一种基于低压储液的段塞流捕集系统及方法与流程

本发明涉及一种基于低压储液的段塞流捕集系统及方法。

背景技术：

随着气田开发不断发展，集输系统面临诸多挑战。对于采用气液混输生产模式的在运气田而言，进入生产后期后，受产量衰竭和气水比降低影响，混输管道内积液增加，尤其对于连接集输系统集气站至中央处理厂的集输管线，往往管径较大、长度较长，因此管道中积液量较大；同样地，对于新建气田，也面临着远期段塞流方案规划的问题。段塞流问题主要体现在管道定期清管、提产、再启动过程中，这些操作导致管道出口出现瞬时大量液体，必须在气田处理装置上游设置必要的段塞流接收装置，避免大量液体进入天然气生产处理系统。由此可见，段塞流捕集系统的设计与优化对已建和新建气田均十分重要。

目前，针对集输气田段塞流捕集器的设计和方案，主要包括从积液排出模式和设备接收两个方面入手优化。前者主要包括通过延长清管、提产、再启动等操作的时间来控制管道末端段塞流的排出速度，同时增大捕集器下游液相处理能力，在一定程度上较小高压储液容积，最终选择尺寸较小的捕集器容积；后者主要从捕集器型式入手，根据所需段塞流捕集体积来考虑捕集器型式(容积式捕集器和多管式捕集器)，容积式捕集器适用于段塞流体积较小的工况，而多管式捕集器适用于段塞流体积较大的情况，投资较高。无论是目前的容积式捕集器还是多管式段塞流捕集器，均考虑为与上游压力级制一致的高压容器或管道，这导致了段塞流捕集器投资普遍较高。实际上，段塞流捕集器在安装后，将长时间作为气液分离器使用，而用于捕集段塞流的频率相对极低，包括清管、提产、再启动等引起的段塞，属于临时性计划工况。因此，可进一步考虑优化工艺，采用低压设备和管道对计划性段塞流进行收集与处理，降低工程投资和设备使用成本，也进一步为气田后期段塞流负荷过高而采取的改造措施提供参考与借鉴。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于低压储液的段塞流捕集系统及方法，旨在进一步完善段塞流捕集工艺与系统。本发明基于集输管道段塞流形成与排出规律，综合考虑现有段塞流捕集技术，从增大低压捕集系统以降低工程成本的角度出发，提出适度设置分离器，扩充低压储液系统的方案，实现功能分区、技术可靠、成本可控、新建/扩建标准化的目标。

本发明所采用的技术方案是：一种基于低压储液的段塞流捕集系统，包括主路连入的气液高压分离系统和旁路依次连入的高压分离管道系统、中压分离管道系统和低压收集系统，在高压分离管道系统下游和气液高压分离系统之间设置液相快速排放系统，所述液相快速排放系统连通气液高压分离系统和中压分离管道系统。

本发明还提供了一种基于低压储液的段塞流捕集方法，包括如下内容：

(1)正常运行时，气液高压分离系统、旁通球阀、高压分离管道系统、中压分离管道系统、液相快速排放系统(旁路)开启，液相快速排放系统(主路)和低压收集系统关闭；绝大部分原料气经集气干线三通后进入高压两相分离器，在分离器中进行气液分离后，气相进入下游气体处理装置，液相进入下游三相分离装置；少量原料气经三通和旁通球阀进入高压分离管道系统和中压分离管道系统，原料气在高压分离管道系统中分离的气相进入高压两相分离器的气相出口管道，分离的液相进入中压分离管道系统进行进一步调压和分离，所得到的气体进入中压气体处理系统，液体进入中压液体处理系统；

(2)段塞流进入系统后，当高压两相分离器液位上升至高液位后，打开液相快速排放系统，液相迅速进入中压分离管道系统；若高压两相分离器液位继续上升至高高液位，则立即联锁开启高压旁路系统的干线球阀、开启备用的低压收集系统，将干线介质大量引入高压分离管道系统和中压分离管道系统；

