海上平台超临界二氧化碳泄放工艺研究——以渤中25-1海上平台为例.pdf
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1、第 卷第期 年 月中 国 海 上 油 气 第 一 作 者 简 介:何 蕾,女,博 士 后 研 究 员,年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学(北 京)油 气 储 运 工 程 专 业 获 博 士 学 位,主 要 从 事 海 洋 油 气 生 产 平 台工 艺 研 究 及 设 计 工 作。地 址:北 京 市 朝 阳 区 太 阳 宫 南 街号 院(邮 编:)。:。文 章 编 号:?()?:?引 用:何 蕾,张 明,衣 华 磊,等海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 工 艺 研 究 以 渤 中 海 上 平 台 为 例中 国 海 上 油 气,():,:,():海 上 平 台 超 临 界 二
2、氧 化 碳 泄 放 工 艺 研 究 以 渤 中 海 上 平 台 为 例何蕾张明衣 华 磊杨 天 宇刘 人 玮杨 泽 军马 晨 波(中 海 油 研 究 总 院 有 限 责 任 公 司北 京 )摘要近 年 来,在 双 碳 目 标 背 景 下,二 氧 化 碳 捕 获、利 用 与 封 存 技 术 开 始 应 用 于 海 上 油 气 生 产,新 技 术 引 入带 来 了 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 由 于 剧 烈 温 度、压 力 变 化 导 致 的 材 料 脆 性 断 裂,以 及 剧 烈 相 变 生 成 干 冰,冲蚀 和 堵 塞 管 线 等 问 题。基 于 此,以 渤 中 海 上 平 台
3、 注 气 管 汇 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 问 题 为 例,使 用 软 件 搭 建 了 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 动 态 仿 真 模 型,分 析 泄 放 过 程 工 艺 参 数 影 响 因 素,进 而 提 出 多 级 泄 放 工艺 过 程 及 参 数 控 制 方 案,对 不 同 方 案 及 参 数 设 置 进 行 了 优 选,并 分 析 了 选 定 方 案 在 不 同 工 况 下 的 适 应 性。结果 表 明,所 提 出 的 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 方 案 能 够 将 最 低 泄 放 温 度 提 升 至 ,可 有 效 避 免 干冰 生 成
4、;所 选 方 案 在 低 温 控 制 方 面 优 于 其 他 方 案,且 适 用 于 高 二 氧 化 碳 伴 生 气、不 同 初 始 泄 放 温 度 及 泄 放 阀故 障 工 况。本 研 究 为 海 上 平 台 的 超 临 界 二 氧 化 碳 安 全 泄 放 工 艺 流 程 设 计 与 工 程 建 造 提 供 了 参 考。关 键 词海 上 平 台;超 临 界 二 氧 化 碳;泄 放 系 统;工 艺 设 计;泄 放 压 力;最 低 温 度中 图 分 类 号:;文 献 标 识 码:犛 狋 狌 犱 狔 狅 狀 狊 狌 狆 犲 狉 犮 狉犻狋犻犮 犪犾 犆 犗犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅
5、犮 犲 狊狊 犳 狅 狉 狅 犳犳狊 犺 狅 狉 犲 狆 犾犪 狋犳 狅 狉 犿 狊:犃 犮 犪 狊 犲 狊狋 狌 犱 狔 狅 犳 犅 犣 狅 犳犳狊 犺 狅 狉 犲 狆 犾犪 狋犳 狅 狉 犿 (犆 犖 犗 犗 犆 犚 犲狊犲 犪 狉 犮 犺 犐 狀 狊狋犻狋 狌 狋犲 犔 狋 犱,犅 犲犻 犼犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊狋狉 犪 犮狋:,犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊:;第 卷第期 何蕾 等:海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 工 艺 研 究 以 渤 中 海 上 平 台 为 例 近 年 来,在 国 家 双 碳 目 标 背 景 下,为 解 决 碳 排 放问 题
