中烏天然氣管道A線繞行段天然氣置換投產(chǎn)

摘要

摘　要：中烏天然氣管道A線繞行段置換投產(chǎn)需最大程度地將臨時段管道中的天然氣導(dǎo)入A線繞行段管道。對置換和平壓過程進行工藝計算和數(shù)據(jù)模擬，確定投產(chǎn)初始壓力為0.2MPa，天然氣置

摘　要：中烏天然氣管道A線繞行段置換投產(chǎn)需最大程度地將臨時段管道中的天然氣導(dǎo)入A線繞行段管道。對置換和平壓過程進行工藝計算和數(shù)據(jù)模擬，確定投產(chǎn)初始壓力為0.2MPa，天然氣置換流速為5m/s，管內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度約12℃，節(jié)流后的溫度將降至約-31℃。根據(jù)實際置換速率的計算結(jié)果、閥后壓力的變化以及管道、設(shè)備的振動情況，調(diào)整手輪總轉(zhuǎn)數(shù)以控制流量。通過分析約束條件、上下游允許的最大停輸時間、平壓作業(yè)的最佳時機，論證了將臨時段內(nèi)的天然氣導(dǎo)入繞行段的可行性。通過對不同置換方式的工程實施方案進行比選，解決了高壓天然氣置換過程中高壓差節(jié)流、置換速率控制的難題，實現(xiàn)了臨時停輸情況下臨時段管道向繞行段管道導(dǎo)入天然氣并最終平壓的置換投產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：中烏天然氣管道；繞行段；置換投產(chǎn)；高壓差；節(jié)流；平壓

　　A線繞行段是改變原有中烏天然氣管道設(shè)計線路向西繞行至烏茲別克斯坦加茲里氣田區(qū)的一項關(guān)鍵性工程，如果不采取非常措施，按期實現(xiàn)中烏天然氣管道A線單線投產(chǎn)通氣難度極大。為此，采用了通過臨時段管道連通A線管道先實現(xiàn)投產(chǎn)，待A線繞行段具備投產(chǎn)條件后，再將其與A線管道連通，最終實現(xiàn)A線管道投產(chǎn)、臨時段管道停用的總體方案。

1 工程概況和技術(shù)難點

　　中烏天然氣管道采用雙管并行敷設(shè)和跨接管道連接方式設(shè)計，單線全長529km，管徑為1067mm，設(shè)計最大輸量300×10⁸m³/a。根據(jù)建設(shè)計劃，工程先實施A線單線投產(chǎn)，待B線建設(shè)完成并具備投產(chǎn)條件后再實施B線投產(chǎn)。中烏天然氣管道A線繞行段單線線路全長約115km，臨時段管道總長度72.5km（圖1）。臨時段管道通過No.6.1和No.6.2閥室與No.8.1和No.8.2閥室之間的跨接線將A線管道連通，實現(xiàn)了A線臨時通氣。A線通氣投產(chǎn)后，中亞管道全線僅首站運行1臺15MW壓縮機組，平均運行壓力8～9MPa，輸量600×10⁴～800萬m³/d。

　　A線繞行段投產(chǎn)采用“氣推氣（天然氣推氮氣，氮氣推空氣）”的置換方式，氮氣段前后不加隔離球。提前采用制氮車對No.6.1至No.7A.1閥室之間的管段注氮并封存，封存段氮氣壓力0.1MPa（表壓），長度29km。由于上游氣源不能停輸，A線繞行段投產(chǎn)的總體原則是在維持A線運行的同時進行A線繞行段置換投產(chǎn)作業(yè)^[1]，其技術(shù)難點表現(xiàn)在3個方面：

　?。?/span>1）為保證上游氣田和下游管道的正常運行，此次A線繞行段置換和升壓所需的天然氣將直接從A線運行管道下載。這就要求首站壓縮機組不能停機，同時要滿足首站上游約20km（位于土庫曼斯坦境內(nèi)）的外輸站壓縮機組的運行條件。

