一种气态乙烷管道停输再启动系统及方法与流程

本发明涉及一种气态乙烷管道停输再启动系统及方法。

背景技术：

近年来，乙烯市场需求逐渐旺盛，传统原材料石脑油无法及时满足，而乙烷亦是较好的乙烯原料，因此炼厂对乙烷需求较大。随着美国页岩气革命到来，大量乙烷提取后可出口并供应炼厂；同时，国内轻烃回收工艺日益成熟，自产乙烷也可补充炼厂原料缺口。因此，配套建设从乙烷源头至炼厂的乙烷输送管道需求巨大。乙烷产品作为天然气附属产品中摩尔质量较轻的一类，饱和蒸气压较高，临界温度约为32℃，临界压力约为4.5mpa，因此有条件以气相或液相状态进行输送，且相变条件与常规操作条件较为接近，某些工况下，若考虑不全，容易发生意外相变。由于气态乙烷管道操作压力低于液态乙烷管道，采用气相输送的方式在安全敏感地区具有相对的可靠性。气态乙烷若操作压力过高，则管道在停输后，管道中介质易因环境条件作用而液化，形成液态乙烷(部分)。再启动时，由于液态乙烷在汽化过程中将大量吸热，且气态乙烷在控制阀节流后温降较大，由此均可能引起较为严重的低温问题；另外，停输后整体温度降低后，常规再启动过程中的升压将可能进一步加剧液化，造成系统压力无法正常建立，影响再启动实施。因此，需考虑合适的方式，在平衡经济与性能后，保证气态乙烷管道停输安全性。

目前，为避免气态乙烷停输再启动的低温情况，考虑采取的方式包括：1、采用低压输送模式，控制任何操作温度下的管道压力低于最低环境温度下的露点压力，保证介质始终处于气相，从根本上避免出现液相；2、采用高压输送方式，在停输时采用泄压的方式降低管道压力，保证管道压力低于最低环境温度下的露点压力介质始终处于气相。这两种方式虽然可以避免停输过程中管道内形成液态乙烷，但存在一定的不足：第1种方式中，采用低压输送方式的管道，在相同输量下，为保证速度范围合理，必然放大存在管径较大的问题，增大了管道投资；第2种方式中，停输时泄压不仅浪费了一定的乙烷产品，在再启动过程中充入介质后，管道压力升高，也容易生成液态乙烷，从而引起低温问题。因此，需要进一步考虑再启动过程中的相态控制方法，兼顾经济性与科学性。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种气态乙烷管道停输再启动系统及方法，旨在进一步完善气态乙烷管道输送技术，补充气态乙烷停输后部分液化的再启动技术。本发明基于停输后管道内液态乙烷汽化放热规律，结合气态介质管道再启动常规方案，从管道压力控制、流体内部换热和低温流体加热等方面考虑，采取管道内温度预测监控、管道末端压力控制、管道起点置换量控制等方案，实现乙烷管道停输再启动过程中，积存的液态乙烷微降压-升温汽化和管道出口低温气态乙烷的节流温度控制，并利用引入的气态乙烷逐渐建立温度场和压力场，保证干线管道和下游站场管道、设备安全，并进一步支撑气态乙烷管道输送技术。

本发明所采用的技术方案是：一种气态乙烷管道停输再启动系统，包括干线起点阀组及温度压力流量检测系统，干线末端阀组及温度压力流量检测系统，和干线末端旁路阀组、伴热管路系统；其中：

所述干线起点阀组及温度压力检测系统包括在干线上依次设置的上游干线球阀、上游干线旁通调节阀、流量变送器102、温度变送器103、压力变送器104，以及安装于沿线站场的温度变送器和压力变送器，所述流量变送器102、温度变送器103和压力变送器104分别通过数据线与逻辑控制系统连接；

所述干线末端阀组及温度压力流量检测系统包括在干线管道上依次设置的温度变送器2、压力变送器3、下游干线球阀4、下游干线调节阀、阀后流量变送器、阀后压力变送器、阀后温度变送器、下游干线球阀23，以及和下游干线球阀23并联设置的旁路二级调节阀；

