液相乙烷输送管道放空工况研究

胡鑫怡

（中国民用航空飞行学院绵阳分院，四川 绵阳 621000）

乙烷是需求量最大的烯烃，也是石油化工发展的最重要标志。例如，乙烷裂解制乙烯具有二氧化碳排放量低、污染少、投资成本低等优点[1]。管道是乙烷大规模、长距离运输最方便、最经济的方式。液相管道[2]输送方法因其输送效率高、成本低而被广泛应用。

管道放空系统作用是将需要放空的介质排放到安全的地方，是油气长输管道系统安全设施的重要组成部分[3-4]。贾保印、陈俊文等[5-6]建立了天然气管道动态放空模型，分析了放空孔径对放空流量、放空时间的影响。李龙冬等[7]对比分析了长输天然气管道干线不同放空方式，计算了放空时间；王磊等[8]研究了超临界液化天然气安全放空过程。目前研究[9-10］没有考虑管内介质相变引起的物理参数变化，与液相乙烷管道实际放空过程完全不符。管输乙烷介质一般为乙烷摩尔含量95%以上的商品乙烷，其临界压力和临界温度分别在4.9 MPa和32 ℃左右。在液相乙烷管线实际放空过程中，随着管线压力、温度的降低，管线内液相乙烷可能由液相变为气相，这会影响放空流量、密度、压缩因子、绝热指数等物性。因此，分析液相乙烷管道放空过程时需考虑乙烷易相变的特性。

本文对液相乙烷管道放空过程进行模拟，分析管内液相乙烷的相态、温度、压力等参数的变化，并研究不同温度、压力、放空管径等因素对管内参数的影响规律，对乙烷管道放空过程的安全控制和经济建设有一定指导意义。

1 放空动态模型的建立

1.1 液相乙烷管道瞬态放空模型建立

采用瞬态多相流模拟软件建立液相乙烷管道放空模型，包括首站、管道、末站、截断阀、放空管道和放空阀。放空流程为首先关闭管道两端的出站阀和进站阀，然后打开放空阀进行放空。

放空过程中压力、温度变化迅速，准确计算商品乙烷的临界点参数和物性参数是保证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状态方程计算乙烷管道设计时高纯乙烷相态的计算研究。基于Funke等[12-13]测得的纯乙烷临界点数据和纯乙烷的密度、黏度和声速等物理参数，分析PR状态方程的计算精度，图1和图2分别显示了计算值和实测值的对比。

图1 乙烷临界点参数计算值与实验值的对比

图2 乙烷密度参数计算值与实验值的对比

结果可以发现，PR状态方程计算误差均远小于5%，满足工程计算精度要求，因此在放空模型中采用PR状态方程进行物性及相态参数计算。

1.2 放空规律分析

以某液相乙烷输送管道为例进行放空工况分析，待放空管道总长5 km，管道内径300 mm，壁厚10 mm，运行压力8 MPa，温度20 ℃。埋地管道环境温度10 ℃，总传热系数5 W/m2C。放空管位置位于管道末端，放空管径100 mm。乙烷介质组分如表1所示。

表1 乙烷组成

图3显示了放空过程中管道不同位置的压力、温度等参数随时间的变化情况。图4显示了放空过程中乙烷相态变化情况。

图3 管道不同位置处温度、压力随时间变化

图4 主管起点、中点、末点管内相态变化图

由图3可知，管道温度、压力整体随着放空时间的增加逐渐下降，整个放空过程可分为三个阶段。第一阶段为压力快速下降阶段，在放空时间0～30 s内压降速度最快，管内压力瞬间下降到3.5～3.8 MPa，压降速率在168～180 kPa/s，对应图4中的AB段。这是由于放空开始时乙烷处于液相状态，密度大、压缩性低，放空阀打开瞬间喷出的乙烷质量高，管内介质压力迅速下降至一定温度对应的饱和压力，此时温度下降了约10 ℃。

第二阶段管内压力缓慢下降，这是因为管内乙烷处于气液两相区，管内压力为该温度下介质的饱和压力，同一压力对应的密度范围很广（4 MPa下气液共存相乙烷密度范围在100～350 kg/m3），介质压力随密度的变化速率较低，因此管内介质压力下降较为平缓，对应图4中的BC段。随着放空过程的进行，由于介质的膨胀效应以及管壁与流体之间的对流换热，管内液相乙烷不断汽化，气相质量分数不断增加，直到管内乙烷全部变为气相。

第三阶段压力缓慢下降阶段，管内乙烷已经由气液两相全部转变为气相，压力缓慢下降，压降速率小于0.1 kPa/s。此时管内温度开始慢慢升高，对应图4中的CD段。

2 放空过程影响因素分析

2.1 放空管管径

主管管径为300 mm，为了研究不同放空管径对放空时间、温度、压力等参数的影响，设置50 mm、100 mm、200 mm、300 mm等4种放空管径进行研究。图5显示在8 MPa，20 ℃条件下，不同放空管径条件下管内介质参数变化情况。

