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國(guó)內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)

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國(guó)內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)

 

摘要:介紹幾種國(guó)內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道常見(jiàn)的干燥技術(shù):干燥劑法、流動(dòng)氣體蒸發(fā)法和真空干燥法,將各方法進(jìn)行了對(duì)比,并簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)的應(yīng)用情況;其中重點(diǎn)介紹了現(xiàn)在常用的干空氣干燥法,包括其基本原理,典型的工藝流程,干空氣的制取,分析了影響干空氣干燥法的各種因素,并簡(jiǎn)要說(shuō)明了干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng)。
 關(guān)鍵詞:輸氣管道  干燥技術(shù)  方法  工藝   干空氣干燥  原理  優(yōu)點(diǎn)
 
1引言
 國(guó)外管道干燥技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很成熟,而對(duì)我國(guó)來(lái)講是一項(xiàng)新技術(shù)。管道干燥常應(yīng)用在長(zhǎng)距離輸氣管道的施工中,它是用來(lái)解決輸氣管道壓力試驗(yàn)后積存在管道內(nèi)的游離水在輸氣運(yùn)行時(shí)會(huì)增加輸送阻力和動(dòng)力消耗,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生大量水化物,造成管道內(nèi)冰堵事故發(fā)生的問(wèn)題。
 如果不在投產(chǎn)前對(duì)管道進(jìn)行必要的干燥,管道內(nèi)的液態(tài)水的存在會(huì)降低天然氣的輸送能力,造成管道輸送能力下降,使天然氣含水量增加從而導(dǎo)致供氣品質(zhì)下降。具體來(lái)說(shuō)會(huì)引起以下幾個(gè)方面的危害:[1]
 (1)管道中殘留的液態(tài)水與天然氣中的少量酸性氣體生成酸性物質(zhì),使管道內(nèi)部產(chǎn)生危害較大的應(yīng)力腐蝕,影響管道系統(tǒng)使用壽命及其可靠性。
 。2)管道內(nèi)的天然氣在足夠高的壓力和足夠低的溫度下,如果同時(shí)存在液態(tài)水就有可能形成天然氣水合物,影響天然氣流動(dòng),造成管道和設(shè)備的堵塞,嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行。
 (3)管道中的液態(tài)水在低溫時(shí)還會(huì)造成管道低洼處的冰堵,影響輸氣量,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停輸?shù)闹卮笫鹿省?br />   因此在管道投入運(yùn)行之前,必須進(jìn)行除水、干燥處理,使管道內(nèi)空氣露點(diǎn)達(dá)到規(guī)定的要求。
2國(guó)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)概況
 國(guó)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)起步很早,發(fā)展也較為迅速,干燥方法多樣。目前,國(guó)外天然氣長(zhǎng)輸管道常用的干燥方法有:干燥劑法、流動(dòng)氣體蒸發(fā)法(包括干空氣干燥法,氮?dú)飧稍锓ǎ烊粴飧稍锓ǎ、真空法等?br /> 2.1干燥劑法
 干燥劑干燥法一般用甲醇、乙二醇或三甘醇作為干燥劑,干燥劑和水可以任意比例互溶,所形成的
溶液中水的蒸氣壓大大降低,從而達(dá)到干燥的目的。殘留在管道中的干燥劑同時(shí)又是水合物抑制劑,能抑制水合物的形成。在應(yīng)用過(guò)程中,由于乙二醇或三甘醇的價(jià)格費(fèi)用較高,故一般選用甲醇作為干燥劑。隨著工業(yè)生產(chǎn)重視環(huán)境程度的不斷提高,干燥劑干燥法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用受到一定限制。[1]常采用天然氣或氮?dú)庾鳛橥苿?dòng)力,在兩個(gè)清管器間夾帶一定的干燥劑,從而達(dá)到徹底脫水干燥的目的,這就是國(guó)外常用的兩球法。在兩球法的基礎(chǔ)上,國(guó)外又發(fā)展了三球法,與兩球法相比,三球法能使殘留在管內(nèi)壁上的液膜中干燥劑的濃度高于兩球法,且干燥劑損耗量小于兩球法。[3]
 甲醇干燥的優(yōu)點(diǎn)是除了小口經(jīng)管道,其干燥速度最快,可干燥管道的長(zhǎng)度僅受限于清管器的性能,可用于陸上和海底管道,在干燥的同時(shí)投產(chǎn),低溫環(huán)境下同樣有效.
