（取最小值），這樣即使設(shè)備發(fā)生火災(zāi)事故，也不會(huì)發(fā)生爆炸。

模擬計(jì)算時(shí)，擬按照冷態(tài)泄放工況（非火災(zāi)工況）對(duì)系統(tǒng)減壓泄放進(jìn)行工藝模擬計(jì)算。在模擬計(jì)算時(shí)，環(huán)境溫度取海域最低氣溫13℃，用于模擬計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的最低溫度、容器最小壁溫等參數(shù)。

3.2 工藝模擬計(jì)算評(píng)估

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

1）通過核查低溫分離系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和完工文件，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最新數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以此作為建立模型分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（表2）。參照15 min內(nèi)將系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低690 kPa的工藝條件進(jìn)行模擬計(jì)算。

表2 低溫分離系統(tǒng)入口組分?jǐn)?shù)據(jù)

2）環(huán)境溫度對(duì)天然氣管道的影響因素。①管道內(nèi)介質(zhì)的影響。當(dāng)天然氣組分發(fā)生改變或壓力、溫度等物性發(fā)生改變，都會(huì)引起管道內(nèi)介質(zhì)物性發(fā)生改變，從而改變管壁與管內(nèi)天然氣間的熱量交換[3]。②管道外部環(huán)境的影響。架設(shè)在海面上的管道將受到海面與平臺(tái)環(huán)境對(duì)其內(nèi)外溫度的不同影響。③管材材質(zhì)的影響。材質(zhì)不同的管道物性參數(shù)不同，其內(nèi)外之間傳熱性也不相同。例如雙向不銹鋼（S31803）具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗強(qiáng)腐蝕能力。與316L和317L奧氏體不銹鋼相比，它的熱膨脹系數(shù)更低，導(dǎo)熱性更高。因此，在環(huán)境溫度選取時(shí)，需要考慮處于最低或最高溫度狀態(tài)時(shí)管道外部環(huán)境與管道外壁的換熱量，包括不同材質(zhì)的管道，其傳熱系數(shù)不同導(dǎo)致?lián)Q熱速度不同，引起對(duì)周圍環(huán)境的輻射散熱量和太陽(yáng)、空氣等對(duì)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(tǒng)所用的流程模擬軟件為HYSYS V10，熱力學(xué)方程選用PR方程，用于計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù)，而Lee Kesler方法用于計(jì)算模型中焓值，其他熱力學(xué)性質(zhì)和傳遞性質(zhì)取軟件默認(rèn)值。

基于低溫分離系統(tǒng)的PFD圖紙，在HYSYS V10軟件中建立計(jì)算模型，搭建工藝流程模擬圖（圖2）。當(dāng)BDV泄放時(shí)，系統(tǒng)的最低溫度應(yīng)出現(xiàn)在BDV閥前后以及低溫分離器CEP-V-2702處。模擬計(jì)算將重點(diǎn)針對(duì)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(tái)低溫分離系統(tǒng)文件中設(shè)備數(shù)據(jù)表、管線一覽表及ISO圖，計(jì)算出低溫分離系統(tǒng)的體積及重量，并在HYSYS V10軟件建模時(shí)，選取實(shí)測(cè)的組分?jǐn)?shù)據(jù)、流量、溫度及壓力數(shù)據(jù)輸入模型開展模擬計(jì)算。得到JT閥(PV2704)后模擬計(jì)算值為-10.22℃，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的JT閥(PV2704)后溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)（TIT-2704）的溫度為-11.08℃。比對(duì)JT閥（PV2704）后溫度的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，存在0.86℃的誤差（表3）。

考慮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表的精度及物料數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的非同時(shí)性造成的誤差，可認(rèn)為模型及物料數(shù)據(jù)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(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.2.3 模擬計(jì)算分析

基于提供數(shù)據(jù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作狀態(tài)，假定此時(shí)發(fā)生BDV泄放，采用HYSYS V10進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)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(tǒng)操作溫度的降低，BDV泄放時(shí)，系統(tǒng)極限低溫越低，節(jié)流閥閥后溫度也越低。BDV泄放后冷效應(yīng)越明顯，系統(tǒng)溫度就越低，低溫分離器內(nèi)氣體溫度隨著泄放時(shí)間先逐漸降低，再慢慢升高。