6、,二 氧 化 碳 捕 获、利 用 与 封 存()技 术 开 始应 用 于 海 上 石 油 生 产 行 业 。新 技 术 的 引 入 带 来了 高 压 二 氧 化 碳 工 艺 系 统 安 全 泄 放 问 题。一 方 面,超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 中 的 剧 烈 压 降 和 温 降 过 程引 发 低 温 问 题,导 致 材 料 脆 性 断 裂;另 一 方 面,剧 烈的 相 变 过 程 极 易 达 到 二 氧 化 碳 的 三 相 点(,),生 成 干 冰 冲 蚀 甚 至 堵 塞 泄 放 管 线,干 冰喷 射 到 生 产 平 台 将 严 重 影 响 设 备 及 人 员 安 全。因 此
7、,开 展 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 系 统 的工 艺 设 计 研 究,对 于 保 证 系 统 安 全 性 具 有 重 要意 义。近 年 来,研 究 人 员 通 过 实 验 及 仿 真 模 拟,对 超 临界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 热 力 学 模 型 的 适 应 性、工 艺 参数 变 化 及 影 响 因 素 等 方 面 展 开 研 究。在 热 力 学 模 型选 择 方 面,针 对 纯 二 氧 化 碳 及 二 氧 化 碳 与 氮 气、正 庚烷 等 二 元 体 系 论 证 了 、等 热力 学 模 型 的 适 用 性。但 对 于 实 际 高 含 二 氧 化 碳的 多
8、元 体 系,需 要 结 合 组 分 特 性 对 热 力 学 方 程 进 行比 选。在 二 氧 化 碳 工 业 级 动 态 泄 放 工 艺 研 究 方面,针 对 二 氧 化 碳 高 压 容 器 通 过 孔 板 向 大 气 泄 放 过程、管 道 通 过 泄 放 管 线 向 大 气 泄 放 过 程 展 开了 大 量 实 验 研 究,分 析 了 孔 板 尺 寸、泄 放 管 尺 寸 及 初始 泄 放 温 度 对 泄 放 过 程 最 低 温 度 的 影 响。在 泄 放 仿真 模 拟 方 面,主 要 基 于 中 的 固 定 模 块 、动 态 仿 真 软 件 进 行 海 上 平 台 天 然 气 及 陆 上 超
9、 临 界 二 氧 化 碳 管 道 的直 接 泄 放 工 艺 流 程 模 拟。上 述 研 究 主 要 针 对 管 道 泄 放 过 程,缺 少 以 上 高 压 二 氧化 碳 的 动 态 泄 放 研 究。工 艺 流 程 方 面 仅 停 留 在 直 接泄 放 过 程 的 仿 真 模 拟,但 直 接 泄 放 流 程 中 存 在 干 冰冲 蚀、喷 射 问 题,严 重 时 可 能 堵 塞 管 道,发 生 爆 管 风险,无 法 应 用 到 海 上 平 台 的 泄 放 工 艺 流 程 中。为保 证 泄 放 过 程 顺 利 进 行,研 究 人 员 针 对 陆 上 管 道 提出 了 多 级 泄 放 中 间 加 热
10、的 解 决 方 案,但 尚 未 对 具体 工 艺 参 数 控 制 方 法 展 开 详 细 研 究。本 文 以 渤 中 海 上 平 台 为 例,基 于 海 上 平 台含 杂 质 高 压 二 氧 化 碳 注 气 管 汇 泄 放 过 程 工 艺 参 数 特性 分 析,提 出 适 用 于 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放工 艺 流 程 及 控 制 参 数,利 用 动 态 仿 真 软件 对 包 含 工 艺 参 数 控 制 逻 辑 的 超 临 界 二 氧 化 碳泄 放 过 程 进 行 仿 真 模 拟,并 分 析 工 艺 控 制 参 数 选 取的 合 理 性 及 该 工 艺 流 程 对 不
