摘　要：中烏天然氣管道A線繞行段置換投產(chǎn)需最大程度地將臨時(shí)段管道中的天然氣導(dǎo)入A線繞行段管道。對(duì)置換和平壓過(guò)程進(jìn)行工藝計(jì)算和數(shù)據(jù)模擬，確定投產(chǎn)初始?jí)毫?/span>0.2MPa，天然氣置換流速為5m/s，管內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度約12℃，節(jié)流后的溫度將降至約-31℃。根據(jù)實(shí)際置換速率的計(jì)算結(jié)果、閥后壓力的變化以及管道、設(shè)備的振動(dòng)情況，調(diào)整手輪總轉(zhuǎn)數(shù)以控制流量。通過(guò)分析約束條件、上下游允許的最大停輸時(shí)間、平壓作業(yè)的最佳時(shí)機(jī)，論 證了將臨時(shí)段內(nèi)的天然氣導(dǎo)入繞行段的可行性。通過(guò)對(duì)不同置換方式的工程實(shí)施方案進(jìn)行比選，解決了高壓天然氣置換過(guò)程中高壓差節(jié)流、置換速率控制的難題，實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)停輸情況下臨時(shí)段管道向繞行段管道導(dǎo)入天然氣并最終平壓的置換投產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：中烏天然氣管道；繞行段；置換投產(chǎn)；高壓差；節(jié)流；平壓

　　A線繞行段是改變?cè)兄袨跆烊粴夤艿涝O(shè)計(jì)線路向西繞行至烏茲別克斯坦加茲里氣田區(qū)的一項(xiàng)關(guān)鍵性工程，如果不采取非常措施，按期實(shí)現(xiàn)中烏天然氣管道A線單線投產(chǎn)通氣難度極大。為此，采用了通過(guò)臨時(shí)段管道連通A線管道先實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)，待A線繞行段具備投產(chǎn)條件后，再將其與A線管道連通，最終實(shí)現(xiàn)A線管道投產(chǎn)、臨時(shí)段管道停用的總體方案。

1 工程概況和技術(shù)難點(diǎn)

　　中烏天然氣管道采用雙管并行敷設(shè)和跨接管道連接方式設(shè)計(jì)，單線全長(zhǎng)529km，管徑為1067mm，設(shè)計(jì)最大輸量300×10⁸m³/a。根據(jù)建設(shè)計(jì)劃，工程先實(shí)施A線單線投產(chǎn)，待B線建設(shè)完成并具備投產(chǎn)條件后再實(shí)施B線投產(chǎn)。中烏天然氣管道A線繞行段單線線路全長(zhǎng)約115km，臨時(shí)段管道總長(zhǎng)度72.5km（圖1）。臨時(shí)段管道通過(guò)No.6.1和No.6.2閥室與No.8.1和No.8.2閥室之間的跨接線將A線管道連通，實(shí)現(xiàn)了A線臨時(shí)通氣。A線通氣投產(chǎn)后，中亞管道全線僅首站運(yùn)行1臺(tái)15MW壓縮機(jī)組，平均運(yùn)行壓力8～9MPa，輸量600×10⁴～800萬(wàn)m³/d。

　　A線繞行段投產(chǎn)采用“氣推氣（天然氣推氮?dú)猓獨(dú)馔瓶諝猓?rdquo;的置換方式，氮?dú)舛吻昂蟛患痈綦x球。提前采用制氮車對(duì)No.6.1至No.7A.1閥室之間的管段注氮并封存，封存段氮?dú)鈮毫?/span>0.1MPa（表壓），長(zhǎng)度29km。由于上游氣源不能停輸，A線繞行段投產(chǎn)的總體原則是在維持A線運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行A線繞行段置換投產(chǎn)作業(yè)^[1]，其技術(shù)難點(diǎn)表現(xiàn)在3個(gè)方面：

　?。?/span>1）為保證上游氣田和下游管道的正常運(yùn)行，此次A線繞行段置換和升壓所需的天然氣將直接從A線運(yùn)行管道下載。這就要求首站壓縮機(jī)組不能停機(jī)，同時(shí)要滿足首站上游約20km（位于土庫(kù)曼斯坦境內(nèi)）的外輸站壓縮機(jī)組的運(yùn)行條件。

