液相乙烷輸送管道放空工況研究

胡鑫怡

（中國民用航空飛行學院綿陽分院，四川 綿陽 621000）

乙烷是需求量最大的烯烴，也是石油化工發展的最重要標志。例如，乙烷裂解制乙烯具有二氧化碳排放量低、污染少、投資成本低等優點[1]。管道是乙烷大規模、長距離運輸最方便、最經濟的方式。液相管道[2]輸送方法因其輸送效率高、成本低而被廣泛應用。

管道放空系統作用是將需要放空的介質排放到安全的地方，是油氣長輸管道系統安全設施的重要組成部分[3-4]。賈保印、陳俊文等[5-6]建立了天然氣管道動態放空模型，分析了放空孔徑對放空流量、放空時間的影響。李龍冬等[7]對比分析了長輸天然氣管道干線不同放空方式，計算了放空時間；王磊等[8]研究了超臨界液化天然氣安全放空過程。目前研究[9-10］沒有考慮管內介質相變引起的物理參數變化，與液相乙烷管道實際放空過程完全不符。管輸乙烷介質一般為乙烷摩爾含量95%以上的商品乙烷，其臨界壓力和臨界溫度分別在4.9 MPa和32 ℃左右。在液相乙烷管線實際放空過程中，隨著管線壓力、溫度的降低，管線內液相乙烷可能由液相變為氣相，這會影響放空流量、密度、壓縮因子、絕熱指數等物性。因此，分析液相乙烷管道放空過程時需考慮乙烷易相變的特性。

本文對液相乙烷管道放空過程進行模擬，分析管內液相乙烷的相態、溫度、壓力等參數的變化，并研究不同溫度、壓力、放空管徑等因素對管內參數的影響規律，對乙烷管道放空過程的安全控制和經濟建設有一定指導意義。

1 放空動態模型的建立

1.1 液相乙烷管道瞬態放空模型建立

采用瞬態多相流模擬軟件建立液相乙烷管道放空模型，包括首站、管道、末站、截斷閥、放空管道和放空閥。放空流程為首先關閉管道兩端的出站閥和進站閥，然后打開放空閥進行放空。

放空過程中壓力、溫度變化迅速，準確計算商品乙烷的臨界點參數和物性參數是保證液相乙烷管道安全放空的重要前提。Lind和Bachmann[11]在文章中已采用PR狀態方程計算乙烷管道設計時高純乙烷相態的計算研究?；贔unke等[12-13]測得的純乙烷臨界點數據和純乙烷的密度、黏度和聲速等物理參數，分析PR狀態方程的計算精度，圖1和圖2分別顯示了計算值和實測值的對比。

圖1 乙烷臨界點參數計算值與實驗值的對比

圖2 乙烷密度參數計算值與實驗值的對比

結果可以發現，PR狀態方程計算誤差均遠小于5%，滿足工程計算精度要求，因此在放空模型中采用PR狀態方程進行物性及相態參數計算。

1.2 放空規律分析

以某液相乙烷輸送管道為例進行放空工況分析，待放空管道總長5 km，管道內徑300 mm，壁厚10 mm，運行壓力8 MPa，溫度20 ℃。埋地管道環境溫度10 ℃，總傳熱系數5 W/m2C。放空管位置位于管道末端，放空管徑100 mm。乙烷介質組分如表1所示。

表1 乙烷組成

圖3顯示了放空過程中管道不同位置的壓力、溫度等參數隨時間的變化情況。圖4顯示了放空過程中乙烷相態變化情況。

圖3 管道不同位置處溫度、壓力隨時間變化

圖4 主管起點、中點、末點管內相態變化圖

由圖3可知，管道溫度、壓力整體隨著放空時間的增加逐漸下降，整個放空過程可分為三個階段。第一階段為壓力快速下降階段，在放空時間0～30 s內壓降速度最快，管內壓力瞬間下降到3.5～3.8 MPa，壓降速率在168～180 kPa/s，對應圖4中的AB段。這是由于放空開始時乙烷處于液相狀態，密度大、壓縮性低，放空閥打開瞬間噴出的乙烷質量高，管內介質壓力迅速下降至一定溫度對應的飽和壓力，此時溫度下降了約10 ℃。

第二階段管內壓力緩慢下降，這是因為管內乙烷處于氣液兩相區，管內壓力為該溫度下介質的飽和壓力，同一壓力對應的密度范圍很廣（4 MPa下氣液共存相乙烷密度范圍在100～350 kg/m3），介質壓力隨密度的變化速率較低，因此管內介質壓力下降較為平緩，對應圖4中的BC段。隨著放空過程的進行，由于介質的膨脹效應以及管壁與流體之間的對流換熱，管內液相乙烷不斷汽化，氣相質量分數不斷增加，直到管內乙烷全部變為氣相。

第三階段壓力緩慢下降階段，管內乙烷已經由氣液兩相全部轉變為氣相，壓力緩慢下降，壓降速率小于0.1 kPa/s。此時管內溫度開始慢慢升高，對應圖4中的CD段。

2 放空過程影響因素分析

2.1 放空管管徑

主管管徑為300 mm，為了研究不同放空管徑對放空時間、溫度、壓力等參數的影響，設置50 mm、100 mm、200 mm、300 mm等4種放空管徑進行研究。圖5顯示在8 MPa，20 ℃條件下，不同放空管徑條件下管內介質參數變化情況。