　　（2）A線繞行段投運后需要廢除臨時段管道，放空量約600萬m³，放空時間約6d。為減少放空損失和風(fēng)險，在投產(chǎn)過程中將臨時段管道內(nèi)的天然氣最大限度地導(dǎo)入A線繞行段內(nèi)。因此需要在升壓期間選擇合適時機對在運行的A線管道進行臨時停輸。停輸過程中，對首站壓縮機組的運行控制模式、停輸后影響首站壓縮機組正常運行的時間，以及臨時段與繞行段平壓需要的最大升壓流速等問題進行分析和解決，確保上下游平穩(wěn)生產(chǎn)。

（3）解決高壓差天然氣置換投產(chǎn)所面臨的各種風(fēng)險。在沒有專用流量調(diào)節(jié)設(shè)備和現(xiàn)有工藝系統(tǒng)不滿足多級降壓的條件下，由于干線平均運行壓力為8MPa，因此必須解決此高壓差下的節(jié)流降溫對閥門和管材的影響，平穩(wěn)控制天然氣置換流速、升壓速率以及閥門和管道冰堵、振動等問題。

2 工藝計算

2.1 天然氣置換壓力和流速

在置換投產(chǎn)過程中，置換速率越快，混氣越少?；诒ＷC安全的前提，經(jīng)模擬計算，繞行段投產(chǎn)初始壓力為0.2MPa，并按照0.14MPa/h的進口壓力遞增，以保持天然氣置換流速為5m/s^[2]。

2.2 節(jié)流效應(yīng)

管道任意點的氣體溫度^[2]為：

式中：Tx為任意點的氣體溫度，此處是指No.6閥室節(jié)流前的溫度，℃；T0為管道周圍介質(zhì)的溫度，即No.6閥室處的近似地溫，取12℃；T1為計算管段起點的氣體溫度，即首站的最高出站溫度，取55℃；x為首站與No.6閥室之間的距離，取145km；K為管道內(nèi)的氣體與土壤的總傳熱系數(shù)，取1.745W/（m²℃）^[3]；G為氣體的相對密度，取0.726；cp為氣體的定壓比熱容，在 9MPa下的定壓比熱容為1750J/（kg℃）；Q為首站進口氣體的流量，取600萬m³/d；D為管道外徑，取1.067m。

根據(jù)上式計算得到No.6閥室上游管道的溫度變化趨勢（圖2）。Tx＝12.02℃，即No.6閥室處管內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度約12℃，與該處地溫一致。

由于距離較遠(yuǎn)，輸量較小，管內(nèi)的氣體流速僅為0.70～0.75m/s，導(dǎo)致No.6閥室處管道內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度與地溫基本相同。

根據(jù)天然氣壓力每降低1MPa，溫度降低約5.5℃的經(jīng)驗值，當(dāng)天然氣壓力由8.0MPa通過一級節(jié)流降至0.2MPa（置換初始壓力）時，節(jié)流前管內(nèi)天然氣的溫度為12℃，節(jié)流后溫度將降至約-31℃。

2.3 節(jié)流截止閥的特性曲線模擬

No.6閥室的旁通和放空截止閥均采用FJ41Y-600節(jié)流截止放空閥，根據(jù)廠家提供的該閥滿足流量、壓差的開度范圍，模擬壓差為8～0.2MPa的節(jié)流特性曲線（圖3）。在（30～80）萬m³/h的流量條件下，FJ41Y型節(jié)流截止閥的流道直徑、開啟高度行程、手輪開啟的轉(zhuǎn)數(shù)與通過流量呈線性關(guān)系。當(dāng)手輪開啟5.8轉(zhuǎn)時，通過流量將達到30萬m³/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出置換投產(chǎn)期間的控制流量；當(dāng)手輪每開啟0.5轉(zhuǎn)時，通過流量將增加5萬m³/h。

