海底高壓輸氣管道泄壓分析與研究

王 東,王雪媛,鞠朋朋,陳文峰,張振鵬

海洋石油工程股份有限公司,天津 300451

為確保國家能源供給安全，渤海油氣田群作為海洋石油開發的重點區域已經進入了開發的蓬勃發展期。為響應國家“雙碳減排”的號召，作為清潔能源的天然氣開發越來越受到重視。氣田除自噴開采外有些氣田也需要進行間歇式注氣開采，以補充地層壓力，輸送高壓注氣的海底管道的流動保障問題也受到了極大的關注。當停止注氣后，為保障高壓輸氣管道的安全，需要對其進行泄壓操作，如何安全、高效、節能地泄放氣體，需要進行動態仿真模擬，分析泄壓過程中出現的低溫和水合物等流動安全問題，以確保泄壓操作順利完成[1-6]。

國內眾多學者對天然氣管道及站場放空設計的影響因素和設計方法做了大量的研究工作[7-15]，并通過專業模擬軟件進行數值建模分析[16-19]。本文以中國渤海某氣田為例，利用OLGA軟件，對比分析了泄壓到低壓海底輸氣管道和火炬放空兩種方案的可行性及優缺點，以便推薦更加安全、節能、環保的方案。

1 氣田及管道概況

此氣田位于中國渤海，包括一座井口平臺，一座中心處理平臺和兩條輸氣管道，其中一條高壓輸氣管道將中心處理平臺經脫水處理增壓后的合格干氣輸送至井口平臺注氣，另一條低壓輸氣管道將中心處理平臺經脫水處理后的合格干氣輸往陸地終端。

其中高壓輸氣管道僅每半年注氣一次，長約3 km，管徑規格為D219.1 mm×25.4 mm，天然氣輸送溫度為80℃，管道起點壓力為51 MPa，管道終點壓力為50 MPa，管道設計低溫為-39℃。低壓輸氣管道長約100 km，管徑規格為D559 mm×14.3 mm，天然氣輸送溫度38℃，管道起點壓力為6.2 MPa，管道終點壓力為3.5 MPa，埋設處的冬季最低環境溫度為5℃，夏季最高環境溫度為18℃。中心平臺上連接兩條海底管道的泄壓管道，其管徑及泄壓閥尺寸均為4 in（1 in=25.4 mm）。輸送的合格天然氣組分如表1所示。

表1 輸送的合格天然氣組分

2 泄壓到下游低壓海管

2.1 軟件建模

OLGA動態仿真模擬軟件建模見圖1。

圖1 天然氣泄壓至低壓海管的OLGA模型示意

圖1中1～3號管道為平臺上部管道，其中2號管道為泄壓管道，閥1為泄壓閥，閥2為高壓輸氣海底管道出口關斷閥。源1為高壓輸氣管道入口源，源2為低壓輸氣海底管道入口源。管網初始條件為兩條海底管道正常輸送，當高壓管道需要停產維修時，關閉閥2并切斷入口源1，待高壓海底管道壓力平衡8 h后，打開閥1進行泄壓，其開度可調范圍為0%～100%。此時由于閥1上下游的壓力差將在閥1下游產生低溫，低壓海底管道始終保持正常生產。

2.2 環境溫度對泄壓低溫的影響

模擬高壓輸氣管道分別在冬、夏季環境溫度下進行泄壓，泄壓閥瞬時開度為100%，考察環境溫度對管道內氣體溫度的影響。冬、夏季泄壓閥下游低溫對比見圖2，冬、夏季最大泄放流量和泄放時間對比見圖3，冬、夏季高壓海管進口端流體溫度對比見圖4。

圖2 冬、夏季泄壓閥下游低溫對比

圖3 冬、夏季最大泄放流量和泄放時間對比

圖4 冬、夏季高壓海管進口端流體溫度對比

從圖2～圖4可知，在放空瞬間，由于管道內平衡壓力與泄壓閥下游壓力相差較大，管內氣體瞬間膨脹成高速氣流，天然氣的焓轉化成動能，導致天然氣的溫度急劇降低[20]。冬、夏季環境溫度對膨脹低溫影響顯著。泄壓閥下游冬季低溫為-43.4℃，夏季低溫為-38.7℃。平臺泄壓管道若選用雙相不銹鋼，可滿足膨脹低溫的需求。冬、夏季最大泄放量相近且分別為38.8、37.9 kg∕s，泄壓時間均為2.5 h左右。冬、夏季高壓海管進口低溫分別為-43.3℃和-37.8℃，由于高壓海管材質為碳鋼，且最低設計溫度為-39℃，因此冬季泄壓會造成高壓海管溫度低于其設計溫度，不滿足設計要求，因此兼顧考慮作業人員操作安全方便的原則，推薦在夏季進行海管維修泄放操作。