所述干线末端旁路阀组、伴热管路系统包括在旁路上设置的旁路球阀、旁路一级调节阀、和并联设置的四路电伴热支管及每路支管上设置的温度变送器。

本发明还提供了一种气态乙烷管道停输再启动方法，其特征在于：包括如下内容：

步骤一、在干线停输后，模拟管道内乙烷在停输温度下的液化量，并模拟再启动中安全降压下的降压汽化工况(降压后压力值控制在地温对应的泡点压力以下0.1mpa，使管道内乙烷达到完全汽化条件)；

步骤二、再启动前，保持上、下游干线球阀关闭；根据下游装置的开车流程和和安全降压值设定干线下游调节阀后的系统背压；

步骤三、再启动前，打开下游旁路球阀和旁路一级调节阀，降低停输干线中的乙烷压力；同时，通过下游干线旁路二级调节阀将乙烷压力降低至开车流程对应的压力；干线内乙烷降压后持续汽化，且干线上游充入常温乙烷，干线下游旁路调节阀节流后的乙烷温度有所降低，开启四支阀后旁路电伴热支管，利用各支管上设置的旁路温度变送器进行温度监控，对低温乙烷进行控温；

步骤四、小流量再启动时，通过上游干线旁路调节阀、下游干线旁路二级调节阀控制乙烷置换量，并通过全线各处压力变送器监测压力参数，保证各处压力满足步骤一中所述目标压力，通过各处温度变送器监测温度参数；

步骤五、当干线各处温度变送器参数显示已经建立全线稳定温度场后，逐渐增大乙烷输量，使全线温度场进一步接近正常操作工况；

步骤六、提升系统背压，使全线压力场和温度场进一步接近正常操作工况；

步骤七、当干线各处温度变送器参数显示已经建立全线正常输送温度场后，打开上、下游干线球阀、干线调节阀，并逐渐关闭各旁路阀组和管路，关闭伴热系统，通过提升系统背压，全线压力场恢复正常，再启动过程平稳结束。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明根据气态乙烷管道停输及再启动工艺特点，通过设置再启动阀组，可满足：1)乙烷管道提高运行压力，允许停输时管道形成液态乙烷，减小管径，节约投资；2)再启动过程中，在上游进入气态乙烷时，通过旁通排出乙烷，以控制乙烷气体排量，实现新入乙烷与积存乙烷换热，并通过小量降低管道压力，缓慢汽化积存液态乙烷；3)再启动过程中，通过旁通不锈钢阀组和伴热系统，避免节流后乙烷对管道系统产生低温影响，亦在一定程度提高其温度，避免节流后乙烷对下游系统产生低温影响；4)再启动过程中，启动过程的连续排出的乙烷可进入下游系统，用于开车或生产，避免在停输起始时刻将乙烷泄放至火炬，减少浪费。

本发明的特点具体表现为：

(1)设置科学

本发明提出一种气态乙烷管道停输再启动系统及方法，基于停输后管道内液态乙烷汽化放热规律，结合气态介质管道再启动常规方案，从管道压力控制、流体内部换热和低温流体加热等方面考虑，采取管道内温度预测监控、管道末端压力控制、管道起点置换量控制等方案，实现乙烷管道停输再启动过程中，积存的液态乙烷微降压-升温汽化和管道出口低温气态乙烷的节流温度控制，并利用引入的气态乙烷逐渐建立温度场和压力场，保证干线管道和下游站场管道、设备安全，并进一步支撑气态乙烷管道输送技术。

(2)经济性佳

本发明结构简单，在常规干线阀组的基础上，增加小口径不锈钢旁通阀组和旁路电伴热系统，实现再启动过程中材料的合理选用。同时，本发明能够在提升操作压力的基础上，进一步降低气态乙烷管道正常运行所需管径，大幅降低乙烷管道投资。

(3)推动技术发展

乙烷管道输送技术鉴于乙烷本身的物理性质和泄漏后危害性，与常规天然气管道有所区别，且工艺要求更高。本发明的微降压汽化再启动流程对合理设定管道操作压力、分析停输过程介质物理变化等方面具有一定参考作用，可在一定程度上推动乙烷管道输送技术发展。

