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

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 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 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；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 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，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，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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 热 器，对 低 温 气 体 进 行 加 热。电 加 热 器 后 设置 压 力 泄 放 阀 ，通 过 逻 辑 控 制 器 与 计 时 器 对 泄放 阀 设 定 压 力 进 行 两 级 动 态 调 节 控 制 泄 放 温降 速 率，为 分 液 罐 气 相 出 口 低 温 气 体 加 热 提 供 时 间，避 免 泄 放 阀 后 出 现 干 冰。为 避 免 二 氧 化 碳 初始 泄 放 温 度 较 低 时 限 流 孔 板 后 出 现 干 冰，在 泄 放 阀 前 设 置 电 加 热 器。此 外，设 置 最 大 功率 为 的 电 加 热 器，当 压 力 泄 放 阀 故 障无 法 正 常 开 启，型 爆 破 片 前 压 力 超 过 设 定 值 爆 破 片自 动 打 开 并 开 启 电 加 热 器。泄 放 工 艺 控 制 过 程 结束 后 关 闭 泄 放 阀 ，存 留 在 分 液 罐 中 的 少 量 液 相 二氧 化 碳 将 缓 慢 蒸 发 从 放 空 管 排 放 到 大 气 中。基 于 上 述 工 艺 流 程，采 用 建 立 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 过 程 动 态 仿 真 模型（图），通 过 中 的 模 块 编 写 工 艺 控制 逻 辑（图），进 行 泄 放 动 态 模 拟。该 模 型 控 制 系统 包 括：电 加 热 器 功 率 控 制、分 液 罐 充 压 控 制 及 放 空管 泄 放 阀 压 力 设 定 值 控 制。在 泄 放 开 始 前，通过 利 用 可 编 程 逻 辑 控 制 器 调 节 连 接 分 液 罐 氮 气管 线 压 力 调 节 阀，维 持 分 液 罐 内 压 力 为 ，电加 热 器 保 持 关 闭 状 态。为 保 证 氮 气 维 压 过 程 放 空 管泄 放 阀 不 开 启，结 合 分 液 罐 压 力 传 感 器 精 度，泄放 阀 初 始 开 启 压 力 比 控 制 压 力 值 大 ，因 此 设 定 初 始 开 启 压 力 为 。泄 放 过程 关 闭 注 气 管 汇 出 口 截 断 阀 ，进 口 截 断 阀 连 锁 关 断。通 过 逻 辑 控 制 器 设 置 泄 放 阀 自 动 打 开，分 液 罐 氮 气 管 线 压 力 调 节 阀 关 闭，触 发 计时 器。计 时 器 开 始 计 时 后 打 开 分 液 罐 气 相 出 口 电 加热 器，基 于 分 液 罐 出 口 温 度 传 感 器 观 测 值，通 过 控制 器 对 电 加 热 器功 率 进 行 控 制。若 注 气 管汇 内 超 临 界 二 氧 化 碳 初 始 泄 放 温 度 低 于 ，在 开启 加 热 器的 同 时，开 启 加 热 器，通 过 控 制 器 对 其 功 率 进 行 控 制。若 泄 放 过 程 中 爆 破 片 打 开，开 启 电 加 热 器，当 电 加 热 器开 启 至 最 大 功 率 且 孔 板 后 的 温 度 大 于 时，可 关 闭 电 加 热器。在 泄 放 时 间犜 、时，分 别 将 放 空 管泄 放 阀 开 启 压 力 设 定 为、。当泄 放 时 间犜 时 关 闭 所 有 电 加 热 器 及 计 时器，结 束 泄 放 控 制 逻 辑。图 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放犓 狊 狆 犻犮 犲模 型犉 犻犵 犓 狊 狆 犻犮 犲 犿 狅 犱 犲犾 犳 狅 狉 犿 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 图 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 工 艺 流 程 参 数 控 制 逻 辑犉 犻犵 犘 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 犾狅 犵犻犮 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 犻 狀 犅 犣 狅 犳犳狊 犺 狅 狉 犲 狆 犾犪 狋犳 狅 狉 犿 多 级 泄 放 工 艺 方 案 参 数 优 选 及适 应 性 分 析 基 于 多 级 泄 放 工 艺 流 程，采 用 对 渤 中 海 上 平 台 超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 进 行 模 拟，分 析 温 度、压 力、峰 值 泄 放 流 量 等 工 艺 参 数 变 化 规律。