(3)段塞流引入高压分离管道系统后，各级调压阀根据设定的参数将原料气转化为一级分离后减压介质和二级分离后减压介质，减压过程中产生的气体通过各系统气相管道外排，液体快速排入常压储罐；

(4)段塞流高峰通过后，当高压两相分离器液位降至正常液位，则关闭高压旁路系统的干线球阀，原料气重新大量进入高压两相分离器，仅小部分原料气进入旁路系统，维持系统低负荷运转；然后关闭液相快速排放系统；常压储罐中积聚的液相利用附属的泵和管路系统增压后输往处理厂的液相处理系统处理。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明基于段塞流形成的规律，结合段塞流发生的频率特点，考虑正常工况时利用生产分离器保证稳定气液分离过程和段塞流工况时利用快速气液分离、液相减压、减压闪蒸气排出和低压储存的流程经济地解决段塞流储存问题；替代投资较高的大型高压段塞流捕集器。

本发明提出了基于不同工况的段塞流应对策略和解决方案，最大限度利用气液分离器进行天然气分离，并合理设置高压管路少、低压储罐大的段塞流捕集器系统，避免直接设置大规模高压段塞流捕集装置，节省投资，也减小高压系统容积。具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于先进的工艺预测模拟分析结果，能够合理计算并选择正常生产和段塞流工况时分离器、多管路和储罐等管道和设备的尺寸，最大限度优化高压系统容积，合理转移至低压系统，满足正常生产时高压分离和小量段塞流捕集与段塞流工况时快速泄压储存的功能。

(2)经济性佳

本发明较常用的段塞流捕集策略最明显的区别在于将过往的“先捕集再处理”引向“边捕集边泄压再处理”，有效地利用多支管和低压储罐进行瞬时高压段塞流的气液分离和液相泄压储存，免去了设置大体积高压容器或管道储存段塞流的问题，避免为这种发生频率较低的操作投入过大的费用。

(3)操作安全

本发明的高压旁路系统、高压分离管道系统、中压分离管道系统处于连续低负荷运行状态，建立了与段塞流工况相同的压力系统，可随时进行段塞流工况操作；本发明的逻辑控制系统在多点设置液位监测、压力监测和对应的操作，保证各项操作安全。

(4)适合后期改建

本发明的高压旁路系统、高压分离管道系统、中压分离管道系统等易于快速建设，无特殊设备或阀门，且其设计理念能够有效覆盖当今大部分气田面临的后期段塞流负荷超过原有分离器捕集负荷的问题，在可实施性、经济性和安全性方面具有较大的优势。

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为一种基于低压储液的段塞流捕集系统的示意图。

具体实施方式

一种基于低压储液的段塞流捕集系统，包括气液高压分离系统、液相快速排放系统、高压分离管道系统、中压分离管道系统、低压收集系统和逻辑控制系统等。如图1所示，主要包括：入口管段1、等径三通2、电动球阀3、高压两相分离器4、气相出口管道5、电动球阀6、液相出口管道7、电动球阀8、液位传感器9、压力传感器10、温度传感器11、调节阀12、高压两相分离器、电动球阀14、调节阀15、旁路球阀16、旁路调节阀17、液相管道18、旁路干线21、电动球阀22、旁通球阀23、一级分支管系24、高压多管分离管系25、高压气相立管26/28、高压气相立管球阀27/29、高压液位控制管汇30、高压液相调节阀31/32、中压管道33、二级分支管系34、中压多管分离管系35、中压气相立管36/37、中压气相立管球阀38/39、中压气相总管40、中压液位控制管汇41、中压液相调节阀42/43、低压管道44、三级分支管系45、低压多管分离管系46、低压气相立管47/48、低压气相立管球阀49/50、低压气相总管51、低压进罐管系52、常压储罐53、安全阀54/55/56、放空管道57。