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为一种气态乙烷管道停输再启动系统的示意图。

具体实施方式

一种气态乙烷管道停输再启动系统，如图1所示，包括：上游干线球阀100、上游干线旁通调节阀101、流量变送器102、温度变送器103、压力变送器104、干线管道1、温度变送器2、压力变送器3、下游干线球阀4、下游干线调节阀5、阀后流量变送器6、阀后压力变送器19、阀后温度变送器20、旁路球阀7、旁路一级调节阀8、旁路分支9/18、旁路电伴热支管10/11/12/13、旁路温度变送器14/15/16/17、预留压力稳定器接口21、下游干线球阀23、旁路二级调节阀22。

其中，上游干线球阀100、上游干线旁通调节阀101、流量变送器102、温度变送器103、压力变送器104、干线1等组成干线起点阀组及温度压力检测系统，负责在干线上游对管道停输、启动进行控制，并对管道上游的压力、流量和温度等参数进行监控。

具体地，球阀100为全通径电动球阀，与干线连接，在停输和再启动过程中均保持关闭，再启动完成后(正常运行)开启；调节阀101为小口径电动调节阀，安装于球阀100的旁路上，主要作用是在再启动过程中引入上游乙烷气体，并控制气体流量；流量变送器102、温度变送器103、压力变送器104直接安装在干线上，对停输、再启动和正常运行时管道上游的流量、温度和压力参数进行监控，数据传至逻辑控制系统。

其中，干线管道1、温度变送器2、压力变送器3、下游干线球阀4、下游干线调节阀5、阀后流量变送器6、阀后压力变送器19、阀后温度变送器20、下游干线球阀23、旁路二级调节阀22组成干线末端阀组及温度压力流量检测系统。负责在停输再启动时截断干线通道，并分别监控再启动过程中干线末端的球阀两侧压力、温度和流量，也负责在正常运行时提供介质主通道，并进行进厂介质调压。

具体地，干线管道1为露空敷设，连接乙烷输送管道；温度变送器2和压力变送器3安装于干线上，检测停输、再启动和正常运行时的管道参数；下游干线球阀4为全通径电动球阀，水平安装，焊接连接，正常运行时开启；下游干线调节阀5为电动控制，水平安装，焊接连接，在正常运行时起到调节进厂介质压力的作用；阀后流量变送器6、阀后压力变送器19、阀后温度变送器20安装于所述下游干线调节阀5下游的干线上，在停输、再启动和正常运行时持续对该处管道中的介质参数进行监控；下游干线球阀23为全通径电动球阀，水平安装，焊接连接，正常运行时开启；旁路二级调节阀22安装于所述下游干线球阀23的旁路，采用电动控制，仅在再启动过程中开启，与上游干线旁通调节阀101协同作用，控制乙烷汽化后的排出量，也可进一步协助旁路调节阀8精确控制汽化压力。

其中，旁路球阀7、旁路一级调节阀8、旁路分支9/18、旁路电伴热支管10/11/12/13、旁路温度变送器14/15/16/17、预留压力稳定器接口21组成干线末端旁路阀组、伴热管路系统。负责在再启动过程中通过压差，将干线管道内积存的乙烷汽化并加热后，供下游设备开车使用，也便于上游干线管道接收常温乙烷，逐渐建立气态乙烷管道正常输送的压力场和温度场。

具体地，旁路球阀7为电动球阀，常关状态，在再启动过程中开启，焊接连接；旁路一级调节阀8安装于球阀下游，用于控制上游干线压力，促进管道内液化乙烷汽化，便于上游常温乙烷能够逐渐进入管道，提升管道内介质温度；阀后旁路电伴热支管10/11/12/13为平均分配的4路支管，材质为不锈钢，采用电伴热控温和保温层包裹，管路上设置旁路温度变送器14/15/16/17，用于检测降压后低温乙烷气体的加热效果，分支管道合并后的旁路管道上预留压力稳定罐接口，用于在管容较小的情况下连接压力稳定罐，所述压力稳定罐为内置隔膜式气体储罐，通过隔膜内氮气冲压，平衡隔膜外乙烷压力。