通 过 多 方 案 对 比，验 证 压 力 控 制 参 数 选 取 的 合理 性；在 此 基 础 上，对 所 选 工 艺 方 案 在 多 种 工 况 下 的适 应 性 进 行 分 析。多 级 泄 放 与 直 接 泄 放 工 艺 参 数 对 比超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 中，保 证 限 流 孔 板 后和 放 空 管 出 口 的 最 低 温 度 高 于 干 冰 生 成 温 度 是 保 证泄 放 安 全 的 关 键。对 多 级 泄 放 工 艺 方 案 与 直 接 泄 放工 艺 方 案 泄 放 过 程 中 温 度 变 化、管 汇 压 降、泄 放 质 量流 量 等 关 键 工 艺 参 数 仿 真 模 拟 结 果 进 行 了 对 比，可以 看 出：多 级 泄 放 工 艺 方 案 泄 放 系 统 最 低 温 度 出现 在 放 空 管 出 口，为 ，较 直 接 泄 放 工 艺 过程 中 最 低 温 度 有 了 大 幅 提 升（图），能 够避 免 干 冰 生 成；多 级 泄 放 工 艺 方 案 对 泄 放 过 程 中高 压 管 汇 压 降 速 率 影 响 不 大（图）；分 液 罐 的 使用 不 仅 可 以 实 现 两 相 区 内 气 相 与 低 温 液 相 分 离，还可 降 低 峰 值 泄 放 速 率，多 级 泄 放 工 艺 方 案 中 放 空 管 出口 的 泄 放 速 率 峰 值 主 要 出 现 在 初 始 泄 放 及 泄 放 阀 两 次 压 力 调 整 阶 段，最 大 峰 值 泄 放 流 量 为 ，远低 于 直 接 泄 放 的 最 大 峰 值 泄 放 流 量 （图），泄 放 速 度 的 降 低 有 利 于 进 一 步 减 少 分 液 罐 气 相 出 口所 需 的 热 负 荷；通 过 放 空 管 泄 放 阀 泄 放 压 力 多 级控 制 中 间 加 热 的 方 法，能 提 高 泄 放 过 程 中 两 相 区 内的 温 压，使 泄 放 系 统 管 道 内 压 力 下 降 至 大 气 压 前 即进 入 气 相 区，远 离 凝 固 线（图）。多 级 泄 放 工 艺 参 数 优 选为 验 证 放 空 管 泄 放 阀 多 级 压 力 控 制 参 数 设 置 的合 理 性，将 分 液 罐 预 充 压 至 的 两 级 泄 放 压 力控 制 方 案 与 预 充 压 至 的 三 级 泄 放 压 力 控 制方 案 及 充 压 至 的 两 级 泄 放 压 力 控 制 方 案 进行 对 比。三 级 泄 放 压 力 控 制 方 案 中，首 先 将放 空 管 泄 放 阀 初 始 泄 放 压 力 设 置 为 ，在 泄 放 时 间 为 、时，分 别 设 置 阀 门 泄放 压 力 为、。两 级 泄 放 压力 控 制 方 案 中，首 先 将 放 空 管 泄 放 阀 初 始 泄 放压 力 设 置 为 ，在 泄 放 时 间 为 、时，分 别 设 置 阀 门 泄 放 压 力 为、。对 比 分 析种 泄 放 方 案 下，泄 放 系 统 中 限 流 孔 板后 温 度、放 空 管 出 口 温 度、注 气 管 汇 压 力、放 空 管 出 口峰 值 泄 放 流 量 及 电 加 热 器功 率 动 态 变 化 模 拟 结 果（图）。可 以 看 出：充 压 至 二 级 泄 放 过 程中，管 汇 与 泄 放 系 统 的 压 差 进 一 步 增 加，在 第 一 次 调压 前 限 流 孔 板 后 温 度 下 降 速 度 明 显 快 于 其 余种 方 中 国 海 上 油 气 年 月图 多 级 泄 放 与 直 接 泄 放 流 程 工 艺 参 数 对 比犉 犻犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉犻狊 狅 狀 狅 犳 狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狆 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 狅 犳 犿 狌 犾狋犻狊狋 犪 犵 犲 犪 狀 犱 犱 犻狉 犲 犮狋 犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊图 不 同 泄 放 压 力 控 制 方 案 工 艺 参 数 对 比犉 犻犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉犻狊 狅 狀 狅 犳 狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狆 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 犻 狀 犱 犻犳犳犲 狉 犲 狀 狋 狉 犲犾犻犲犳 狆 狉 犲狊狊 狌 狉 犲 犮 狅 狀 狋狉 狅犾 狊 犮 犺 犲 犿 犲狊第 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 案，在 放 空 管 泄 放 阀 压 力 控 制 值 从 下降 至 过 程 中，最 低 温 度 出 现 在 限 流 孔板 后，为 ，未 达 到 该 压 力 条 件 下 干 冰 生 成温 度 ；充 压 至 三 级 泄 放 过 程 中，泄放 阀 设 定 压 力 从 调 整 到 过程 中，最 低 温 度 出 现 在 放 空 管 泄 放 阀 后，为 （图），温 度 低 于 该 压 力 条 件 下 干 冰 生 成温 度（），有 干 冰 生 成 风 险；种 泄 放 工艺 控 制 方 案 对 管 汇 的 压 降 过 程 影 响 不 大（图）；最 大 泄 放 流 量 出 现 在 充 压 三 级 泄 放 方 案中，由 于 放 空 管 泄 放 阀 前 后 压 差 增 加，泄 放 控制 阀 设 定 压 力 从 调 整 到 过程 中，最 大 泄 放 峰 值 流 量 为 （图），导 致 分 液罐 出 口 电 加 热 器换 热 量 不 足；电 加 热 器 能 耗 方 面，由 于 泄 放 管 汇 与 分 液 罐 的 压 差 不 同，导 致 分 液 罐 气 相出 口 温 度 变 化 过 程 存 在 差 异，最 大 功 率 启 动 时 间 随 着初 始 充 压 压 力 升 高 而 延 迟，种 泄 放 控 制 方 案 中 电 加 热器 工 作 的 耗 电 量 依 次 为 、（图）。对 比 结 果 表 明，预 充 压 两 级 泄 放 工 艺方 案 较 预 充 压 至 的 三 级 泄 放 压 力 控 制 方 案 及 充压 至 的 两 级 泄 放 压 力 控 制 方 案，在 预 防 泄 放 系统 管 道 内 干 冰 生 成 方 面 是 更 为 安 全 有 效 的。多 级 泄 放 工 艺 方 案 多 工 况 适 应 性 分 析考 虑 到 渤 中 海 上 油 田 二 氧 化 碳 注 气 开 采 过 程中，气 体 组 分 变 化 及 伴 生 气 与 二 氧 化 碳 混 合 注 入 工 况，结合 海 上 油 田 二 氧 化 碳 注 气 组 分（表），分 析 预 充 压 至 两 级 泄 放 压 力 控 制 方 案 在 多 工 况 下 的 适 应 性。表 不 同 回 注 气 气 体 组 分犜 犪 犫 犾犲 犇 犻犳犳犲 狉 犲 狀 狋 犵 犪 狊 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋狊 狅 犳 狉 犲犻 狀 犼犲 犮狋犻狅 狀 犵 犪 狊组 分摩 尔 分 数工 况工 况工 况 从 整 体 上 看，随 着 二 氧 化 碳 浓 度 的 下 降，气 液 两相 区 变 宽，凝 固 线 左 移，泄 放 开 始 阶 段 超 临 界 态 气 体更 快 地 进 入 气 液 两 相 区（图）。待 泄 放 二 氧 化 碳 气体 组 分 改 变 对 系 统 中 的 工 艺 参 数 影 响 主 要 体 现 在 温降 和 电 加 热 器 功 率 方 面（图、），种 工 况 下，最 低泄 放 温 度 依 次 为 、；工 况下，电 加 热 器 功 率 最 先 达 到 设 置 的 最 大 功 率；组 分 变化 对 管 汇 压 降 过 程 及 峰 值 泄 放 量 影 响 不 大（图、）。因 此，后 续 初 始 泄 放 温 度 泄 放 阀 故 障 影 响 分 析过 程，不 再 对 注 气 管 汇 压 降 速 率 过 程 及 峰 值 泄 放 流量 进 行 对 比 分 析。图 不 同 注 气 组 分 相 态 图犉 犻犵 犘 犺 犪 狊犲 犱犻犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 犱犻犳犳犲 狉 犲 狀 狋 狉 犲犻狀 犼犲 犮狋犻狅 狀 犵 犪 狊 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋狊 本 文 提 出 的 多 级 泄 放 工 艺 方 案 旨 在 降 低 泄 放 过程 中 工 艺 参 数 的 变 化 速 率，为 加 热 器 与 冷 流 体 的 换热 预 留 充 足 时 间，因 此 初 始 泄 放 温 度 的 影 响 不 可 忽略。对 比 分 析 了 初 始 泄 放 温 度 分 别 为、下，泄 放 系 统 限 流 孔 板 后 及 放 空 管 出 口 温 度 变 化（图）。可 以 看 出：与 组 分 变 化 相 比，初 始 泄 放 温 度 的 变 化 对最 低 温 度 影 响 较 大；当 初 始 泄 放 温 度 分 别 为、时，限 流 孔 板 后 的 最 低 温 度 分 别 为 、，放 空 管 出 口 最 低 温 度 分 别 为 、。