　　（2）A線繞行段投運(yùn)后需要廢除臨時(shí)段管道，放空量約600萬(wàn)m³，放空時(shí)間約6d。為減少放空損失和風(fēng)險(xiǎn)，在投產(chǎn)過(guò)程中將臨時(shí)段管道內(nèi)的天然氣最大限度地導(dǎo)入A線繞行段內(nèi)。因此需要在升壓期間選擇合適時(shí)機(jī)對(duì)在運(yùn)行的A線管道進(jìn)行臨時(shí)停輸。停輸過(guò)程中，對(duì)首站壓縮機(jī)組的運(yùn)行控制模式、停輸后影響首站壓縮機(jī)組正常運(yùn)行的時(shí)間，以及臨時(shí)段與繞行段平壓需要的最大升壓流速等問(wèn)題進(jìn)行分析和解決，確保上下游平穩(wěn)生產(chǎn)。

（3）解決高壓差天然氣置換投產(chǎn)所面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)。在沒(méi)有專用流量調(diào)節(jié)設(shè)備和現(xiàn)有工藝系統(tǒng)不滿足多級(jí)降壓的條件下，由于干線平均運(yùn)行壓力為8MPa，因此必須解決此高壓差下的節(jié)流降溫對(duì)閥門和管材的影響，平穩(wěn)控制天然氣置換流速、升壓速率以及閥門和管道冰堵、振動(dòng)等問(wèn)題。

2 工藝計(jì)算

2.1 天然氣置換壓力和流速

在置換投產(chǎn)過(guò)程中，置換速率越快，混氣越少?；诒ＷC安全的前提，經(jīng)模擬計(jì)算，繞行段投產(chǎn)初始?jí)毫?/span> 為0.2MPa，并按照0.14MPa/h的進(jìn)口壓力遞增，以保持天然氣置換流速為5m/s^[2]。

2.2 節(jié)流效應(yīng)

管道任意點(diǎn)的氣體溫度^[2]為：

式中：Tx為任意點(diǎn)的氣體溫度，此處是指No.6閥室節(jié)流前的溫度，℃；T0為管道周圍介質(zhì)的溫度，即No.6閥室處的近似地溫，取12℃；T1為計(jì)算管段起點(diǎn)的氣體溫度，即首站的最高出站溫度，取55℃；x為首站與No.6閥室之間的距離，取145km；K為管道內(nèi)的氣體與土壤的總傳熱系數(shù)，取1.745W/（m²℃）^[3]；G為氣體的相對(duì)密度，取0.726；cp為氣體的定壓比熱容，在 9MPa下的定壓比熱容為1750J/（kg℃）；Q為首站進(jìn)口氣體的流量，取600萬(wàn)m³/d；D為管道外徑，取1.067m。

根據(jù)上式計(jì)算得到No.6閥室上游管道的溫度變化趨勢(shì)（圖2）。Tx＝12.02℃，即No.6閥室處管內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度約12℃，與該處地溫一致。

由于距離較遠(yuǎn)，輸量較小，管內(nèi)的氣體流速僅為0.70～0.75m/s，導(dǎo)致No.6閥室處管道內(nèi)天然氣節(jié)流前的溫度與地溫基本相同。

根據(jù)天然氣壓力每降低1MPa，溫度降低約5.5℃的經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)天然氣壓力由8.0MPa通過(guò)一級(jí)節(jié)流降至0.2MPa（置換初始?jí)毫Γr(shí)，節(jié)流前管內(nèi)天然氣的溫度為12℃，節(jié)流后溫度將降至約-31℃。

2.3 節(jié)流截止閥的特性曲線模擬

No.6閥室的旁通和放空截止閥均采用FJ41Y-600節(jié)流截止放空閥，根據(jù)廠家提供的該閥滿足流量、壓差的開(kāi)度范圍，模擬壓差為8～0.2MPa的節(jié)流特性曲線（圖3）。在（30～80）萬(wàn)m³/h的流量條件下，FJ41Y型節(jié)流截止閥的流道直徑、開(kāi)啟高度行程、手輪開(kāi)啟的轉(zhuǎn)數(shù)與通過(guò)流量呈線性關(guān)系。當(dāng)手輪開(kāi)啟5.8轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)流量將達(dá)到30萬(wàn)m³/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出置換投產(chǎn)期間的控制流量；當(dāng)手輪每開(kāi)啟0.5轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)流量將增加5萬(wàn)m³/h。

模擬曲線僅為置換投產(chǎn)操作參考，在實(shí)際置換操作過(guò)程中，為保證安全，可根據(jù)實(shí)際情況按照1/4轉(zhuǎn)的開(kāi)啟方式逐步開(kāi)啟節(jié)流截止閥的手輪，在0.2MPa初始?jí)翰顥l件下，可保持手輪總轉(zhuǎn)數(shù)1～2轉(zhuǎn)不變，隨后根據(jù)實(shí)際置換速率的計(jì)算結(jié)果、閥后壓力的變化以及管道、設(shè)備的振動(dòng)情況調(diào)整手輪總轉(zhuǎn)數(shù)以控制適當(dāng)范圍的通過(guò)流量。