其中，沿线各站场的温度变送器、压力变送器实时监控，组成沿途温度压力监测系统，与所述的干线压力变送器、温度变送器协同作用。

同时，本系统还包括变送器信号传输、处理和阀门控制的逻辑控制系统。

本发明的工作原理及工作过程为：

(1)为保持纯气相输送，气态乙烷管道在正常运行时保持足够的温度，以避免介质温度低于露点压力；在气态乙烷管道停输后，受地温影响(冬季)，介质温度不断降低，而压力降低幅度不明显，介质进入露点线和泡点线的中间区域，形成部分液相的多相流体。若将管道压力进一步降低，可在停输时避免介质液化，付出的代价是扩大管径，引起巨额投资增加。因此提出了本发明的内容。

(2)再启动过程中，若管道中存在液化的乙烷，则需要进行整体压力微降，以便让管道中介质进入气相状态；采用下游调节背压的方式降低管道内介质压力，并对压降幅度进行控制，否则过高的压力降幅将引起管道内壁温度由于汽化而大幅降低，这对管道材料会造成影响。

(3)汽化的乙烷经过下游旁路调节阀排出管道，以降低管道压力，管道中介质全部汽化；排出的乙烷在调节阀后会有小幅温降，因此在调节阀后管道上设置了分支不锈钢管路，并配置电伴热和保温层，以最大程度减小低温介质对管路和下游装置的影响；同时，上游可连续充入常温乙烷，以保持管道内气态乙烷流动，并进一步提升管道内乙烷的温度，加快再启动速度。

(4)通过沿途的温度变送器和压力变送器监控再启动过程中各点温度和压力，当全线建立了较为稳定的温度场和压力场，且通过模拟计算方式确定管道工艺条件已经大幅高于液化条件后，可将系统背压调整至正常运行工况，并进一步监控管道温度场；

(5)当管道温度场达到正常工况要求时，关闭旁路，开启干线，系统进入正常运行模式，再启动完成。

本发明还公开了一种气态乙烷管道停输再启动方法，包括如下主要内容：

步骤一：在干线停输后，通过各处温度变送器、压力变送器监控参数，掌握管道停输下的全线压力、温度状态；根据再启动前的监控压力和温度，通过软件分析，模拟管道内乙烷液化量和确定合适的降压值，降压后的压力值宜控制在地温对应的泡点压力以下0.1mpa；

步骤二：再启动前，保持干线两端的电动球阀(干线球阀100和干线球阀4)关闭；根据下游装置的开车流程和根据步骤一计算的安全降压值(避免低温)，设定干线下游调节阀5后的系统背压；

步骤三：再启动前，打开下游旁路球阀7和旁路一级调节阀8，降低停输干线中的乙烷压力；同时，通过下游干线旁路二级调节阀22，将乙烷压力降低至开车流程对应的压力；干线内乙烷降压后持续汽化，且干线上游充入常温乙烷，干线下游旁路调节阀8节流后的乙烷温度有所降低，开启阀后旁路电伴热支管10/11/12/13，利用旁路温度变送器14/15/16/17进行温度监控，对低温乙烷进行控温。

步骤四：小流量再启动时，通过上游干线旁路调节阀101、下游干线旁路二级调节阀22控制乙烷置换量，并通过全线各处压力变送器监测压力参数，保证各处压力满足步骤一中所述目标压力，通过各处温度变送器监测温度参数，掌握置换过程中干线内乙烷介质温度上升规律；进一步地，可通过将压力稳定器接入系统接口21，用于小口径管道(小管容)工况下压力稳定控制；

步骤五：当干线各处温度变送器参数显示已经建立全线稳定温度场后，逐渐增大乙烷输量，使全线温度场进一步接近正常操作工况；

步骤六：提升系统背压，全线压力场和温度场进一步接近正常操作工况；

步骤七：当干线各处温度变送器参数显示已经建立全线正常输送温度场后，打开上游干线球阀100、下游干线球阀4、干线调节阀5，并逐渐关闭各旁路阀组和管路，关闭伴热系统，通过提升系统背压，全线压力场恢复正常，再启动过程平稳结束。

本发明基于液态乙烷汽化放热规律和再启动操作流程，从压力控制、流体内部换热和低温流体加热等方面考虑，实现管道内停输再启动过程中积存液态乙烷的微降压-升温汽化和管道出口低温气态乙烷的节流温度控制功能，保证干线管道和下游站场管道、设备安全。