模擬曲線僅為置換投產(chǎn)操作參考，在實際置換操作過程中，為保證安全，可根據(jù)實際情況按照1/4轉(zhuǎn)的開啟方式逐步開啟節(jié)流截止閥的手輪，在0.2MPa初始壓差條件下，可保持手輪總轉(zhuǎn)數(shù)1～2轉(zhuǎn)不變，隨后根據(jù)實際置換速率的計算結(jié)果、閥后壓力的變化以及管道、設(shè)備的振動情況調(diào)整手輪總轉(zhuǎn)數(shù)以控制適當(dāng)范圍的通過流量。

3 臨時段天然氣導(dǎo)入繞行段的可行性

3.1 約束條件

中亞天然氣管道霍爾果斯末站的進站壓力不低于7.1MPa；該管道首站出站壓力不超過9.81MPa，進站壓力不超過7.1MPa，否則將嚴(yán)重影響上游供氣。通過對中烏天然氣管道首站的運行調(diào)整，保證土庫曼斯坦阿姆河氣田外輸站壓縮機組的正常運行。

3.2 上下游允許的最大停輸時間

根據(jù)中亞天然氣管道霍爾果斯末站的進站壓力7.5MPa和出口流量700萬m³/h的工況進行模擬計算，No.8.2閥室關(guān)閉36h后，霍爾果斯末站進站壓力降到7.1MPa（圖4），即No.8.2閥室關(guān)閉36h后將影響到下游正常運行。

根據(jù)No.6.2閥室前段管道平均壓力8MPa和中烏管道首站進口流量600萬m³/h的工況進行模擬計算，在首站壓縮機組不停機的情況下，No.6.2閥室關(guān)閉約6h后，該閥室上游管道平均壓力達到9MPa；約11h后，該閥室上游管道平均壓力達到9.8MP（a圖5）經(jīng)過計算得出，約9h后，首站壓縮機組因出口壓力達到9.8MPa而停機，進而使阿姆河氣田外輸站壓縮機組停機，影響上游的正常運行。為了安全起見，可以按No.6.2閥室上游管道平均壓力達到9MPa時的6h作為平壓作業(yè)的實施時間。

3.3 平壓作業(yè)的最佳時機

按照15萬m³/h和20萬m³/h的升壓速率，從繞行段整體升壓至3MPa開始，計算完全平壓所需要的時間，得出繞行段初始壓力、升壓速率和時間之間的關(guān)系曲線（圖6）。繞行段升壓至4.5MPa后，按照20萬m³/h的升壓速率，完全平壓需要5.5h；在繞行段升壓至5.2MPa后，按照15萬m³/h的升壓速率，完全平壓需要6h。為確保升壓盡快完成，同時考慮安全因素和計算誤差，選擇在繞行段升壓至4.5MPa作為進氣平壓點。

4 方案優(yōu)選與實施

　　4.1 方案1

　　在No.6.1閥室，采用GLV0611節(jié)流截止閥直接從8MPa壓力進行一級節(jié)流至置換初始壓力0.2MPa，對A線繞行段進行天然氣置換和升壓。

　　該方案的優(yōu)點是不需要進行任何工藝改造，但存在以下缺點：節(jié)流處天然氣流速過快，最大流速可能達到214m/s，會造成管道和設(shè)備損壞；由于閥門是普通碳鋼材料，最低耐溫為-29℃，根據(jù)上述節(jié)流效應(yīng)的分析，節(jié)流后的溫度可能會達到-31℃，低溫可能導(dǎo)致閥門出現(xiàn)冷脆特性而損壞；由于安裝在首站的在線水露點檢測儀檢測到的平均水露點約為-23℃，節(jié)流后的天然氣溫度低于水露點值，因此低溫將導(dǎo)致游離水快速形成，造成閥門冰堵，導(dǎo)致設(shè)備損壞和投產(chǎn)失?。还?jié)流處上下游管道劇烈振動，存在事故風(fēng)險；一旦現(xiàn)場操作和控制不當(dāng)，容易造成置換流速過快，可能使天然氣穿透純氮氣段，并與空氣、氮氣混合形成爆炸性混合氣體，存在事故隱患^[1]。雖然可以考慮利用高功率電伴熱帶或蒸汽車等加熱裝置對節(jié)流處進行加熱，但因現(xiàn)場不具備相應(yīng)條件且很難驗證該措施的有效性，而且節(jié)流處管道和設(shè)備的振動問題很難解決，因此該方案不可行。

