一种大落差密相二氧化碳管道压力保护系统与方法与流程

本发明属于二氧化碳输送，特别涉及一种大落差密相二氧化碳管道压力保护系统与方法。

背景技术：

1、在能源化工行业节能减排和环境保护需求逐日增长的背景下，对二氧化碳实施规模性捕集与利用是有效降低碳排放的优选途径。其中，长距离管道输送是支撑二氧化碳捕集与利用的关键途径。二氧化碳临界温度约为31.1℃，临界压力约为7.38mpa，长距离管道输送时，公认采用压力高于临界压力的超临界或密相输送相态模式，以提高输送的经济性。其中，受长距离管道输送热量控制规律影响，目前密相输送是最佳选择。

2、由二氧化碳的特性可知，其密相输送处于高于饱和蒸气压的压力状态，以保持相态稳定。虽然具有类似于液相流体的属性，但其饱和蒸气压较高，造成其热膨胀性较大，且压缩性不如气相介质。因此密相二氧化碳管道面临水击时截断阀上游压力瞬时升高、管道停输时受环境影响引起管内介质陡增等显著问题。同时，在某些地势落差大的地区，输送管道的垂向落差较大，对于大落差密相二氧化碳管道来说，低点还面临静液压力较高的问题，在管道由于低点截断阀意外关闭时可能叠加水击压力，造成更高的瞬时压力。另外，密相二氧化碳为饱和流体，其相态稳定性受操作压力影响，由于在截断阀下游可能出现瞬时低压，因此可能造成该区域介质部分汽化；同样受低点静水压力的影响，该部分汽化空间可能由于下游介质倒流引起局部汽化介质重新快速液化的弥合水击。值得注意的是，密相二氧化碳管道在发生泄漏后将存在较长时间的压力台阶，对管道韧性止裂提出了较高的要求，因此，需从本质上减缓超压风险，保障管道运行安全。同时，密相二氧化碳具有较大的绝热泄放引起的温降，且在较低的温度下将形成“干冰固体”，可能对泄放过程造成影响，在安全泄放中应予以重视。

3、相比于常规油品管道，密相二氧化碳管道在低点水击控制上具有更显著的技术特点与更丰富的超压场景。目前，上述问题尚未见国内外相关文献的具体报道，我国的长距离二氧化碳管道尚未实质性建设，相关参考做法与经验极少。因此，需要对大落差密相二氧化碳管道压力保护系统与方法进行详细研究，保障管道系统安全，为后续大规模开展的二氧化碳管道输送工程提供参考与借鉴。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够安全、高效地实施密相二氧化碳管道输送的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统与方法。

2、本发明基于二氧化碳相态特征、低点截断阀关断工况和大落差管道静水压头等客观条件，针对大落差密相二氧化碳管道在低点关断时可能引起的阀门上游惯性与充装水击致升压、关断介质热膨胀致升压和阀门下游弥合水击致升压等多种超压场景，从超压工况识别、超压工况控制和高效泄压等角度出发，分别设置干线输送系统、超压保护与泄放系统、管道计划性泄放系统、仪表监测系统等。

3、其中，干线输送系统为输送管道本体与常规管件，用于提供密相二氧化碳管道正常输送流道；超压保护与泄放系统设置于低点截断阀上游和下游，用于对低点截断阀上游管路的惯性与充装水击升压、截断阀热膨胀升压、低点截断阀下游管路的弥合水击升压等进行超压保护；管道计划性泄放系统设置于低点截断阀上游与下游，用于配套超压保护与泄放系统，满足对干线检修泄放等需求；仪表监测系统设置于本系统中，用于对系统中关键点位的温度、压力参数进行实时监测。由此，实现大落差密相二氧化碳管道压力保护，保障系统安全运行。

4、本发明采用的技术方案是：一种大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其特征在于：包括干线输送系统、超压保护与泄放系统以及仪表监测系统；

5、所述干线输送系统用于提供密相二氧化碳管道的正常输送流道，包括上游干线管道、下游干线管道以及设置在上下游干线管道之间的低点干线截断阀；

6、所述超压保护与泄放系统设置于低点干线截断阀的上游和下游，包括上游超压安全阀、下游超压安全阀、旁路压力平衡安全阀以及多级调节泄放单元，所述旁路压力平衡安全阀设置于低点干线截断阀的旁路上，当低点干线截断阀关闭且干线输送管道超压时，所述旁路压力平衡安全阀连通上游干线管道和下游干线管道形成一级优先泄压保护，所述上游超压安全阀和下游超压安全阀分别与上游干线管道和下游干线管道相连，形成二级泄压保护，所述上游超压安全阀和下游超压安全阀的出口端与多级调节泄放单元相连；