其中，电动球阀3、高压两相分离器4、气相出口管道5、电动球阀6、液相出口管道7、电动球阀8、液位传感器9、压力传感器10、温度传感器11、调节阀12组成气液高压分离系统，负责在正常工况下进行气液分离；所述气液高压分离系统中，电动球阀3为全通径电动球阀，用于连通或切断入口管段1，电动球阀3的开启/关闭受液位传感器9控制；高压两相分离器4为设置于主工艺流程上的卧式气液两相分离器，用于正常生产时从进气干线接收上游介质(原料天然气)，具有气液分离和少量段塞捕集的功能，气相经气相出口管道5、电动球阀6进入下游气相处理系统，液相经液相出口管道7、电动球阀8进入下游液相处理系统；所述高压两相分离器4底部设置所述液相快速排放系统管嘴，管嘴口径不小于dn200，用于正常工况下向中压分离管道系统少量排放液相和段塞流初始工况下向中压分离管道系统大量排放液相；电动球阀6/8开启或关闭受液位传感器9控制。

所示系统中，所述电动球阀3安装于等径三通2下游，露空安装；高压两相分离器4为卧式型式，采用“恒定”液位控制模式，联锁调节阀12、15和17，负责控制排液速度，同时设置高液位和高高液位，联锁电动球阀3/14/22，负责控制介质流向；液位传感器9采用2路设置，自身比对、互检；气相出口管道5与电动球阀6之间设置2处管道接入口，用于接入高压分离管道系统来气；所述高压两相分离器4底部设置所述液相快速排放系统管嘴，管嘴口径不小于dn200。

其中，液相管道13、电动球阀14、调节阀15、旁路球阀16、旁路调节阀17、液相管道18、安全阀55组成液相快速排放系统，负责正常工况下向中压分离管道系统少量排放液相以维持系统压力和段塞流初始工况下向中压分离管道系统大量排放液相以快速降低高压两相分离器4的液位。所述液相管道13管径不小于dn200；构成液相快速排放系统主路的电动球阀14和调节阀15为常关，在大量排放时，受液位传感器9指示开启，该主路为段塞流初始工况下向中压分离管道系统大量排放液相的通道；构成液相快速排放系统旁路的旁路球阀16和旁路调节阀17为常开，该旁路为正常工况下向中压分离管道系统少量排放液相的通道；安全阀55为弹簧式安全阀，在液相管道18超压后开启，介质排向总放空系统；液相管道18输送介质为调压至中压的气液混合物，输送至中压分离管道系统。

所示系统中，液相管道13连接高压两相分离器4底部管嘴，并设置低点过滤与排污短节，以便定期清理；主管路(电动球阀14、调节阀15)和旁路(球阀16、调节阀17)水平并行安装，主管路管径不小于dn200，旁路管径为dn100；调节阀15之后的液相管道18压力级制为中级，并在起始端侧向开口，设置安全阀55。

其中，所述旁路干线21、电动球阀22、旁通球阀23、一级分支管系24、高压多管分离管系25、高压气相立管26/28、高压气相立管球阀27/29、高压液位控制管汇30、高压液相调节阀31/32组成高压分离管道系统，负责在段塞流工况下对入口管段1所来介质进行高压分离、调压。

所示系统中，所述旁路干线21连接等径三通2；所述电动球阀22为常关状态，在大量排放时，受液位传感器9指示开启；所述旁通球阀23为常开状态，负责正常工况时限制性引入1％产量介质，用于维持下游设施处于低负荷带压运行状态；所述旁路干线21、电动球阀22(干线球阀)、旁通球阀23(旁路调节阀)组成高压旁路系统；所述一级分支管系24为“1分2”型对称设计，保证流量分配均匀，其分支数量为4路或者8路；所述第一级分支管系标高高于高压旁路管道(即旁路干线21)3m以上，以便为下游液位控制管汇提供安装空间；所述高压多管分离管系25无倾斜，单根管道内允许气体表观流速不超过0.5m/s，并由此确定管径，单条管道长度不超过10m；所述高压液位控制管汇30安装于高压多管分离管系25末端，经弯管向下接入，管径为1m以上，并安装液位变送器，与高压液相调节阀31/32联锁，负责控制液位；所述高压液相调节阀31/32安装于液位控制管汇下方连出的弯管后的水平直管上，个数为2个，调节阀后管道向上安装，以便为下游液位控制管汇提供安装空间；所述高压气相立管26/28为2路，分别在多路管道的75％和100％长度处向上开口、连入气液分离器气相出口管道。所述高压分离管道系统的下游为所述中压分离管道系统。

