王玉柱 陳 歡 張新慶 孫鳳枝 趙建彬 王軍偉

中國石油塔里木油田公司油氣工程研究院, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

乙烷是乙烯生產中十分重要的原料。據(jù)統(tǒng)計,2016年世界范圍內乙烷占乙烯生產原材料的比重已達36%,預計到2021年將上升至40%[1]。新疆某盆地有豐富的凝析氣資源,乙烷體積含量達5%～8%,具備乙烷回收價值。

大規(guī)模乙烷輸運可采用管道輸送和大型輪船輸送[2]。某油田正籌備建設乙烷回收廠和乙烯廠,兩廠相距約125 km，乙烷回收廠乙烷生產規(guī)模為76×104t/a,因此某油田乙烷回收廠與乙烯廠之間乙烷輸送方式為管道輸送。乙烷物性參數(shù)與相態(tài)特征有別于一般的天然氣和原油[3],同時國內尚未建成長距離乙烷管道(國外已建乙烷管道超過1 000 km，不同國家管道建設方式不同，其中美國以液相管道為主、澳大利亞以氣相管道為主)[4-13],因此有必要對乙烷不同相態(tài)輸送方案進行分析研究。本文主要針對乙烷氣相、液相、超臨界三種管道輸送方式進行OLGA模擬研究[14]。

1 乙烷物性參數(shù)

乙烷是一種常溫、常壓下無色無味的氣相烷烴,熔點-183.23 ℃(三相點),沸點-88.6 ℃,閃點-64.84 ℃,燃點514.84 ℃,臨界溫度32.24 ℃,臨界壓力4.88 MPa,液相相對密度約0.45,氣相相對密度約1.04,泄漏時極易發(fā)生汽化以及在地勢低洼處沉積,濃度高于6%時會使人產生眩暈、中毒等反應,爆炸體積分數(shù)范圍3.0%～12.5%。此外,液態(tài)乙烷蒸發(fā)潛熱較大,揮發(fā)時大量吸熱,易造成接觸人群凍傷。乙烷的三相變化趨勢見圖1。

圖1 乙烷的三相變化示意圖

據(jù)美國能源信息署(EIA)的定義可知，高純度乙烷一般是指應用于市售產品具有95%或更純的乙烷。在某油田乙烷回收廠工程中,產品乙烷的摩爾組成見表1。

表1 乙烷產品組成表

組分摩爾組成/(%)CH41.432 1C2 H697.010 6C3 H81.547 0CO20.010 0

2 乙烷管道輸送方案

2.1 氣相乙烷輸送方案

氣相乙烷通過DN 600碳鋼管道從乙烷回收廠輸送至下游乙烯廠,管道長度約125 km,末站交接壓力大于1.2 MPa,管道設計過程中控制末點壓力不低于1.3 MPa[15]。

氣相乙烷管道正常輸送工況條件下,冬季、夏季在乙烷輸送一段距離后,溫度分別達到地溫0、20 ℃,見圖2～3中紅色曲線;冬季、夏季起點壓力分別為1.68、1.72 MPa,見圖2～3中藍色曲線。兩者壓力差值主要由氣體的溫度變化導致,相差不大。

圖2 氣相乙烷冬季運行壓力溫度圖

圖3 氣相乙烷夏季運行壓力溫度圖

在正常輸送工況下,不同季節(jié)時氣相乙烷輸送流速均為3.3～5 m/s,冬季最高流速4.5 m/s,夏季最高流速5 m/s,流速在合理范圍內。氣相乙烷運行流速見圖4。

圖4 氣相乙烷管道流速圖

隨著管道輸量增加或者由于管道末端閥門誤操作造成憋壓,管道末端壓力增加,當管道末端壓力升高至2.1 MPa時,乙烷在30 km位置處開始發(fā)生液化現(xiàn)象,乙烷在30 km后的管道中發(fā)生連續(xù)的液化、汽化現(xiàn)象,見圖5。這主要是由于壓力升高,乙烷產品出現(xiàn)液化,部分液相乙烷在管輸過程中,又在地溫作用下逐漸發(fā)生汽化,從而導致管道中部分管段溫度超過100 ℃,部分管段溫度低于-100 ℃,見圖6。這種工況嚴重影響乙烷輸送,同時對管道產生頻繁的高低溫交變,超出了管道的溫度適用范圍,存在管道破裂風險。

圖5 氣相乙烷管道不同壓力條件下液相流量圖

圖6 氣相乙烷管道不同壓力條件下溫度變化圖

2.2 液相乙烷輸送方案

液相乙烷管道路由長度同氣相乙烷管道一致,但液相乙烷管道設計規(guī)格為DN 300,液相乙烷管道輸送過程中需要保障全程無氣相析出,因此控制管道末點壓力為4.5 MPa(高于18 ℃條件下乙烷泡點壓力3.63 MPa)。夏季地溫高,更易發(fā)生液相乙烷的氣化,因此僅計算夏季極端地溫工況條件下管道運行參數(shù)。