 甲醇干燥缺點(diǎn)是單獨(dú)使用不能到達(dá)負(fù)露點(diǎn),對(duì)含硫天然氣管道和純石化管道不太適合;由于甲醇和天然氣都容易燃燒,因此現(xiàn)場(chǎng)的熱工設(shè)備的運(yùn)行安全將受到影響;甲醇易燃,易爆,而且有巨毒.儲(chǔ)存運(yùn)輸要求較高,易對(duì)環(huán)境造成污染和發(fā)生安全事故;同時(shí)甲醇干燥需要天然氣或惰性氣體,在實(shí)際操作中需要?dú)饩虻獨(dú)庵苽湓O(shè)備,難度較大. [2] [3]
2.2流動(dòng)氣體蒸發(fā)法[2] [4]
 流動(dòng)氣體蒸發(fā)法的原理是:流動(dòng)的干燥氣體在管道里與殘留在管內(nèi)壁及低洼處的水接觸后使水蒸發(fā),達(dá)到干燥的目的。這種氣體可以是干燥的空氣、氮?dú)饣蛱烊粴,所以流?dòng)氣體蒸發(fā)法又可以分為干空氣干燥法、氮?dú)飧稍锓ê吞烊粴飧稍锓ā?br />  其中干空氣干燥法需要空壓機(jī)和空氣干燥機(jī)配合.與真空干燥法相比,技術(shù)要求低,干燥速度短,尤其在吹掃過(guò)程中還可以加發(fā)泡沫清管器來(lái)增大擾動(dòng),進(jìn)一步使水膜攤開(kāi),提高干燥速率,縮短干燥時(shí)間.
2.3真空干燥法[2] [3]
 真空干燥法是利用水的沸點(diǎn)隨壓力降低而降低,當(dāng)壓力降到一定低時(shí),水就會(huì)在低溫下沸騰而蒸發(fā),汽化這一原理。常用做法是用真空泵抽吸密閉容器內(nèi)的氣體,當(dāng)壓力降低到環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓時(shí),液態(tài)水會(huì)在常溫下沸騰蒸發(fā),水蒸氣被真空泵抽出,達(dá)到管內(nèi)除水干燥的目的。
 這種方法的有點(diǎn)是可靠性高,管道中的水斗可以除去,能到達(dá)很低的露點(diǎn),在使用氮?dú)鈷呔(xiàn)時(shí)最低能達(dá)到-68℃,設(shè)備占地小,在管道的一段作業(yè),這對(duì)于海底管道和不能用其他方法干燥的多匯管管道非常有利.不會(huì)產(chǎn)生多余的廢物,干燥進(jìn)度容易掌握.易于氣體輸入完成投產(chǎn).
 這種方法技術(shù)要求較高,只有選擇合適得真空泵,才能較好得控制抽氣速率.如抽氣較快,則管內(nèi)水蒸發(fā)過(guò)快熱損失較多,容易結(jié)冰,反之蒸發(fā)慢,效率低,能耗高.干燥時(shí)不能同時(shí)清管,不適于長(zhǎng)距離的小口經(jīng)管道.