7、所述仪表监测系统包括压力变送器和温度变送器，用于对干线输送系统和超压保护与泄放系统相应点位的压力和温度进行实时监测。

8、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述多级调节泄放单元用于对超压泄放介质进行多级压力调节和温度调节，包括依次连接的压力缓冲罐、空浴式换热器、二级压力安全阀以及放空立管，所述压力缓冲罐设置于上游超压安全阀和下游超压安全阀的下游，所述压力缓冲罐内预充装有一定压力的二氧化碳。

9、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述空浴式换热器通过爆破片与放空立管相连，所述爆破片与二级压力安全阀并联。

10、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述干线输送系统还包括旁路管道，所述旁路管道通过上游旁路截断阀和下游旁路截断阀分别与上游干线管道和下游干线管道相连，形成提供上游、下游干线管道计划性放空、超压保护工况下所需的旁路介质流道，在所述旁路管道上设置有旁路连通第一截断阀和旁路连通第二截断阀。

11、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述上游超压安全阀设置于上游旁路截断阀的下游，用于泄放上游干线超压介质，所述下游超压安全阀设置于下游旁路截断阀的下游，用于泄放下游干线超压介质。

12、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述旁路管道与管道计划性泄放系统相连，所述管道计划性泄放系统包括一级调节阀和二级调节阀，所述一级调节阀设置于旁路连通第一截断阀和旁路连通第二截断阀下游，所述二级调节阀设置于空浴式换热器下游，所述一级调节阀和二级调节阀仅在干线进行计划性泄放时开启。

13、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护系统，其所述仪表监测系统包括设置于上游干线管道的上游支线压力变送器和上游支线温度变送器、设置于下游干线管道的下游支线压力变送器和下游支线温度变送器、设置于压力缓冲罐上游的超压泄放第一温度变送、设置于压力缓冲罐下游的超压泄放第一压力变送器以及设置于空浴式换热器下游的第二温度变送器。

14、一种大落差密相二氧化碳管道压力保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

15、步骤一：管道正常运行时，保持上游干线管道、低点干线截断阀、下游干线管道、上游旁路截断阀、下游旁路截断阀开启，保持上游超压安全阀、下游超压安全阀、旁路压力平衡安全阀、压力缓冲罐、空浴式换热器、二级压力安全阀、爆破片以及放空立管处于在线状态，关闭旁路连通第一截断阀和旁路连通第二截断阀，关闭一级调节阀和二级调节阀，同时，维持压力缓冲罐内充装的二氧化碳处于一定压力，通过超压泄放第一压力变送器进行压力检测，当压力低于设定值时，及时对压力缓冲罐进行补压；

16、设置旁路压力平衡安全阀的开启压力为干线管道设计压力的一定倍数，设置上游超压安全阀和下游超压安全阀的开启压力为干线管道设计压力的倍数大于旁路压力平衡安全阀设定的倍数，设置二级压力安全阀的开启压力大于压力缓冲罐内气体压力；

17、步骤二：在低点干线截断阀意外关闭时，当上游压力超过旁路压力平衡安全阀的设定压力时，旁路压力平衡安全阀自动开启，上游干线管道中的超压介质将快速通过旁路压力平衡安全阀流入下游干线管道；

18、当上游压力继续升高并超过上游超压安全阀的设定压力时，则上游超压介质将通过上游超压安全阀流入压力缓冲罐，压力缓冲罐压力超过二级压力安全阀的设定压力后，二级压力安全阀开启，并泄放介质至放空立管；同时，当下游干线管道压力超过下游超压安全阀的设定压力时，则下游超压介质将通过下游超压安全阀流入压力缓冲罐；

19、步骤三：在管道停输时，当出现上游干线管道或下游干线管道内介质升温升压时，通过执行步骤二中上游超压安全阀和下游超压安全阀泄压的操作进行压力保护；

20、步骤四：在上游干线管道或下游干线管道进行计划性放空时，开启旁路连通第一截断阀或旁路连通第二截断阀，关闭压力缓冲罐自带的出口截断阀，缓慢开启一级调节阀和二级调节阀，保持泄放过程中一级调节阀下游压力不超过二级压力安全阀的开启压力，并关注上游支线温度变送器或下游支线温度变送器的实时温度，保证温度不低于-15℃；泄放完成后，关闭旁路连通第一截断阀、旁路连通第二截断阀、一级调节阀和二级调节阀，重新开启压力缓冲罐自带的出口截断阀。

