一种集输管道分段清管系统及方法与流程

本发明涉及一种集输管道分段清管系统及方法。

背景技术

随着陆上气田开发要求提高，集输干线管道趋于长距离、大管径、高压力等的特点愈加明显。气田集输管道一般采用气液混输模式，伴随地形起伏，管道积液问题不可避免。管道积液受多种因素影响，主要包括管道输量、介质气液比、管道地形情况等。尤其对于投产初期和生产末期的混输管道，在低输量提产、低输量清管或全线智能检测中，均可能诱发管道中积液形成段塞流，流向管道末点的处理厂或集气站；若下游段塞流捕集设备及液相处理装置无法满足瞬时大规模段塞流的接收能力，则可能对生产造成较大的影响(例如液相进入气体处理系统或全厂停产)；而新建(扩建)满足大量段塞流捕集负荷的接收装置，通常耗资巨大。因此，提出合适的管道清管或段塞流捕集系统和方案，对集输系统、处理系统的安全、经济运行影响极大。

目前，通过商业工艺分析软件可以较为直观地计算不同工况下集输管道中产生的段塞量，对应的段塞流处理方法主要包括：1)定期清管，确保管道积液不超过下游段塞流捕集能力；2)扩建下游段塞流捕集设备，提高末端段塞流捕集能力，保证其捕集能力与实际工况引起的段塞流体积匹配；3)采用旁通式清管设备，延长清管推出液量时间，减缓下游段塞处理设施峰值负荷；4)设置中间清管站场，实行逐段清管，降低末点段塞流负荷。上述方法存在各自的使用特点和限制：定期清管能从理论上控制管道中的积液量，但频繁清管存在运维费用较高、运行风险增大等问题，清管周期的计算也存在一定的偏差；扩建下游段塞流捕集器虽然在理论上能够解决极端段塞流负荷问题，但工程投资极高，且设备使用频率相对较低，性价比不高；旁通式清管在实际操作过程中具有最低流速要求，在低速运行中，可能发生卡球等问题，运行风险大于普通清管方式；逐段清管需要设置中间清管站场(带收发球筒)，设备较多，投资较高，管理要求高，且存在使用频率相对较低的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种集输管道分段清管系统及方法，基于管道内积液分布及段塞流形成规律，从降低段塞量峰值、延长段塞流进入下游设备时间和分段处理段塞流的角度，借助逆序清管原理(利用下游清空管段的容积，接收部分上游管段的清管液量)，实施集输管道清管和段塞流控制，同时通过降低管道内径、借助下游积液缓冲、管节拆卸等手段实现无收发球筒的清管器捕集和发送，替代投资较高的清管器收球筒和发球筒。

本发明所采用的技术方案是：一种集输管道分段清管系统，包括沿集输干线设置的至少一个中间清管系统；所述中间清管系统包括干线清管器停留/发送系统、大旁通系统、清管器指示系统和逻辑控制系统，其中：

所述干线清管器停留/发送系统包括依次连接于集输干线上的上游异径挡条三通、上游干线球阀、上游干线压力变送器、第一级厚壁管节、第二级厚壁管节、第三级发球管节、下游干线压力变送器、下游干线球阀和下游异径挡条三通，设置于跨过上游干线球阀的引气/发球控制旁路和设置于跨过下游干线球阀的引气/收球控制旁路；

所述大旁通系统包括连接于上游异径挡条三通上的旁通上游球阀、旁通上游压力变送器、旁通调节阀、旁通下游压力变送器、连接于下游异径挡条三通上的旁通下游球阀；

所述清管器指示系统包括分别安装于上游干线、下游干线和干线清管器停留/发送系统上的清管器通过指示器；

所述逻辑控制系统包括压力变送器、清管器通过指示器信号收集与处理系统，以及球阀/调节阀联动控制系统。

本发明还提供了一种集输管道分段清管方法，包括如下内容：

(1)管道正常运行时，全线所有的干线清管器停留/发送系统开启，所述第二级厚壁管节采用常规管节替代，大旁通系统关闭，介质由上游管道经干线清管器停留/发送系统接入下游管道；