其中，所述中压管道33、二级分支管系34、中压多管分离管系35、中压气相立管36/37、中压气相立管球阀38/39、中压气相总管40、中压液位控制管汇41、中压液相调节阀42/43组成中压分离管道系统，负责对正常工况和段塞流工况下的中压介质进行分支减速、气液分离、液相调压、液相再分配，设置该压力梯度的系统是为了减缓调节阀一次性过大压差引起的严重汽蚀和过大的气体闪蒸。

所示系统中，所述二级分支管系34为“1分2”型对称设计，保证流量分配均匀，其分支数量为4路；所述第二级分支管系标高高于中压管道33的标高3m以上，以便为下游液位控制管汇提供安装空间；所述中压多管分离管系35无倾斜，单根管道内允许气体表观流速不超过0.5m/s，并由此确定管径，单条管道长度不超过10m；所述中压液位控制管汇41安装于中压多管分离管系35末端，经弯管向下接入，管径为1m以上，并安装液位变送器，与中压液相调节阀42/43联锁，负责控制液位；所述中压液相调节阀42/43安装于液位控制管汇下方连出的弯管后的水平直管上，个数为2个，调节阀后管道向上安装，以便为下游液位控制管汇提供安装空间；所述中压气相立管36/37为2路，分别在多路管道的75％和100％长度处向上开口、连入中压气体处理系统。所述中压分离管道系统的下游为所述低压收集系统。

其中，低压管道44、三级分支管系45、低压多管分离管系46、低压气相立管47/48、低压气相立管球阀49/50、低压气相总管51、低压进罐管系52、常压储罐53组成低压收集系统。所述低压收集系统在正常工况下备用，在段塞流工况下迅速启用，负责将调制常压的介质经气液分离后，送往常压储罐储存，气相进入放空系统。

所示系统中，所述三级分支管系45为“1分2”型对称设计，保证流量分配均匀，其分支数量为4路；所述第三级分支管系标高高于低压管道44的标高3m以上，以便利用爬升增强气液分离；所述低压多管分离管系46无倾斜，单根管道内允许气体表观流速不超过0.5m/s，并由此确定管径，单条管道长度不超过10m，管道在末端汇合后，经低压管道52进入常压储罐53；所述低压气相立管47/48为2路，分别在多路管道的75％和100％长度处向上开口、连入低压气体处理系统。

其中，安全阀54、55、56和放空管道57组成放空辅助系统，负责为不同压力级制管道系统提供压力保护措施，安全阀54和安全阀55的设定压力为中压等级；安全阀56的设定压力为低压等级。

其中，电动球阀3、电动球阀6、电动球阀8、液位传感器9、压力传感器10、温度传感器11、调节阀12、电动球阀14、调节阀15、旁路调节阀17、电动球阀22、旁通球阀23、高压液位控制管汇30、高压液相调节阀31/32、中压液位控制管汇41、中压液相调节阀42/43组成完整的逻辑控制系统，综合控制正常工况、小量段塞流工况和段塞流工况下的介质流向、阀门开关。

本发明的工作原理及工作过程为：

(1)本系统能够全面处理天然气处理前端、集输系统末端面临的完全工况，包括：正常生产工况(气液均匀混合输入)、小量段塞流工况(气液混合输入，液相占比明显增大)和段塞流工况(气液混合输入，气相比例极小)。