　　4.2 方案2

　　全線不降壓，采取臨時停輸?shù)姆绞?，關(guān)閉No.6.2和No.8.2閥室干線截斷閥，通過兩個閥室的放空管道放空臨時段管存天然氣，將臨時管道壓力降至4.0MPa后，停止放空，再利用CL.8跨接線的旁通球閥進行流量控制，利用臨時段管存天然氣對A線繞行段進行天然氣置換。

　　該方案的優(yōu)點是作業(yè)安全性較好，不必全線降壓停輸。缺點是臨時停輸放空、置換需用3d時間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上游生產(chǎn)允許的9h時限；即使在規(guī)定時間內(nèi)能夠完成置換，在對繞行段升壓時仍會遇到高壓差節(jié)流、振動等問題；需用跨接線旁通球閥節(jié)流，但這易造成球閥損壞，從而對后續(xù)B線動火連頭造成較大危險。因此，該方案亦不可行。

　　4.3 方案3

　　對No.6閥室進行工藝改造，增加二級節(jié)流，通過兩級降壓解決節(jié)流降溫和振動問題。利用DN300管道將兩閥室的放空口進行連接（圖7藍(lán)色線條部分），并加裝2個注氮閥，加裝1臺節(jié)流截止放空閥GLV0623和1個壓力表。為解決節(jié)流造成的振動對放空管道的影響，在GLV0612和GLV0622節(jié)流截止放空閥之間的放空管道加裝壓重塊，然后回填并夯實。

　　該方案的置換流程：中烏管道A線來氣經(jīng)過CL.7跨接線后，一路通過GHV0621干線截斷閥利用臨時段管道向下游繼續(xù)供氣，另一路通過閥門BV0621、GLV0621、GLV0622、GLV0623、GLV0612、BV0612向繞行段進氣置換。

置換操作步驟：根據(jù)PI0623和PI0612壓力表的讀數(shù)，利用節(jié)流截止放空閥的特性曲線，通過對GLV0621、GLV0622、GLV0623節(jié)流截止放空閥的聯(lián)合控制操作，保持GLV0623前后壓差在3～4MPa之間，確保GLV0623和GLV0622共同分擔(dān)節(jié)流降壓，同時，根據(jù)實際置換速率聯(lián)合控制該組閥門的開度，保持5m/s的天然氣置換速率。平壓操作步驟：待繞行段升壓至4.5MPa時，打開BV0622，關(guān)閉No.6.2和No.8.2閥室干線截斷閥，關(guān)閉BV0621和GLV0621，中烏管道臨時停輸，臨時段開始向繞行段進氣平壓。平壓結(jié)束后，打開BV0621和GLV0621，關(guān)閉BV0622，通過初始升壓流程將A線來氣導(dǎo)入繞行段繼續(xù)進行升壓，升壓完畢后，打開No.6.1和No.6.2閥室干線截斷閥，繞行段完成投產(chǎn)。

經(jīng)過3種方案比選，采用方案3投產(chǎn)后，成功實現(xiàn)了A線繞行段管道的按期投產(chǎn)，并與中烏天然氣管道A線貫通運行。繞行段與臨時段平壓作業(yè)使臨時段管道壓力下降約1.5MPa，在降低了放空風(fēng)險的同時，減少了天然氣放空的經(jīng)濟損失。A線繞行段置換投產(chǎn)技術(shù)和工藝改造方案成功實施后，又成功地應(yīng)用到B線管道的投產(chǎn)，也創(chuàng)造了9MPa壓差下長輸天然氣管道置換投產(chǎn)的新紀(jì)錄。