(2)清管时，首先进行干线的最后一段管道清管：将对应的中间清管系统流程导入大旁通系统，关闭干线清管器停留/发送系统的干线阀门，放散置换阀门间管路，拆卸常规管节后，将清管器放置入第二级厚壁管节的后半部分，并将其安装于干线，经过严密性测试后，依次打开干线球阀旁路和第二级厚壁短节旁路，建立球阀上下游平衡压力，打开下游干线球阀，并减小旁通调节阀开度、开启上游干线球阀，实现发球；下游清管指示器发出信号后，关闭大旁通系统所有阀门，关闭干线所有旁路阀门；

(3)按与第(2)步相同的清管器安装和发送方式继续进行干线倒数第二段管道清管：清管器在进入中间清管系统前，通过第一清管器指示器后，下游干线球阀关闭，该球阀的旁路系统开启，大旁通系统的旁通调节阀减小开度，大旁通系统球阀开启，清管器依次经过异径挡条三通、压力变送器、调节阀、第二清管指示器后，进入第二厚壁管节的前半部分；关闭上游干线球阀和其旁路管路、关闭下游球阀旁路管路，借助气体放散置换管路、液体放散管路和第二厚壁管节旁路管路，放散置换隔离段介质，然后拆卸第二厚壁管节，收球结束。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明基于积液及段塞负荷工艺分析，采用分段清管的模式进行管道段塞流消化；通过逆序清管，最大限度利用下游先行清管后管道的容积实现上游来液接收，降低末点段塞流负荷，避免扩建大型段塞流捕集器；清管系统结构简单，相比增加常规清管站，此方案可省去清管器收球筒、发球筒及附属设施，在大口径、高压力的管道工程项目中具有优势。具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于先进的工艺模拟分析结果，合理设定清管系统位置与数量，通过分段清管操作，将最终累加进入下游捕集器的管道积液拆分为多次气体夹带和一次小量段塞，在清管器进行管道最后一段清管前，所产生的积液推出体积可在最后一段管段通过气流夹带的形式，相对均匀地进入捕集器，且具有较长的消化时间；最后一段管道积液体积与捕集器处理能力匹配，保证清管全程中，下游捕集器及其他装置正常运行。

(2)经济性佳

本发明增加的干线清管系统结构简单、功能明确，利用特殊管道内径变化和气流分配，使进场清管器降速和缓慢发射，可替代设置清管器收球筒和发球筒，同时通过管道自身的积液能力，避免下游兴建大型段塞流捕集器。

(3)操作安全：设置的干线清管器停留/发送系统为操作工况开启，正常运行时采用常规管节代替第二厚壁管节，避免压力损失；拆卸部分设置放空与置换系统，保证操作过程安全。

(4)切换灵活：设置的干线清管器停留/发送系统可在管道正常运行时更换为等内径干线管道，实现清管球直接通过，减少操作次数。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本集输管道分段清管系统的分布示意图；

图2为本集输管道分段清管系统的子系统(中间清管系统)流程示意图。

具体实施方式

一种集输管道分段清管系统，如图1和图2所示，

总系统包括：首站a、中间清管系统1#、中间清管系统2#、……、中间清管系统n#和末站b；所述中间清管系统为多处根据工艺、经济比选后设置的、用于减小一次性长距离清管段塞负荷、先进行下游清管、再进行上游清管的线路中间系统。

各中间清管系统为单独子系统，包括：上游进站管道1、上游异径挡条三通2、上游干线球阀3、第一级厚壁管节4、第二级厚壁管节5、第三级发球管节6、下游干线球阀7、下游异径挡条三通8、下游出站管道9、干线压力变送器10/11、旁路球阀12/14/17/19/22/24、旁路调节阀13/18/23、气体放散置换阀15/20、液体放散阀16/21、旁通上游球阀31、旁通调节阀32、旁通下游球阀33、放散置换阀34/37、压力变送器35/36、旁路球阀38/40、旁路调节阀39、清管器通过指示器41/25/42。