3國(guó)內(nèi)天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)概況
 由于以前對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道內(nèi)液態(tài)水的水蒸氣的危害認(rèn)識(shí)不夠,90年代以前建成的天然氣長(zhǎng)輸管道在投產(chǎn)之前是不直接進(jìn)行干燥的,隨著長(zhǎng)輸管道建設(shè)水平的提高,以及大口徑、高壓、大排量天然氣長(zhǎng)輸管道的興建,國(guó)內(nèi)才開(kāi)始認(rèn)識(shí)到干燥的必要性,因此天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)在我國(guó)起步較晚。90年代以后所做的幾條重要管道干燥處理:[4]
 (1)1992年建成的上海平湖海底輸氣管道,內(nèi)徑334mm,長(zhǎng)388km,全線(xiàn)采用了凝膠清管器夾帶三甘醇的干燥方法進(jìn)行干燥,最終干燥效果很好;
 (2)1993年建成的海南崖城13-1天然氣輸送管道,管徑711mm,長(zhǎng)778km,全線(xiàn)采用了真空法進(jìn)行了干燥,最終干燥效果很好;
 (3)1997年建成的陜京輸氣管道,采用甲醇干燥法進(jìn)行了干燥,干燥不徹底,效果不太理想,導(dǎo)致后來(lái)發(fā)生水合物冰堵;
 (4)2000年京-石輸氣管道,管徑525mm,長(zhǎng)300km,全線(xiàn)采用了干空氣干燥,干燥效果很好;
 (5)2001年建成的澀寧蘭輸氣管道,其中9.5km試驗(yàn)段采用了干空氣法進(jìn)行了干燥,達(dá)到了預(yù)期的效果;
 (6)2002年建成的滄淄輸氣管道,全線(xiàn)采用了干空氣法進(jìn)行了干燥,干燥效果很好;
 (7)2003年西氣東輸天然氣輸送東段(靖邊-上海),管徑1016mm,長(zhǎng)1573km,全線(xiàn)采用干空氣干燥,最終露點(diǎn)為-20℃。
3.1干空氣干燥法的原理[5][6]
 干空氣干燥法是指將干燥空氣低壓進(jìn)入管道內(nèi)進(jìn)行吹掃,利用的露點(diǎn)空氣對(duì)水分的吸附能力到達(dá)干燥的目的.在理想狀態(tài)下管道內(nèi)的水分會(huì)被的露點(diǎn)干空氣吸附并被后面的干空氣吹掃出管道.但在實(shí)際中干空氣不可能將吸附水分的濕空氣全部吹掃出管道.判斷干燥的方法是,源源不斷的輸入干空氣并檢測(cè)管道出口空氣濕度或露點(diǎn),當(dāng)其小于預(yù)定值時(shí),表明已經(jīng)干燥.另一種檢測(cè)方法是同時(shí)檢測(cè)管道出口和入口露點(diǎn),當(dāng)兩者相等時(shí)表明已經(jīng)干燥.
 當(dāng)干空氣在管道中流動(dòng)時(shí),低露點(diǎn)的干空氣很快會(huì)吸濕至飽和,但隨著空氣在管道中的繼續(xù)流動(dòng),壓力逐漸下降,壓力下降又會(huì)使空氣的吸水飽和濃度增加,于是空氣流將繼續(xù)吸水,直至最終從管道末端被排出。在一定程度上,增加空氣的流速可以縮短干燥所需的時(shí)間,但是水的快速蒸發(fā)會(huì)使得吸熱量增加,從而降低了管道中的溫度,減緩了水的蒸發(fā)速度。同時(shí),增加流速就意味著需要更大規(guī)模的制干空氣的設(shè)備和壓縮機(jī),而且會(huì)增加管道中空氣的壓力,壓力增加又會(huì)導(dǎo)致空氣吸濕能力下降。
 干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng): [1] 
 (1)清管、干燥的合格標(biāo)準(zhǔn)是管道內(nèi)水膜厚度不大于0.1mm。
 (2)根據(jù)情況可對(duì)泡沫清管器進(jìn)行稱(chēng)重,如含水量偏高,可進(jìn)行一次高密封直板清管器清管。