21、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护方法，其在所述步骤一中，所述压力缓冲罐内充装的二氧化碳压力处于1.8～2.2mpa.g，当压力低于 1.8mpa.g时，对压力缓冲罐进行补压，其中，设置旁路压力平衡安全阀的开启压力为干线管道设计压力的1.0倍，设置上游超压安全阀和下游超压安全阀的开启压力为干线管道设计压力的1.1倍，设置二级压力安全阀的开启压力为 2.4～2.6mpa.g。

22、本发明所述的大落差密相二氧化碳管道压力保护方法，其在所述步骤二中，压力缓冲罐、空浴式换热器和二级压力安全阀用于提供二氧化碳泄压的压力和温度中继，以控制泄放过程中的介质压力和温度，当二级压力安全阀出现故障时，超压介质通过爆破片进行排放，进入放空立管后完成放散，泄放完成后，降低压力缓冲罐的压力至1.8～2.2mpa.g。

23、与现有技术相比，本发明的积极效果是：基于二氧化碳相态特征、低点截断阀关断工况和大落差管道静水压头等客观条件，针对大落差密相二氧化碳管道在低点关断时可能引起的阀门上游惯性与充装水击致升压、关断介质热膨胀致升压和阀门下游弥合水击致升压等多种超压场景，从超压工况识别、超压工况控制和高效泄压等角度出发，分别设置干线输送系统、超压保护与泄放系统、管道计划性泄放系统、仪表监测系统等，重点解决了低点截断阀关断下的上游水击超压、下游弥合水击超压、干线热膨胀超压、管道检修计划性泄放等问题。实现大落差密相二氧化碳管道压力保护，保障系统安全运行。

24、具体表现为：

25、(1)设置科学

26、本发明针对大落差超临界二氧化碳干线运行过程中可能出现的低点截断阀非计划性关断和检修关断等场景，识别了非计划性关断引起上游惯性与超压水击、非计划性关断引起下游弥合水击以及大落差管道静水压头等对管道影响，提出了“上游水击超压介质引入下游为主”、“上下游超压介质中继泄放”等创新性的超临界二氧化碳管道压力保护思路，设置了超压保护与泄放系统，包括上游干线水击泄放阀、上下游连通压力平衡阀、下游干线水击泄放阀、配套泄放管路、配套阀门等，用于对低点截断阀上游管路的惯性与充装水击升压、截断阀热膨胀升压、低点截断阀下游管路的弥合水击升压等进行超压保护，优先采用上下游压力平衡保护，用于连通上下游，利用上游超压介质对下游管道进行补压，一方面减少介质直接排放，一方面降低下游弥合水击的影响，并提供压力缓冲罐、二级泄放安全阀、空浴式换热器、二级泄压阀、旁路爆破片、放空立管等，用于对超压泄放介质进行多级压力调节、温度调节，满足干线超压泄放，防止泄放系统冻堵、低温对安全泄放的影响；同时，针对干线计划性检修的客观需求，基于超压保护与泄放系统设置了管道计划性泄放系统，利用二级调压，对干线管道内的超临界二氧化碳进行安全泄放。

27、(2)经济性佳

28、本发明在运行过程中，优先选择了上游向下游压力泄放的模式，诱导截断阀意外关闭时上游惯性与充装水击引起的超压介质向下游惯性水击引起的局部低压进行压力补偿，而非直接全部排向泄放系统，降低了介质排放量，降低了项目运行的碳排放成本；同时下游管道在引入上游水击超压介质后，降低了下游弥合水击的影响，亦降低了介质排放量；同时，在泄放系统中设置了压力缓冲罐、空浴式换热器等设施，利用二级泄放和级间自然换热等方式，降低了泄放系统的管材需求，提高了项目的成本优势。进一步地，利用级间自然换热，降低了能耗费用，提高了环保上的经济性。

29、(3)推动技术发展

30、目前，我国尚未开展大规模超临界(密相)二氧化碳管道的运营，本发明提出的方案起到了工程指导与参考的重要作用，提出的大落差管道低点超压保护、上下游介质补充、多级泄放等关键工艺系统配置与方法可兼顾管道安全性、系统经济性与运行环保性，推动了该领域的技术进步。