其中，旁路球阀12、旁路调节阀13和旁路球阀14组成上游干线球阀旁路系统；旁路球阀17、旁路调节阀18和旁路球阀19组成第二级厚壁管节旁路系统；旁路球阀22、旁路调节阀23和旁路球阀24组成下游干线球阀旁路系统；所述上游干线球阀旁路系统、第二级厚壁管节旁路系统、下游干线球阀旁路系统、上游异径挡条三通2、上游干线球阀3、第一级厚壁管节4、第二级厚壁管节5、第三级发球管节6、下游干线球阀7、下游异径挡条三通8、下游出站管道9、干线压力变送器10/11、气体放散置换阀15/20、液体放散阀16/21组成干线清管器停留/发送系统。所述干线清管器停留/发送系统为无清管器收发球筒的清管器接收和发送系统，通过调节阀、第一级厚壁管节、第二级厚壁管节联合作用，接收并提取清管器，通过调节阀、第二级厚壁管节、第三级发球管节联合作用，安装并发送清管器。所述第一级厚壁管节水平安装，两端为法兰连接，可拆卸，一端连接上游干线，一端连接所述第二级厚壁管节，其外径与上游干线和下游干线一致，内径小于干线(根据清管器过盈量定制)，内侧管壁坡口角度为15°，由上游向下游逐渐增厚，起到缓冲清管器冲击力的作用，管节长度不小于10m，对上游来清管球摩擦减速；所述第二级厚壁管节水平安装，两端为法兰连接，可拆卸，一端连接所述第一级厚壁管节，一端连接第三级发球管节，其外径与上游干线和下游干线一致，内径呈“两端大、中间小”的双喇叭口型式，长度满足清管器尺寸要求的2.5倍，为上游清管器的收集区和下游清管器的发射区，在全线进行智能清管时，可拆卸并替换为与干线管道规格一致的等径管节，便于智能清管器直接通过；所述第三级发球管节，两端为法兰连接，可拆卸，一端连接所述第二级厚壁管节，一端连接下游干线其外径与上游干线和下游干线一致，为发球操作时清管器的通过区域。所述气体置换放散管路为竖直向上安装的管道和球阀15/20，球阀根据压力要求，选配单阀或双阀；所述液体放散管路为竖直向下安装的管道和球阀16/21，球阀根据压力要求，选配单阀或双阀；所述气体置换放散管路和液体放散管路配合压力变送器数值，实现可拆卸变径管节和清管球的安全拆卸和重新安装；所述上游干线球阀旁路系统为跨过上游干线球阀3的引气/发球控制旁路，为小口径球阀12+调节阀13+球阀14旁路，调节阀电动控制，旁路与干线水平平行安装，起清管器接收时引入流体吹扫管路和辅助干线球阀开启推送清管器发球的作用；所述下游干线球阀旁路系统为跨过下游干线球阀7的引气/收球控制旁路，为小口径球阀22+调节阀23+球阀24旁路，调节阀电动控制，旁路与干线水平平行安装，起清管器接收时开启并调节过气量、清管器停止后截止段流体排出和清管器发送时方向引气平衡压力的作用；所述第二级厚壁管节旁路系统为跨过第二级厚壁管节5的平衡/吹扫旁路，为小口径球阀17+调节阀18+球阀19管路，调节阀手动控制，旁路在干线下方开口，低点跨过，起清管器停止待取出前平衡上下游压力和清管器发送前平衡上下游压力的作用；所述压力变送器10/11安装于所述干线球阀和第二级厚壁管节之间，数量为2个，负责监测并上传隔离管段内压力。

其中，旁路球阀38/40、旁路调节阀39组成旁通球阀旁路系统，所述旁通球阀旁路系统、旁通上游球阀31、旁通调节阀32、旁通下游球阀33、放散置换阀34/37、压力变送器35/36组成大旁通系统。所述大旁通系统为干线系统的收球、发球、检修临时介质通道；其管道、阀门材质与上游干线和下游干线一致，管径根据具体工况制定，流速高于干线系统；所述旁通调节阀、球阀为电动控制，用于调节旁通输气量和控制清管球在所述干线清管器停留/发送系统中的收球与发球过程；所述旁通球阀旁路系统为跨越旁通球阀33的旁路调节/平衡管路，为小口径球阀38+调节阀39+球阀40管路，调节阀手动控制，旁路与干线水平平行安装，起平衡旁通球阀上下游压力的作用；所述置换放散管路为竖直向上安装的管道和球阀34/37，球阀根据压力要求，选配单阀或双阀；所述压力变送器35/36安装于所述旁通球阀31/33和旁通调节阀32之间，数量为1个，负责监测并上传隔离管段内压力。

其中，清管器指示器41/25/42组成清管器指示系统。所述清管器指示系统数量为3个，除指示清管器进、出中间清管系统外，还指示清管器到达第二级厚壁系统，清管器通过信号上传至逻辑控制系统。