 (3)驗(yàn)收時(shí)如發(fā)現(xiàn)與合格標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距,可直接用干空氣低壓吹掃,直至達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)為止(水露點(diǎn)小于-20℃)。
 (4)為了收到更好的干燥效果,泡沫清管器的速度應(yīng)控制在0.5~1m/s。
 (5)干燥合格后如不立即進(jìn)行注氮或置換,應(yīng)采用0.02~0.05MPa的干空氣填充密封。
3.2干空氣干燥法工藝[3]
 干空氣干燥法有兩種工藝,(1)在通干空氣吹掃的同時(shí)間隔一定時(shí)間通泡沫清管器輔助干燥;(2)只用干空氣連續(xù)低壓吹掃。前一種工藝由于泡沫清管器的輔助作用,干燥速度較快,但由于泡沫清管器較易磨損,一般只適用于干燥距離較短的管段,一次可干燥的最長(zhǎng)距離在150km左右;后一種工藝可干燥很長(zhǎng)的管道,目前為止采用此工藝干燥的距離最長(zhǎng)的管道是Europipe,距離長(zhǎng)達(dá)620km,但要求空壓機(jī)和制取干空氣設(shè)備的規(guī)模很大。從干燥效率和效果上講,后者不如前者;從應(yīng)用范圍上講,前者適用于通徑管線(xiàn),而后者適用于所有管線(xiàn),包括變徑管線(xiàn)。
 典型的干空氣干燥工藝如下:[4]
 首先是水蒸發(fā)引起最初的降溫(一般為0.5~2℃);當(dāng)溫降一定時(shí),干燥平衡被打破,空氣不再飽和,表明管道內(nèi)大部分或全部的液態(tài)水已經(jīng)蒸發(fā)完畢,繼續(xù)干空氣吹掃將很迅速地降低管道內(nèi)的露點(diǎn);達(dá)到一定溫降后,停止干空氣吹掃,如果管道內(nèi)的某些地段還存在液態(tài)水,液態(tài)水會(huì)蒸發(fā)補(bǔ)充到管道內(nèi)的空間,導(dǎo)致露點(diǎn)上升;間隔一段時(shí)間后重新開(kāi)始干空氣吹掃,在較短的時(shí)間內(nèi)就能將露點(diǎn)將下來(lái)。經(jīng)過(guò)幾次間隔吹掃,最終能達(dá)到完全清除管道內(nèi)存在的液態(tài)水,并將露點(diǎn)降至-20℃以下。
 從理論上講,隨著時(shí)間的推移,管道出口處的空氣露點(diǎn)可達(dá)到-40℃以下,這是最理想的狀態(tài)。但在實(shí)際施工中,除了對(duì)干燥要求較高的管道(如輸送酸性天然氣管道)外,干燥終點(diǎn)沒(méi)有必要達(dá)到-40℃以下,一般達(dá)到-20℃就足夠了。因?yàn)樵谝粋(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,-20℃露點(diǎn)的空氣含水量?jī)H為0.8835g/m3,相當(dāng)于在管道內(nèi)壁上的殘留水為1.3-2.1mg/m2。在管道投產(chǎn)前10個(gè)月內(nèi)對(duì)管道沒(méi)有腐蝕,干燥后即使不馬上投產(chǎn)也不會(huì)腐蝕管道內(nèi)壁。
3.3干空氣制取[3]
 制取干空氣的主要方法有直接冷卻法,冷卻后加壓法,干燥劑吸收法和分子篩法等.由于水在零度就要結(jié)冰,而且隨空氣溫度降低,通過(guò)降溫除水蒸汽的效率將成倍下降,因此制冷的方法常用于制取常露點(diǎn)的空氣,一般不用于直接制取管道干燥所需露點(diǎn)為低于-20℃的超干空氣,但該方法可以作為干燥劑吸收工藝的一部分對(duì)空氣進(jìn)行初步干燥.
 使用干燥劑除水是比較陳舊但有效的方法.干燥劑是指具有親水力的固體或液體.常用的固體干燥劑有硅膠,氧化鋁,分子篩,氯化鋰,溴化鋰,氯化鈣等.常用的液體干燥劑有三甘醇,乙二醇等.其中硅膠, 氧化鋁,分子篩, 三甘醇可將空氣分別干燥到露點(diǎn)-60℃,-73℃,-90℃,-60℃.由于采用液體干燥劑具有腐蝕性,重量大,需要控制的液體晃動(dòng)和飛濺等缺點(diǎn),因此常用固體干燥劑進(jìn)行干燥.