11、 同 工 况 的 适 应 性,以 期为 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 安 全 泄 放 提 供 参 考。海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 工 艺模 型 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 注 气 管 汇 在 火 灾、维修 等 工 况 下,需 要 关 断 两 端 截 断 阀,然 后 通 过 放 空 系统 泄 放 管 汇 中 的 超 临 界 二 氧 化 碳。本 节 根 据 超 临 界二 氧 化 碳 常 规 直 接 泄 放 工 艺 流 程,进 行 热 力 学 模 型、动 态 仿 真 软 件 适 应 性 比 选;分 析 不 同 影 响 因 素 对 泄放 工 艺 参
12、 数 的 影 响;基 于 工 艺 参 数 变 化 特 点,以 控 制泄 放 过 程 管 道 内 不 生 成 干 冰 为 目 标,提 出 超 临 界 二氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 流 程。直 接 泄 放 工 艺 模 型以 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 注 气 管 汇泄 放 为 例,开 展 海 上 平 台 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 工 艺 问 题研 究。将 二 氧 化 碳 注 气 管 汇 等 效 为 一 段 长 ,内径 的 管 道,运 行 压 力 ,初 始 泄 放温 度 ,注 气 量 ,环 境 温 度。考 虑 到 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 中
13、产 生 的 低 温 问题,为 防 止 海 上 平 台 人 员 作 业 接 触 到 相 关 管 线 或 设备 造 成 低 温 冻 伤,需 要 在 管 汇 及 泄 放 系 统 管 道 及 设 备中 增 加 隔 热 层。根 据低 温 管 道 与 设 备 防 腐 保 冷 技 术规 范 规 定:温 度 范 围 ,保 温 层 材 料 导 热 系 数 不 大 于 (),设 置管 壁 到 环 境 传 热 系 数 为 ()。注 气 管汇 气 体 组 分 见 表。表 注 气 管 汇 气 体 组 分犜 犪 犫 犾犲 犆 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋狊 狅 犳 犵 犪 狊 犻 狀 犻 狀 犼犲 犮狋犻狅 狀 犿 犪
14、 狀 犻犳 狅犾 犱组 分摩 尔 分 数组 分摩 尔 分 数 在 热 力 模 型 选 择 方 面,基 于 热 力 学 计 算 软 件 ,采 用 立 方 型 方 程、多 参 数 方程、亥 姆 霍 兹 方 程 等种 常 用的 二 氧 化 碳 计 算 热 力 学 模 型,对 表注 气 管 汇 气体 组 分 进 行 了 气 液 相 平 衡 计 算,得 到条 气 液 相 包 中 国 海 上 油 气 年 月线(每 条 气 液 相 包 线 左 侧 为 泡 点 线,是 液 相 区 与 气 液两 相 区 的 分 界 线;右 侧 为 露 点 线,是 气 液 两 相 区 与 气相 的 分 界 线,两 线 交 点 为
15、 临 界 点)。对 比种 热 力 学模 型 的 相 平 衡 计 算 结 果(图),发 现:立 方 型 方图 四 种 热 力 学 模 型 注 气 管 汇 气 体 组 分 气 液 相 包 线犉 犻犵 犉 狅 狌 狉 狋 犺 犲 狉 犿 狅 犱 狔 狀 犪 犿 犻犮 犿 狅 犱 犲犾狊 犳 狅 狉 犮 犪犾犮 狌 犾犪 狋犻 狀 犵 狋 犺 犲犵 犪 狊犾犻 狇 狌 犻 犱 狆 犺 犪 狊犲 犲 狀 狏 犲犾狅 狆 犲 狅 犳 犵 犪 狊 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋狊 犻 狀犵 犪 狊 犻 狀 犼犲 犮狋犻狅 狀 狆 犻 狆 犲 犿 犪 狀 犻犳 狅犾 犱 狊程 和 亥 姆 霍 兹 型 方