3 臨時(shí)段天然氣導(dǎo)入繞行段的可行性

3.1 約束條件

中亞天然氣管道霍爾果斯末站的進(jìn)站壓力不低于7.1MPa；該管道首站出站壓力不超過(guò)9.81MPa，進(jìn)站壓力不超過(guò)7.1MPa，否則將嚴(yán)重影響上游供氣。通過(guò)對(duì)中烏天然氣管道首站的運(yùn)行調(diào)整，保證土庫(kù)曼斯坦 阿姆河氣田外輸站壓縮機(jī)組的正常運(yùn)行。

3.2 上下游允許的最大停輸時(shí)間

根據(jù)中亞天然氣管道霍爾果斯末站的進(jìn)站壓力7.5MPa和出口流量700萬(wàn)m³/h的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，No.8.2閥室關(guān)閉36h后，霍爾果斯末站進(jìn)站壓力降到7.1MPa（圖4），即No.8.2閥室關(guān)閉36h后將影響到下游正常運(yùn)行。

根據(jù)No.6.2閥室前段管道平均壓力8MPa和中烏管道首站進(jìn)口流量600萬(wàn)m³/h的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，在首站壓縮機(jī)組不停機(jī)的情況下，No.6.2閥室關(guān)閉約6h后，該閥室上游管道平均壓力達(dá)到9MPa；約11h后，該閥室上游管道平均壓力達(dá)到9.8MP（a圖5）經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，約9h后，首站壓縮機(jī)組因出口壓力達(dá)到9.8MPa而停機(jī)，進(jìn)而使阿姆河氣田外輸站壓縮機(jī)組停機(jī)，影響上游的正常運(yùn)行。為了安全起見(jiàn)，可以按No.6.2閥室上游管道平均壓力達(dá)到9MPa時(shí)的6h作為平壓作業(yè)的實(shí)施時(shí)間。

3.3 平壓作業(yè)的最佳時(shí)機(jī)

按照15萬(wàn)m³/h和20萬(wàn)m³/h的升壓速率，從繞行段整體升壓至3MPa開(kāi)始，計(jì)算完全平壓所需要的時(shí)間，得出繞行段初始?jí)毫Α⑸龎核俾屎蜁r(shí)間之間的關(guān)系曲線（圖6）。繞行段升壓至4.5MPa后，按照20萬(wàn)m³/h的升壓速率，完全平壓需要5.5h；在繞行段升壓至5.2MPa后，按照15萬(wàn)m³/h的升壓速率，完全平壓需要6h。為確保升壓盡快完成，同時(shí)考慮安全因素和計(jì)算誤差，選擇在繞行段升壓至4.5MPa作為進(jìn)氣平壓點(diǎn)。

4 方案優(yōu)選與實(shí)施

　　4.1 方案1

　　在No.6.1閥室，采用GLV0611節(jié)流截止閥直接從8MPa壓力進(jìn)行一級(jí)節(jié)流至置換初始?jí)毫?/span>0.2MPa，對(duì)A線繞行段進(jìn)行天然氣置換和升壓。

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行任何工藝改造，但存在以下缺點(diǎn)：節(jié)流處天然氣流速過(guò)快，最大流速可能達(dá)到214m/s，會(huì)造成管道和設(shè)備損壞；由于閥門是普通碳鋼材料，最低耐溫為-29℃，根據(jù)上述節(jié)流效應(yīng)的分析，節(jié)流后的溫度可能會(huì)達(dá)到-31℃，低溫可能導(dǎo)致閥門出現(xiàn)冷脆特性而損壞；由于安裝在首站的在線水露點(diǎn)檢測(cè)儀檢測(cè)到的平均水露點(diǎn)約為-23℃，節(jié)流后的天然氣溫度低于水露點(diǎn)值，因此低溫將導(dǎo)致游離水快速形成，造成閥門冰堵，導(dǎo)致設(shè)備損壞和投產(chǎn)失??；節(jié)流處上下游管道劇烈振動(dòng)，存在事故風(fēng)險(xiǎn)；一旦現(xiàn)場(chǎng)操作和控制不當(dāng)，容易造成置換流速過(guò)快，可能使天然氣穿透純氮?dú)舛危⑴c空氣、氮?dú)饣旌闲纬杀ㄐ曰旌蠚怏w，存在事故隱患^[1]。雖然可以考慮利用高功率電伴熱帶或蒸汽車等加熱裝置對(duì)節(jié)流處進(jìn)行加熱，但因現(xiàn)場(chǎng)不具備相應(yīng)條件且很難驗(yàn)證該措施的有效性，而且節(jié)流處管道和設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題很難解決，因此該方案不可行。