圖5 不同放空管徑條件管內介質相態變化

由圖5可知，不同放空管徑管內壓力、溫度參數變化趨勢基本相同。放空開始時，壓力、溫度迅速下降，管內液相乙烷進入氣液兩相區，且進入兩相區的壓力均為3.3 MPa左右。然后管內乙烷一直處于氣液共存狀態，溫度壓力沿著泡點線逐漸下降。不同的是，管內乙烷從氣液兩相全部轉變為氣相對應點的壓力、溫度值隨著放空孔徑的增大而逐漸變小，5分別為（0.78 MPa，-40 ℃），（0.24 MPa，-70 ℃），（0.18 MPa，-77 ℃）和（0.14 MPa，-82 ℃）。表明放空管管徑越大，管內介質處于氣液兩相區的溫壓范圍越廣。

50 mm、100 mm、200 mm、300 mm放空管徑的放空時間分別為10 050 s、3 700 s、1 970 s、1 530 s，放空最低溫度分別為-43 ℃、-72 ℃、-77 ℃、-83 ℃，增大放空管徑能夠有效加快放空速度，但管內溫度降低。

2.2 管道初始溫度

設置0、10、20 ℃三種不同初始管內溫度分析放空工況條件下主管介質參數變化情況，見圖6。

圖6 不同溫度條件下管內相態變化

圖6可以看出，管道起始溫度越高，液相乙烷進入氣液區的溫度壓力越大，0、10、20 ℃三種工況進入氣液兩相區的臨界點分別為（2.2 MPa，-8 ℃），（2.7 MPa，2.7 ℃），（3.2 MPa，9 ℃）。當管內乙烷相態全部轉為氣相之后，管內溫度迅速回升，直至與管壁溫度相同。同時，初始溫度越低，放空時間越長，三種溫度對應的放空時間分別為4 250 s、4 160 s、3 700 s。

2.3 管道初始壓力

設置6 MPa、8 MPa、10 MPa三種初始管內壓力分析放空工況條件下主管介質參數變化情況。

從圖7中可以發現，任意起始壓力下管內介質的溫度壓力線均與乙烷相包絡線相交，且管道起始壓力越高，與包絡線的交點越低，即對應的臨界溫度壓力越低。6 MPa、8 MPa、10 MPa三種工況對應點分別為（3.1 MPa，7.8 ℃），（3.2 MPa，9 ℃），（3.5 MPa，13 ℃）。造成該現象的原因是管內液相乙烷起始壓力越高，密度越大。在放空初始階段，管內介質在放空口因膨脹而噴射出的質量越大，噴射質量越大造成的壓降也越大，從而使得液相進入氣液兩相區的飽和壓力也越低。

圖7 不同壓力條件下管道相態變化

此外，從圖中可以看出，三種工況從氣液兩相流動轉變為氣相流動的對應壓力溫度分別為（0.79 MPa，-40 ℃），（0.23 MPa，-72 ℃），（0.21 MPa，-74 ℃），即管道起始壓力越高，氣液兩相流動時間更長，相態轉變所對應的壓力、溫度也越小。同時，管道初始壓力越低，放空所需要的總時間也越少，6 MPa、8 MPa、10 MPa三種初始壓力的放空總時間分別為2 840 s，3 700 s和3 740 s。

3 液相乙烷管道放空方式優化

根據規范規定緊急放空需在15 min內將系統壓力下降到原系統壓力的一半以下，同時考慮到管道的最低承受溫度為-40 ℃，因此現有放空方式難以滿足要求。由2.1節可知，不同放空管徑放空過程中A-C的變化趨勢相同，只是由氣液兩相轉變為氣相的轉折點不同，即管道所能達到的最低溫度不同。因此，提出放空初期采用大管徑進行泄壓，快速降低壓力，與小管徑放空達到相同溫度壓力時需要的時間更短。然后調小放空閥，降低放空速度，避免管內溫度過低。圖8表示采用200 mm+50 mm兩段放空管徑的放空過程參數變化規律。

圖8 兩段式放空管內溫度、壓力變化

由圖8可知在0～13 min放空管徑為200 mm，管內溫度達到-25 ℃。然后調節放空管徑為50 mm，但此時管內溫度仍達到了-65 ℃以下。這是因為放空管徑由200 mm變為50 mm時中間穩定時間太短，管內狀態還未平衡，泄壓波仍在繼續傳遞。為此，增加穩定時間分析管內最低溫度的變化趨勢。

圖9顯示了不同穩定時間管內最低溫度的變化情況，可以發現穩定時間越長管內最低溫度越高，但超過5 min后管內最低溫度在-35 ℃左右變化不大，滿足溫度要求。綜上，針對液相乙烷管道可以采用“大管徑+穩定時間+小管徑”的三段式放空方式進行，且穩定時間應在5 min以上。

圖9 不同穩定時間下管內最低溫度

4 結 論

本文通過對液相乙烷輸送管道不同放空方式進行了模擬研究，分析放空過程中放空壓力、溫度、放空流量等參數的影響，得到以下結論：

1）液相乙烷管道放空過程中經歷三個階段，第一階段壓力迅速下降，管內乙烷進入氣液兩相區。管道起始壓力越高、起始溫度越低，管內液相乙烷進入氣液兩相區的溫度、壓力越低。第二階段是氣液共存階段，溫度壓力沿著包絡線逐漸下降，此時管內氣相持續增加。第三階段乙烷由氣液兩相全部變為氣相，壓力下降，溫度開始逐漸升高。而放空管徑越小、管道起始壓力越低，乙烷由氣液兩相變為氣相的溫度壓力越高。

2）放空管徑越大、管道初始壓力越低、初始溫度越高，管道所需要的放空總時間越短。其中在小放空管徑、低初始壓力條件下，管道最低溫度越高?；诖?，提出“大管徑+穩定時間+小管徑”三段式放空，同時滿足放空時間和管道最低承受溫度要求，為后續液相乙烷輸送管道放空系統的設計提供參考與借鑒。