该 压 力 下 对 应 的 干 冰生 成 温 度 为 ，因 此，为 避 免 泄 放 管 内 干 冰 生成，需 保 证 泄 放 初 始 温 度 在 以 上，若 低 于 ，需 开 启 电 加 热 器对 泄 放 尾 管 限 流 孔 板 前 的 管 段 进行 加 热。当 初 始 泄 放 温 度 为 时，采 用 最 大 功 率 的 电 加 热 器对 泄 放 尾 管 泄 放 阀 前 流体 进 行 加 热，能 够 将 限 流 孔 板 后 的 最 低 温 度 提 升 至 （图）。中 国 海 上 油 气 年 月图 不 同 气 体 组 分 下 泄 放 工 艺 参 数 对 比犉 犻犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉犻狊 狅 狀 狅 犳 犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊 狆 犪 狉 犪 犿 犲狋犲 狉狊 狅 犳 犱 犻犳犳犲 狉 犲 狀 狋 犵 犪 狊 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋图 初 始 泄 放 温 度 对 泄 放 过 程 温 度 变 化 影 响犉 犻犵 犐 狀 犳犾狌 犲 狀 犮 犲 狅 犳 犪 犿 犫 犻犲 狀 狋 狋犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲 狅 狀 狋 犺 犲狋犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲 狏 犪 狉犻犪 狋犻狅 狀 犻 狀 犫 犾狅 狑 犱 狅 狑 狀 狆 狉 狅 犮 犲狊狊图 电 加 热 器对 限 流 孔 板 后 泄 放 温 度 的 影 响（初 始 泄 放 温 度 为 ）犉 犻犵 犈 犳犳犲 犮狋狊 狅 犳 犲犾犲 犮狋狉犻犮 犺 犲 犪 狋犲 狉 狅 狀 犱 犻狊 犮 犺 犪 狉 犵 犲 狋犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犪犳狋犲狉 狋 犺 犲 狉犲狊狋狉犻犮狋犻狅 狀 狅狉犻犳犻犮犲（）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 进 一 步 分 析 泄 放 阀 故 障 无 法 正 常 开 启 工况 下，爆 破 片 及 电 加 热 器开 启，限 流 孔 板 后 和 放 空管 出 口 温 度 变 化 情 况（图）。可 以 看 出，该 工 况下，限 流 孔 板 及 放 空 管 出 口 最 低 温 度 均 在 干 冰 生 成温 度 线 以 上，不 会 有 干 冰 生 成 的 风 险。可 见，所 设 计的 充 压 至 的 两 级 泄 放 压 力 控 制 方 案 能 够 应 对泄 放 阀 故 障 工 况，保 证 泄 放 过 程 的 安 全 进 行。图 泄 放 阀犚 犞 故 障 工 况 下 泄 放 温 度 及 加 热 器 功 率犉 犻犵 犇 犻狊 犮 犺 犪 狉 犵 犲 狋犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲 犪 狀 犱 犺 犲 犪 狋犲 狉 狆 狅 狑 犲 狉 狌 狀 犱 犲 狉犚 犞 犳 犪犻犾狌 狉 犲 犮 狅 狀 犱 犻狋犻狅 狀 结 论 及 建 议）超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 最 低 温 度 主 要 受背 压 影 响，采 用 直 接 泄 放 工 艺 会 导 致 泄 放 管 道 出 现干 冰；限 流 孔 板 的 使 用 能 够 有 效 控 制 泄 放 峰 值 流 量及 温 降 速 率；在 直 接 泄 放 工 艺 流 程 中，初 始 泄 放 温 度对 最 低 温 度 无 显 著 影 响。）由 限 流 孔 板、分 液 罐、电 加 热 器 及 多 级 泄 放控 制 阀 组 成 的 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 流 程，通 过 控 制 泄 放 背 压 与 泄 放 速 率、气 液 分 离 及 中 间 加热 等 方 法 能 够 有 效 提 高 泄 放 管 道 内 最 低 温 度，降 低超 临 界 二 氧 化 碳 泄 放 过 程 中 干 冰 生 成 的 风 险。）针 对 超 临 界 二 氧 化 碳 多 级 泄 放 工 艺 适 用 性 问题，对 变 组 分、变 初 始 温 度 及 放 空 管 多 级 压 力 泄 放 阀故 障 等 工 况 进 行 了 模 拟 分 析，验 证 了 所 提 出 的 多 级 泄放 工 艺 流 程 在 应 对 多 工 况 泄 放 过 程 的 安 全 可 靠 性。）在 多 级 泄 放 工 艺 参 数 设 置 方 面，不 同 压 力 控制 泄 放 方 案 最 低 温 度 出 现 的 位 置 有 所 不 同，建 议 后续 类 似 项 目 根 据 泄 放 工 艺 条 件 通 过 动 态 仿 真 模 拟 及相 态 分 析