16、程 对 三 相 点 的 计 算结 果 高 度 近 似。二 氧 化 碳 中 的 杂 质 对 相 态 计 算 结 果 影响 较 大,相 比 于 非 极 性 分 子,微 量 的 极 性 分 子()将导 致 亥 姆 霍 兹 型 方 程 和 亥 姆 霍兹 型 方 程 计 算 的 气 液 相 包 线 出 现 明 显 畸 变。在 包 含 组 分 及 自 由 水 的 混 合 气 体 中,亥 姆霍 兹 型 方 程 和 方 程 无 法 计 算 出 泡 点 线。因此,选 用 立 方 型 方 程 进 行 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放过 程 动 态 仿 真 模 拟。在 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放
17、模 型(图)中,设置 管 道 出 口 压 力 为 ,调 整 管 道 入 口 压 力 使 管道 出 口 流 量 达 到 正 常 输 量,运 行 稳 定 后 保 存 该 工 况作 为 初 始 条 件。放 空 管 内 径 ,长 ,入口 处 连 接 泄 放 阀 和 限 流 孔 板。泄 放 过 程 中,关 闭 管线 两 端 截 断 阀 、,开 启 泄 放 阀 ,模 拟 超临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 动 态 过 程。图 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 仿 真 模 型犉 犻犵 犇 犻狉 犲 犮狋 犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狅 犳 狊 狌 狆 犲 狉 犮 狉
18、犻狋犻犮 犪犾 犆 犗 分 别 采 用 、及 三 款 商 用软 件 对 含 杂 质 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 过 程 最 低 温度 进 行 计 算 比 较(表),发 现:极 性 和 非 极 性 杂 质 的引 入,使 二 氧 化 碳 气 液 两 相 区 变 宽,在 低 温低 压 两 相 区 内 闪 蒸 计 算 出 现 迭 代 不 收 敛 问 题;通 过 给 定 温 度、压 力 区 间 进 行 插 值 的 方 法 对流 体 物 性 进 行 处 理,不 涉 及 实 时 闪 蒸 计 算,因 此,在 背压 为、的 泄 放 动 态 模 拟 过 程 中 未 出 现 计算 发 散 问 题;针
19、 对 泄 放 动 态 模 拟 过 程 有 专门 的 计 算 模 块,采 用 该 模 块 计 算 所得 的 最 低 泄 放 温 度 与 软 件 计 算 结 果 基 本 一致,进 而 侧 面 验 证 了 模 拟 结 果 的 可 靠 性。表 不 同 软 件 对 含 杂 质 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 模 拟结 果 对 比犜 犪 犫 犾犲 犆 狅 犿 狆 犪 狉犻狊 狅 狀 狅犳 犱犻犳犳犲狉犲 狀 狋 狊 狅犳狋 狑 犪 狉犲狊 狊犻 犿 狌犾犪狋犻狅 狀 狉犲狊 狌犾狋狊犳 狅 狉 狊 狌 狆 犲 狉 犮 狉犻狋犻犮 犪犾 犆 犗犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊
20、 狑 犻狋 犺 犻 犿 狆 狌 狉犻狋犻犲狊软 件 背 压 最 低 泄 放 温 度 闪 蒸 错 误 闪 蒸 错 误 第 卷第期 何蕾 等:海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 工 艺 研 究 以 渤 中 海 上 平 台 为 例 但 计 算 模 块 仅 包 含 泄 放 罐、泄 放 阀、限 流 孔 板、放 空 管 几 部 分(表中 软 件 计 算采 用 泄 放 罐 表 征 注 气 管 汇),不 利 于 开 展 多 级 泄 放 压力 控 制、加 热 等 工 艺 流 程 的 设 计。因 此,本 文 后 续 研究 均 采 用 对 泄 放 工 艺 流 程 进 行 动 态 模 拟。利 用 软