所示系统中，上游进站管道1露空水平安装，连接上游异径挡条三通2，挡条用于避免清管器卡球、导向，异径挡条三通2用于分流介质；沿异径挡条三通2主通道一侧依次安装上游干线球阀3、第一级厚壁管节4、第二级厚壁管节5、第三级发球管节6、下游干线球阀7、下游异径挡条三通8；上游干线球阀3为全通径球阀，电动控制，正常操作时开启，在第二级厚壁管节5拆卸、安装时关闭；第一级厚壁管节4壁厚大于干线管道，且具有15°增厚坡度，用于清管器进入后摩擦减速；第二级厚壁管节5为特殊结构，其外径与上游干线和下游干线一致，内径呈“两端大、中间小”的双喇叭口型式，为上游清管器的收集区和下游清管器的发射区，在全线进行智能清管时，可拆卸并替换为与干线管道规格一致的等径管节，便于智能清管器直接通过；第三级发球管节6为发球操作时清管器的通过区域；下游干线球阀7为全通径球阀，电动控制，正常操作时开启，在清管器指示器41检测到清管器通过后关闭，在第二级厚壁管节5拆卸、安装时关闭，在发球作业中重新开启；在上游干线球阀3安装旁路球阀12、旁路调节阀13和旁路球阀14组成的上游干线球阀旁路系统，旁路系统与干线水平平行安装，起清管器接收时引入流体吹扫管路和辅助干线球阀开启推送清管器发球的作用，旁路调节阀12为电动控制，旁路球阀12/14手动控制；紧邻上游干线球阀3下游安装压力变送器10；第一级厚壁管节4末端开口并安装清管器指示器25；第一级厚壁管节4、第三级发球管节6开口并安装气体置换放散管路(球阀15/20)和液体放散管路(球阀16/21)，用于拆卸段和安装段的介质放散和置换；在下游干线球阀7安装旁路球阀22、旁路调节阀23和旁路球阀24组成的下游干线球阀旁路系统，旁路系统与干线水平平行安装，起清管器接收时开启并调节过气量、清管器停止后截止段流体排出和清管器发送时方向引气平衡压力的作用，旁路调节阀23为电动控制，旁路球阀22/24手动控制；在第二级厚壁管节5上下游安装旁路球阀17、旁路调节阀18和旁路球阀19组成的平衡/吹扫旁路，用于在清管器接收后和发送前平衡第一级厚壁管节3和第三级发球管节5内部压力。

所示系统中，大旁通系统露空敷设，与干线水平平行安装，连接异径挡条三通2/8。旁路管道上依次安装旁通上游球阀31、旁通调节阀32和旁通下游球阀33，均为电动控制，在正常运行时关闭，清管器指示器41发出清管球通过信号后开启；旁通调节阀32开度受逻辑控制系统控制，与旁通调节阀23配合；旁通下游球阀33安装由旁路球阀38/40、旁路调节阀39组成旁通球阀旁路系统，用于平衡旁通上游球阀31和旁通下游球阀33之间管道与干线管道压力；旁通上游球阀31、旁通调节阀32和旁通下游球阀33之间管道开口并安装压力变送器35/36和放散置换阀34/37。

所示系统中，清管器通过指示器41安装于上游干线管道1，可采用夹持式形式，检测、指示清管器进站情况；清管器通过指示器42安装于下游干线管道9，可采用夹持式形式，检测、指示清管器出站情况；另外还包括所述清管器通过指示器25；清管器通过指示器检测信号上传至逻辑控制系统。

所述逻辑控制系统，可收集清管器通过指示器、压力变送器、阀位信号，并向调节阀、球阀的执行结构发送动作信号，辅助完成清管器接收、发送作业。

本发明的工作原理及工作过程为：

(1)在正常输送下，介质从上游至下游依次通过各中间清管装置和集输干线，进入下游末站。

(2)为提高清管效率，利用已清管管道自身接收上游清管液量的能力，管道实行逆序分段清管，即先进行下游管段清管，然后利用下游管道清空的条件，上游管道再进行清管，部分清管段塞停留于下游管道，减小进行末端段塞流捕集器的负荷。在准备进行清管作业时，通过工艺分析计算操作工况下管道积液，分析全系统不同中间清管子系统作业下的末端最大段塞流负荷，借助分段清管和下游先行清管管道留出的液体空间，减小末端段塞流体积。通过分析，确定操作策略，对于存在多处清管系统的管道，选择需要进行清管发球、收球的中间清管系统和用于直接过球的中间清管系统。