2.3 泄壓閥開度對泄壓低溫的影響

在2.2節的結論即在夏季泄放的基礎上，調節泄壓閥的開度，以優化控制最大泄放量及低溫情況。夏季不同開度泄壓閥下游低溫對比見圖5，夏季不同泄壓閥開度時，低壓海底管道入口溫度對比見圖6，夏季不同泄壓閥開度時，最大泄放流量和泄放時間對比見圖7。

圖5 夏季不同開度泄壓閥下游低溫對比

圖6 夏季不同泄壓閥開度時低壓海底管道入口溫度對比

圖7 夏季不同泄壓閥開度時最大泄放流量和泄放時間對比

從圖5～圖7中可知，不同泄壓閥開度對泄壓閥下游低溫影響有限，而對泄放量、泄放時間以及低壓海管入口溫度的影響顯著。在不同開度（100%、10%和1%）下，泄壓閥下游低溫分別為-38.7、-38.4、-34.3℃。由于開度依次減少，泄放量依次減少，低溫擴散速度依次減小，則流經泄壓管道的流體在與環境換熱的過程中升溫加快，且與低壓海管入口流體充分混合，混合物流的溫度依次變高，分別為-27.0、-12.9、24.0℃。當泄壓閥開度100%時，低壓海管入口流體溫度為-27.0℃，接近低壓海管的設計低溫-29℃，因此不推薦在此開度下進行泄放。當開度達到10%時，泄放最大流量與開度100%時接近，但低壓海管入口流體溫度升高到-12.9℃，有效降低了泄放時產生的低溫對下游低壓海管正常輸氣的沖擊影響；同時泄放時間延長至3 h，對于現場操作也在可以接受的范圍內。當開度達到1%時，對泄壓閥的精度要求較高，不易控制，且有可能增加泄壓閥的采購成本。因此，進一步推薦控制泄壓閥在10%開度下進行泄放，即更有利于現場操作。

3 泄壓到平臺火炬系統

泄壓至火炬的OLGA動態仿真模擬軟件建模見圖8。

圖8 泄壓至火炬OLGA模型示意

當高壓管道需要停產維修時，關閉圖8中閥2并切斷入口源1，待高壓海底管道壓力平衡8h后，打開閥1進行泄壓，其開度可調范圍為0%～100%。此時由于閥1上下游的壓力差將在閥1下游產生低溫，下游火炬管網的正常操作壓力為500 kPa。夏季泄壓閥下游低溫情況見圖9。

圖9 夏季泄壓閥下游低溫

從圖9可知，泄壓閥下游低溫可以達到-90℃，需要采購價格昂貴的超低溫鋼材才能滿足低溫要求，且增加了火炬系統的泄放負荷，導致整個泄放系統的成本激增。超低溫將導致水合物形成，易在泄壓閥下游管道內形成水合物堵塞，使泄壓操作無法順利進行。與此同時，管道內大量合格氣體被直接燃燒排放，既浪費能源又排放大量二氧化碳等溫室氣體，污染了環境。因此，對比泄壓至低壓輸氣海管和泄壓至火炬系統這兩種方案，認為前者更加經濟可行。

4 結論和建議

（1）泄壓至低壓輸氣海底管道，影響其泄放低溫的因素包括環境溫度以及泄壓閥開度等，為找到切實可行且合理的泄壓方案，對影響因素進行對比分析，推薦在夏季且泄壓閥開度控制在10%的情況下進行高壓輸氣管道泄壓維修作業。

（2）泄壓至平臺火炬系統，因泄壓閥上下游壓差過大，造成火炬管網需要超低溫設計，平臺設備設施成本激增。

（3）綜合對比兩種泄壓方案，泄壓至低壓輸氣海底管道可以避免合格氣體的浪費，減少因火炬燃燒產生的溫室氣體等環境污染，降低了平臺設備設施的投資成本。基于以上優點，最終推薦采取泄壓至低壓輸氣海底管道的方案進行泄壓。