21、件 构 建 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄放 工 艺 流 程(图),对 泄 放 过 程 中 低 温 及 峰 值 泄 放量 的 影 响 因 素 进 行 对 比 分 析,发 现:泄 放 最 低 温 度 主要 受 泄 放 背 压 的 影 响,泄 放 背 压 提 升 至 时,最 低泄 放 温 度 可 提 升 至 ;大 气 压()下,干 冰 生 成 温 度 为 ,因 此,若 泄 放 背 压过 低,高 压 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 到 大 气 中,不 可 避 免 地产 生 干 冰 冲 蚀 并 可 能 堵 塞 泄 放 管 道;限 流 孔 板 的 使 用能 够 有 效 降 低 峰 值 泄 放 速
22、 度 及 温 降 速 率,但 对 最 低 泄放 温 度 的 影 响 不 大;初 始 泄 放 温 度 影 响 放 空 管 内 流 体的 黏 度,进 而 影 响 峰 值 泄 放 速 率 及 温 降 速 速 率,但 同样 对 最 低 泄 放 温 度 的 影 响 不 大(表)。多 级 泄 放 工 艺 模 型基 于 表的 分 析,提 高 背 压 能 够 避 免 超 临 界 二氧 化 碳 泄 放 过 程 中 干 冰 的 生 成,但 直 接 泄 放 工 艺 流程 在 实 际 泄 放 过 程 中 无 法 实 现 背 压 控 制。因 此,结合 等 二 氧 化 碳 管 道 泄 放 实 验 中 观 测 到的 气 液
23、 分 层 及 气 液 相 大 温 差 现 象,提 出 了 海 上 平 台超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 流 程(图),通 过 对超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 中 的 背 压 控 制 及 低 温 液 相分 离,避 免 管 道 内 干 冰 生 成。表 超 临 界 二 氧 化 碳 直 接 泄 放 工 艺 参 数 影 响 因 素犜 犪 犫 犾犲 犐 狀 犳犾狌 犲 狀 犮犻 狀 犵 犳 犪 犮狋 狅 狉狊 狅 犳 狊 狌 狆 犲 狉 犮 狉犻狋犻犮 犪犾 犆 犗狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狆 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 犻 狀 犱 犻狉 犲 犮狋 犫 犾狅 狑 犱 狅
24、狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊工 艺 参 数泄 放 背 压 孔 板 尺 寸 初 始 泄 放 温 度最 低 泄 放温 度降 至 最 低 温度 所 需 时 间峰 值 泄 放 量()无 图 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 流 程犉 犻犵 犕 狌 犾狋犻狊狋 犪 犵 犲 犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狅 犳 狊 狌 狆 犲 狉 犮 狉犻狋犻犮 犪犾 犆 犗犻 狀 犅 犣 狅 犳犳狊 犺 狅 狉 犲 狆 犾犪 狋犳 狅 狉 犿 中 国 海 上 油 气 年 月 在 多 级 泄 放 工 艺 流 程 中,超 临 界 二 氧 化 碳 气 体通
25、过 泄 放 阀 及 限 流 孔 板 进 入 泄 放 流程。考 虑 泄 放 过 程 中,气 体 压 力 和 温 度 下 降,超 临 界二 氧 化 碳 将 通 过 泡 点 线 进 入 气 液 两 相 区 的 特 点,增设 了 分 液 罐,在 罐 内 实 现 低 温 液 体 与 气 体 分 离。结合 最 低 泄 放 温 度 影 响 因 素 分 析 结 果,泄 放 前 将 分 液罐 充 压 至 ,从 而 提 高 初 始 泄 放 过 程 中 限 流 孔板 后 的 背 压,降 低 干 冰 生 成 风 险。为 避 免 放 空 管 泄 放阀 后 温 度 过 低,在 分 液 罐 气 相 出 口 设 置 电 加
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