(3)进行倒数第一处中间清管系统清管发球作业时，上游各中间清管系统的干线清管器停留/发送系统开启，大旁通系统关闭；进行发球作业的该处中间清管系统的干线清管器停留/发送系统关闭并放散与置换，大旁通系统开启。将清管器放置于第二级厚壁管节5内，安装第二级厚壁管节5，经过压力认可的压力测试后，通过上游干线球阀3和下游干线球阀7发送清管器。

(4)清管器将下游管道内积液推入末端捕集系统，下游管道清空。

(5)继续进行倒数第二处发球，倒数第一处清管系统收球。如(3)描述原理进行发球。清管器进入倒数第一处清管系统时，大旁通系统开启，干线清管器停留/发送系统的下游干线球阀关闭，其余阀门保持，干线清管器停留/发送系统过流减小，大旁路系统过流增大，清管器受干线流量、第一级厚壁管节和下游干线阀门上游积液影响而减速，最终停留在第二级厚壁系统前半段。进而关闭上游干线阀门和下游干线阀门旁路系统，隔断干线与第一级厚壁管节、第二级厚壁管节和第三级发球管节，并放散、置换、拆卸、取球。该次清管推出的液体一部分停留于下游已清空管段，一部分进入末端捕集系统。

(6)依照(3)～(5)原理，实现全线分段清管。

利用上述集输管道分段清管系统进行清管的方法，包括如下步骤：

步骤一：对已建管道项目，根据管道积液和清管段塞工艺分析结果，结合末站段塞流捕集能力，设置改造增加的中间清管系统数量；为提高清管效率，利用已清管管道自身接收上游清管液量的能力，管道实行逆序分段清管，即先进行下游管段清管，然后利用下游管道清空的条件，上游管道再进行清管，部分清管段塞停留于下游管道，减小进行末端段塞流捕集器的负荷。

步骤二：对新建管道项目，根据管道积液和清管段塞工艺分析结果，综合考虑新建中间清管系统和末站段塞流捕集系统投资，充分考虑经济性、功能性，设置增加的中间清管系统数量和末站段塞流捕集系统能力；为提高清管效率，利用已清管管道自身接收上游清管液量的能力，管道实行逆序分段清管，即先进行下游管段清管，然后利用下游管道清空的条件，上游管道再进行清管，部分清管段塞停留于下游管道，减小进行末端段塞流捕集器的负荷。

步骤三：在管道正常运行时，全线所有的干线清管器停留/发送系统开启，所述第二级厚壁管节采用常规管节替代，减小压力损失；大旁路系统关闭，介质由上游管道经干线清管器停留/发送系统接入下游管道。

步骤四：清管时，首先进行干线的最后一段管道清管。具体地，将对应的中间清管系统流程导入大旁路系统，关闭干线清管器停留/发送系统的干线阀门，放散置换阀门间管路，拆卸常规管节后，将清管器放置入第二级厚壁管节的后半部分，并将其安装于干线，采用操作允许的方式测试严密性后，依次打开干线球阀旁路和第二级厚壁短节旁路，建立球阀上下游平衡压力，打开下游干线球阀，并减小大旁路调节阀开度、开启上游干线球阀，实现发球；下游清管指示器42发出信号后，关闭大旁路系统所有阀门，关闭干线所有旁路阀门。

步骤五：继续进行干线倒数第二段管道清管。清管器安装、发送方式等同步骤四。清管器在进入中间清管系统前，通过第一清管器指示器41后，下游干线球阀关闭，该球阀的旁路系统开启，大旁通系统的旁通调节阀减小开度，大旁通系统球阀开启，清管器经过异径挡条三通后，受进入干线气量降低、第一厚壁管节摩擦和下游干线球阀前积液等影响，速度降低，通过压力变送器检测和调节阀动作，清管器通过第二清管指示器25后，进入第二厚壁管节的前半部分；关闭上游干线球阀和其旁路管路、关闭下游球阀旁路管路，借助气体放散置换管路、液体放散管路和第二厚壁管节旁路管路，放散置换隔离段介质，并拆卸第二厚壁管节，收球结束。

步骤六：当全线需要一次性进行智能清管时，将所有干线清管器停留/发送系统的第一厚壁管节、第二厚壁管节替换为与干线规格等同的管节，为全线智能清管提供清管设备通过的通道。