圖3 BDV泄放時(shí)罐內(nèi)氣體、管壁溫度和壓力隨時(shí)間變化

針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度，將對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果分別從低溫分離系統(tǒng)的最低金屬壁溫、氣相溫度兩個(gè)方面進(jìn)行分析。模擬計(jì)算結(jié)果，在低溫分離器入口溫度-15℃工況下BDV泄放時(shí)，文昌氣田CPE平臺(tái)低溫分離器隨著壓力降低系統(tǒng)溫度顯示呈下降趨勢(shì)，罐內(nèi)氣體最低溫度為-37℃，罐內(nèi)壁液體溫度隨時(shí)間慢慢降低，但是整體降低幅度較小，其最低罐內(nèi)壁溫度約為-24℃，均未超過設(shè)計(jì)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(jù)目前生產(chǎn)工況，現(xiàn)場(chǎng)操作BDV閥緊急泄放時(shí)，氣體快速釋放產(chǎn)生壓力降，加上管道保溫絕熱減少過程中產(chǎn)生的溫度降低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出天然氣管道內(nèi)壓力每降低1 MPa，溫度約降低5～6℃[4]。以BDV閥緊急泄放時(shí)外輸管線降至極限溫度為條件，根據(jù)ASTM A370和ASTM E23-18試驗(yàn)方法對(duì)低溫分離系統(tǒng)中各類容器、管系、儀表等材料及焊縫區(qū)域進(jìn)行了韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明，該材料母材和焊縫在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度降低，材料的沖擊平均值隨之降低（表4）。拉伸試驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(wěn)定。

根據(jù)ASME A923標(biāo)準(zhǔn)要求，材料的母材S31803和熱影響區(qū)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(yàn)測(cè)試結(jié)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(xiàn)出良好的沖擊韌性[1]。

3.4 管道應(yīng)力計(jì)算評(píng)估

3.4.1 管道應(yīng)力分析的目的

1）確定管系的應(yīng)力水平在采用的規(guī)范（ASME31.3）允許的應(yīng)力范圍內(nèi)。

2）確定管道支吊架類型和定位。

表4 雙相不銹鋼理化試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)照表

3）對(duì)重要管架提供管道作用荷載數(shù)據(jù)，對(duì)管架、固定架、導(dǎo)向架和管道限位架等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(shè)備管口荷載過大。

3.4.2 輸入設(shè)計(jì)參數(shù)

1）涉及到的管道常規(guī)參數(shù)。

2）低溫低應(yīng)力工況下的管道參數(shù)。

3）地震加速度。

4）風(fēng)荷載。

5）材料的特性。

3.4.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得出的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力值應(yīng)小于許用應(yīng)力范圍；設(shè)備管口的荷載應(yīng)在允許的范圍內(nèi)；管道的應(yīng)力水平在允許的應(yīng)力范圍內(nèi)[5-7]。

通過對(duì)低溫分離系統(tǒng)操作溫度-40～70℃的調(diào)整，重新進(jìn)行了管道應(yīng)力分析計(jì)算，可以得出低溫分離系統(tǒng)的管道應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)的許用范圍內(nèi)，低溫低應(yīng)力下的應(yīng)力比滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求（表5）。

表5 管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)文件、竣工資料、通用標(biāo)準(zhǔn)、材料參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)低溫分離系統(tǒng)各類焊接區(qū)域的材料進(jìn)行了安全適用性評(píng)估，同時(shí)進(jìn)行了工藝泄放模擬計(jì)算和管道應(yīng)力分析計(jì)算。低溫分離系統(tǒng)在-15℃的操作工況下，可以安全使用，但日常需要對(duì)壓力、溫度加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和控制，以避免極限低溫出現(xiàn)，對(duì)材料性能產(chǎn)生影響。全面、細(xì)致地分析低溫分離系統(tǒng)，為天然氣處理工藝設(shè)備安全性分析過程提供依據(jù)，從而確保天然氣生產(chǎn)安全平穩(wěn)運(yùn)行。