液相乙烷管道起點壓力5.45 MPa,沿程溫降1.2 ℃,起點溫度20 ℃,終點溫度達18.8 ℃,見圖7。液相乙烷管道保持全液相輸送,持液率為1,流速范圍1.08～1.13 m/s,屬于合理范圍[16],見圖8。

液相乙烷在正常管輸工況下,一旦由于管道末點背壓降低,管道沿線壓力均降低,當管道末端壓力降低至3.5 MPa時,管道中液相乙烷出現(xiàn)汽化,見圖9。這將導致管道內介質及周圍環(huán)境溫度大幅降低,易造成人員凍傷、管道焊縫收縮、閥門等設備凍壞,帶來嚴重的安全風險隱患。

圖7 液相乙烷管道溫度壓力圖

圖8 液相乙烷管道流速流型圖

圖9 不同壓力下液相乙烷管道溫度圖

同時液態(tài)乙烷在管道內汽化后,在管道內形成氣液兩相流動,造成能耗增大,輸送效率降低，見圖10。

圖10 液相乙烷管道持液率圖

液相乙烷正常管輸過程中,由于管道材質原因或者外界破壞原因,可能發(fā)生管道泄漏。假定管道中間位置發(fā)生泄漏,造成管道泄漏位置兩側管道產生低溫效應(-55 ℃),見圖11。同時泄漏位置處氣液相速度達60.7 m/s,帶來嚴重的安全、環(huán)保風險隱患[17]，見圖12。

圖11 液相乙烷管道泄漏點溫度壓力圖

圖12 液相乙烷管道泄漏點氣液相流速圖

2.3 乙烷超臨界輸送方案

超臨界輸送是指乙烷在管線輸送過程中,乙烷介質壓力、溫度均高于臨界點(壓力4.88 MPa,溫度32.24 ℃),超臨界輸送管線管徑為DN 300,增設保溫層,管道末段壓力控制6 MPa,終點溫度控制在35 ℃以上[18]。

乙烷超臨界輸送時管道起點壓力7.4 MPa,起點溫度60 ℃,見圖13；流速為1.62～1.72 m/s,流型為層流,見圖14。

乙烷超臨界輸送需要保持管道全線在高壓高溫度下運行,冬季地溫較低時會對管道的正常運行帶來風險。一旦管道終點壓力降低或者起點溫度降低,均會破壞超臨界輸送狀態(tài),造成一系列問題。

2.3.1 終點壓力降低

當超臨界乙烷管道終點壓力降低時,管道中有液體乙烷析出,管道持液量增大,終點溫度降低,管道輸送摩阻增大;當管道末端壓力降低至4.5 MPa時,管道末端溫度降低至30 ℃,低于乙烷臨界溫度,見圖15;持液率超過0.3,使得乙烷輸送遠離超臨界狀態(tài),見圖16。

圖13 超臨界乙烷管道輸送壓力溫度圖

圖14 超臨界乙烷管道流速流型圖

圖15 超臨界乙烷管道不同壓力下溫度圖

圖16 超臨界乙烷管道持液率圖

2.3.2 起點溫度降低

當超臨界乙烷管道起點溫度降低時,同樣管道中有液體乙烷析出,管道持液量增大,終點溫度降低至臨界溫度,管道輸送摩阻增大,見圖17;當管道起點溫度降低至50 ℃時,管道末端持液率超過0.05,使得乙烷輸送遠離超臨界狀態(tài),見圖18。

圖17 不同溫度下超臨界乙烷管道溫度圖

圖18 超臨界乙烷管道持液率圖

超臨界乙烷正常管輸過程中,一旦由于管道材質原因或者外界破壞原因,可能發(fā)生管道泄漏。假定管道中間位置發(fā)生泄漏,會造成低溫效應(-60 ℃),見圖19；同時泄漏位置處氣液相速度達到70、43 m/s,將帶來嚴重的安全、環(huán)保風險隱患，見圖20。

圖19 超臨界乙烷管道泄漏點溫度壓力圖

圖20 超臨界乙烷管道泄漏點氣液相流速圖

3 結論

1)乙烷管道氣相輸送相對風險最低,管道沿程壓力不可高于2.1 MPa,防止液相的析出。

2)乙烷管道液相輸送需高壓(>4.5 MPa),同時管道增設保溫層,保證在夏季地溫條件下無氣相產生。

3)乙烷管道超臨界輸送需更高壓力(>6 MPa),同時管道增設保溫層,保證沿程溫度控制在32 ℃以上,管道沿程無氣液相析出。

4)綜合考慮管道運行的風險，并借鑒國外已建長距離乙烷管道的運行方式,建議采用氣相輸送方案。