(2)在正常生产工况时，上游介质主要通过入口管段1进入高压两相分离器4，进行正常的气液分离；在生产中，分离后的气相经气相出口管道5进入下游气体处理系统，液相经液相出口管道7进入下游液体处理系统。同时，为了保证段塞流捕集系统(高压分离管道系统、中压分离管道系统)建立压力梯度与运行状态，在等径三通2处向该系统引入小量介质(不超过1％)，介质经旁路球阀23、一级分支管系24导流后平均进入高压多管分离管系25，介质流速降低，在水平管道中模拟分离，气相从2路气相立管进入高压两相分离器4的气相出口管道5，避免浪费；液相进入高压液位控制管汇30；高压液位控制管汇30保持50％液位控制，起到来液缓冲和停滞的功能；经高压液相调节阀31/32，高压液相被降压至中压等级，析出部分闪蒸气和剩余液相；介质经二级分支管系34导流后平均进入中压多管分离管系35，介质流速降低，在水平管道中模拟分离，气相从2路气相立管进入下游中压气体处理系统，避免浪费；液相进入中压液位控制管汇41；中压液位控制管汇41保持50％液位控制，起到来液缓冲和停滞的功能，液相不进入下游低压储存系统，避免闪蒸气浪费，而是进入液相管路7经调压后的中压液体处理系统。在正常工况下，低压收集系统处于备用状态，无需提前建立背压。为保证液相管道13、液相管道18运行条件良好，定期开启旁路球阀16，测试管道性能。

(3)在小量段塞流工况时，较多的液相进入高压两相分离器4，其液位达到“高液位后”，开启电动球阀14和调节阀15，快速将液体排入中压管道33。其余操作原理同(2)。另外，由于来液增多，可能造成中压液位控制管汇30液位控制过高，可开启低压收集系统，进行液位控制。液相和少量闪蒸气经三级分支管系45导流后平均进入低压多管分离管系46，介质流速降低，在水平管道中模拟分离，气相从2路气相立管进入下游低压气体处理系统；液相进入常压储罐53储存。

(4)在大量段塞流工况时，较多的液相进入高压两相分离器4，其液位达到“高高液位后”，立即关闭电动球阀3，打开电动球阀22，将介质全部引入段塞流捕集系统；同时开启电动球阀14和调节阀15，快速将液体排入中压管道33，以降低高压两相分离器4的液位。其余操作原理同(2)。另外，由于来液增多，应开启低压收集系统，进行液位控制。液相和少量闪蒸气经三级分支管系45导流后平均进入低压多管分离管系46，介质流速降低，在水平管道中模拟分离，气相从2路气相立管进入下游低压气体处理系统；液相进入常压储罐53储存。

(5)由于发生压力变化，因此设置了安全阀54/55/56，在超压时迅速将介质排向放空系统。

(6)段塞流结束后，重新进行(1)所示流程。

利用上述基于低压储液的段塞流捕集系统进行安全捕集的方法，包括如下步骤：

步骤一：在正常生产工况时，开启电动球阀3，将上游介质引入高压两相分离器4，进行正常的气液分离，同时开启气相出口管道5和液相出口管道7；开启旁路球阀23，允许少量介质进入旁路捕集系统；开启旁路球阀16、旁路调节阀17，允许少量液相进入中压分离系统；开启高压分离管道系统、中压分离管道系统的阀门；关闭中压调节阀42/43，隔断低压收集系统。保持安全阀54/55/56开启。

步骤二：小量段塞流进入系统，气液分离器液位上升至高液位后，打开液相快速排放系统的电动球阀14和调节阀15，液相迅速进入中压分离管道系统；中压分离后的气相进入中压气相处理系统；液相泵送至中压液相处理系统。另外，若中压液位控制管汇30液位控制过高，则开启中压调节阀42/43，开启低压收集系统，进行液位控制，打通低压收集系统，液相进入常压储罐53，气相进入下游低压气体处理系统。

步骤三：大量段塞流进入系统，较多的液相进入高压两相分离器4，其液位达到“高高液位后”，立即关闭电动球阀3，打开电动球阀22，将介质全部引入段塞流捕集系统；同时开启电动球阀14和调节阀15，快速将液体排入中压管道33，以降低高压两相分离器4液位。液相迅速进入中压分离管道系统；中压分离后的气相进入中压气相处理系统；开启中压调节阀42/43，开启低压收集系统，进行液位控制，打通低压收集系统，液相进入常压储罐53，气相进入下游低压气体处理系统。

步骤四：段塞流结束后，关闭电动球阀14/22，开启电动球阀3，按照步骤一所述运行。

至此，基于低压储液的段塞流捕集过程结束。