图5 不同放空管径条件管内介质相态变化

由图5可知，不同放空管径管内压力、温度参数变化趋势基本相同。放空开始时，压力、温度迅速下降，管内液相乙烷进入气液两相区，且进入两相区的压力均为3.3 MPa左右。然后管内乙烷一直处于气液共存状态，温度压力沿着泡点线逐渐下降。不同的是，管内乙烷从气液两相全部转变为气相对应点的压力、温度值随着放空孔径的增大而逐渐变小，5分别为（0.78 MPa，-40 ℃），（0.24 MPa，-70 ℃），（0.18 MPa，-77 ℃）和（0.14 MPa，-82 ℃）。表明放空管管径越大，管内介质处于气液两相区的温压范围越广。

50 mm、100 mm、200 mm、300 mm放空管径的放空时间分别为10 050 s、3 700 s、1 970 s、1 530 s，放空最低温度分别为-43 ℃、-72 ℃、-77 ℃、-83 ℃，增大放空管径能够有效加快放空速度，但管内温度降低。

2.2 管道初始温度

设置0、10、20 ℃三种不同初始管内温度分析放空工况条件下主管介质参数变化情况，见图6。

图6 不同温度条件下管内相态变化

图6可以看出，管道起始温度越高，液相乙烷进入气液区的温度压力越大，0、10、20 ℃三种工况进入气液两相区的临界点分别为（2.2 MPa，-8 ℃），（2.7 MPa，2.7 ℃），（3.2 MPa，9 ℃）。当管内乙烷相态全部转为气相之后，管内温度迅速回升，直至与管壁温度相同。同时，初始温度越低，放空时间越长，三种温度对应的放空时间分别为4 250 s、4 160 s、3 700 s。

2.3 管道初始压力

设置6 MPa、8 MPa、10 MPa三种初始管内压力分析放空工况条件下主管介质参数变化情况。

从图7中可以发现，任意起始压力下管内介质的温度压力线均与乙烷相包络线相交，且管道起始压力越高，与包络线的交点越低，即对应的临界温度压力越低。6 MPa、8 MPa、10 MPa三种工况对应点分别为（3.1 MPa，7.8 ℃），（3.2 MPa，9 ℃），（3.5 MPa，13 ℃）。造成该现象的原因是管内液相乙烷起始压力越高，密度越大。在放空初始阶段，管内介质在放空口因膨胀而喷射出的质量越大，喷射质量越大造成的压降也越大，从而使得液相进入气液两相区的饱和压力也越低。

图7 不同压力条件下管道相态变化

此外，从图中可以看出，三种工况从气液两相流动转变为气相流动的对应压力温度分别为（0.79 MPa，-40 ℃），（0.23 MPa，-72 ℃），（0.21 MPa，-74 ℃），即管道起始压力越高，气液两相流动时间更长，相态转变所对应的压力、温度也越小。同时，管道初始压力越低，放空所需要的总时间也越少，6 MPa、8 MPa、10 MPa三种初始压力的放空总时间分别为2 840 s，3 700 s和3 740 s。

3 液相乙烷管道放空方式优化

根据规范规定紧急放空需在15 min内将系统压力下降到原系统压力的一半以下，同时考虑到管道的最低承受温度为-40 ℃，因此现有放空方式难以满足要求。由2.1节可知，不同放空管径放空过程中A-C的变化趋势相同，只是由气液两相转变为气相的转折点不同，即管道所能达到的最低温度不同。因此，提出放空初期采用大管径进行泄压，快速降低压力，与小管径放空达到相同温度压力时需要的时间更短。然后调小放空阀，降低放空速度，避免管内温度过低。图8表示采用200 mm+50 mm两段放空管径的放空过程参数变化规律。

图8 两段式放空管内温度、压力变化

由图8可知在0～13 min放空管径为200 mm，管内温度达到-25 ℃。然后调节放空管径为50 mm，但此时管内温度仍达到了-65 ℃以下。这是因为放空管径由200 mm变为50 mm时中间稳定时间太短，管内状态还未平衡，泄压波仍在继续传递。为此，增加稳定时间分析管内最低温度的变化趋势。

图9显示了不同稳定时间管内最低温度的变化情况，可以发现稳定时间越长管内最低温度越高，但超过5 min后管内最低温度在-35 ℃左右变化不大，满足温度要求。综上，针对液相乙烷管道可以采用“大管径+稳定时间+小管径”的三段式放空方式进行，且稳定时间应在5 min以上。

图9 不同稳定时间下管内最低温度

4 结 论

本文通过对液相乙烷输送管道不同放空方式进行了模拟研究，分析放空过程中放空压力、温度、放空流量等参数的影响，得到以下结论：

1）液相乙烷管道放空过程中经历三个阶段，第一阶段压力迅速下降，管内乙烷进入气液两相区。管道起始压力越高、起始温度越低，管内液相乙烷进入气液两相区的温度、压力越低。第二阶段是气液共存阶段，温度压力沿着包络线逐渐下降，此时管内气相持续增加。第三阶段乙烷由气液两相全部变为气相，压力下降，温度开始逐渐升高。而放空管径越小、管道起始压力越低，乙烷由气液两相变为气相的温度压力越高。

2）放空管径越大、管道初始压力越低、初始温度越高，管道所需要的放空总时间越短。其中在小放空管径、低初始压力条件下，管道最低温度越高。基于此，提出“大管径+稳定时间+小管径”三段式放空，同时满足放空时间和管道最低承受温度要求，为后续液相乙烷输送管道放空系统的设计提供参考与借鉴。