　　4.2 方案2

　　全線不降壓，采取臨時(shí)停輸?shù)姆绞剑P(guān)閉No.6.2和No.8.2閥室干線截?cái)嚅y，通過(guò)兩個(gè)閥室的放空管道放空臨時(shí)段管存天然氣，將臨時(shí)管道壓力降至4.0MPa后，停止放空，再利用CL.8跨接線的旁通球閥進(jìn)行流量控制，利用臨時(shí)段管存天然氣對(duì)A線繞行段進(jìn)行天然氣置換。

　　該方案的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)安全性較好，不必全線降壓停輸。缺點(diǎn)是臨時(shí)停輸放空、置換需用3d時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上游生產(chǎn)允許的9h時(shí)限；即使在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠完成置換，在對(duì)繞行段升壓時(shí)仍會(huì)遇到高壓差節(jié)流、振動(dòng)等問(wèn)題；需用跨接線旁通球閥節(jié)流，但這易造成球閥損壞，從而對(duì)后續(xù)B線動(dòng)火連頭造成較大危險(xiǎn)。因此，該方案亦不可行。

　　4.3 方案3

　　對(duì)No.6閥室進(jìn)行工藝改造，增加二級(jí)節(jié)流，通過(guò)兩級(jí)降壓解決節(jié)流降溫和振動(dòng)問(wèn)題。利用DN300管道將兩閥室的放空口進(jìn)行連接（圖7藍(lán)色線條部分），并加裝2個(gè)注氮閥，加裝1臺(tái)節(jié)流截止放空閥GLV0623和1個(gè)壓力表。為解決節(jié)流造成的振動(dòng)對(duì)放空管道的影響，在GLV0612和GLV0622節(jié)流截止放空閥之間的放空管道加裝壓重塊，然后回填并夯實(shí)。

　　該方案的置換流程：中烏管道A線來(lái)氣經(jīng)過(guò)CL.7跨接線后，一路通過(guò)GHV0621干線截?cái)嚅y利用臨時(shí)段管道向下游繼續(xù)供氣，另一路通過(guò)閥門BV0621、GLV0621、GLV0622、GLV0623、GLV0612、BV0612向繞行段進(jìn)氣置換。

置換操作步驟：根據(jù)PI0623和PI0612壓力表的讀數(shù)，利用節(jié)流截止放空閥的特性曲線，通過(guò)對(duì)GLV0621、GLV0622、GLV0623節(jié)流截止放空閥的聯(lián)合控制操作，保持GLV0623前后壓差在3～4MPa之間，確保GLV0623和GLV0622共同分擔(dān)節(jié)流降壓，同時(shí)，根據(jù)實(shí)際置換速率聯(lián)合控制該組閥門的開(kāi)度，保持5m/s的天然氣置換速率。 平壓操作步驟：待繞行段升壓至4.5MPa時(shí)，打開(kāi)BV0622，關(guān)閉No.6.2和No.8.2閥室干線截?cái)嚅y，關(guān)閉BV0621和GLV0621，中烏管道臨時(shí)停輸，臨時(shí)段開(kāi)始向繞行段進(jìn)氣平壓。平壓結(jié)束后，打開(kāi)BV0621和GLV0621，關(guān)閉BV0622，通過(guò)初始升壓流程將A線來(lái)氣導(dǎo)入繞行段繼續(xù)進(jìn)行升壓，升壓完畢后，打開(kāi)No.6.1和No.6.2閥室干線截?cái)嚅y，繞行段完成投產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)3種方案比選，采用方案3投產(chǎn)后，成功實(shí)現(xiàn)了A線繞行段管道的按期投產(chǎn)，并與中烏天然氣管道A線貫通運(yùn)行。繞行段與臨時(shí)段平壓作業(yè)使臨時(shí)段管道壓力下降約1.5MPa，在降低了放空風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，減少了天然氣放空的經(jīng)濟(jì)損失。A線繞行段置換投產(chǎn)技術(shù)和工藝改造方案成功實(shí)施后，又成功地應(yīng)用到B線管道的投產(chǎn)，也創(chuàng)造了9MPa壓差下長(zhǎng)輸天然氣管道置換投產(chǎn)的新紀(jì)錄。

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(本文作者：姜進(jìn)田、高斌　中國(guó)石油管道公司，河北廊坊065000)