3.4干空氣干燥法的優(yōu)點(diǎn)[2] [3] [4]
 目前在我國(guó)廣泛使用的是干空氣干燥法。干空氣干燥是采用經(jīng)過(guò)除油、過(guò)濾和脫水的干燥純凈壓縮空氣吹掃管線(xiàn),由于其低露點(diǎn)的特點(diǎn)使管道內(nèi)壁附著的水分蒸發(fā),并利用后繼干空氣將管道內(nèi)的濕空氣排出管外,達(dá)到干燥管道的目的。干空氣干燥法具有以下優(yōu)點(diǎn):
 (1)干燥效果均勻一致,露點(diǎn)可達(dá)到-25℃以下,且干燥時(shí)間相對(duì)較短;
 (2)經(jīng)濟(jì)實(shí)用,設(shè)備費(fèi)用低,可充分利用現(xiàn)有設(shè)備加快干燥進(jìn)度.工藝簡(jiǎn)單,容易控制,有完整的干燥檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),能保證管道在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)標(biāo),對(duì)操作技術(shù)要求不高.干燥成本低,適用范圍廣,既適用于陸地管道,也適用于海底管道,既適用于通徑管道,也適用于變徑管道,且受管徑、管道長(zhǎng)度的影響相對(duì)最;
 (3)干燥同時(shí)如果采用除塵工藝,可使管道到達(dá)很高的清潔水平;
 (4)空氣來(lái)源廣不受地區(qū)限制,空氣可以任意排放,無(wú)毒、無(wú)味、不燃、不爆、無(wú)安全隱患;
 (5)易與管道建設(shè)和水壓試驗(yàn)相銜接。
 在海底管道方面,干空氣干燥法應(yīng)用成功的例子:
 第一條是1995年建成的Europipe是目前為止采用干空氣干燥的距離最長(zhǎng)的天然氣管道,管徑1016mm,全長(zhǎng)620km;另一條是剛建成的藍(lán)色氣流工程(Blue Stream Project Pipeline),兩條24〃,深1000m的海底管道,每條350km,全線(xiàn)采用了干空氣干燥。在國(guó)內(nèi),干空氣干燥法成功應(yīng)用于京石、澀寧蘭、滄淄、西氣東輸?shù)忍烊粴廨斔凸艿馈_有東方1—1氣田生產(chǎn)管道實(shí)際干燥操作時(shí),干空氣氣量介于1200~1300m3/h之間,末端測(cè)得的空氣露點(diǎn)至-40℃用時(shí)18.2h;吸水階段進(jìn)行約4h后,測(cè)得的空氣露點(diǎn)為-33.4℃,之后空氣露點(diǎn)基本不變。
 這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于大口經(jīng)管道,設(shè)備占地面積很大,需消耗大量燃油或電力來(lái)智取干空氣.
3.5影響干空氣干燥法干燥效果的因素[4] [5]
   (1)空氣的最初含水量。理論上使用的干空氣越干,干燥時(shí)間越短。但實(shí)際干燥施工是一般采用露點(diǎn)為 –40℃~-50℃的干空氣,很少采用更低的露點(diǎn)。因?yàn)槁饵c(diǎn)低于-50℃的干空氣對(duì)縮短干燥時(shí)間的能力越來(lái)越小,而相應(yīng)的制取費(fèi)用越來(lái)越高。
 (2)環(huán)境溫度。管線(xiàn)所處的環(huán)境溫度越高。越有利于水分的蒸發(fā),同時(shí)干空氣的吸水能力越大,干燥效果越好。
 (3)管道內(nèi)的殘留水量。沒(méi)有內(nèi)涂層的管道,用清管器掃水后,可以使管內(nèi)殘留水量減小至相當(dāng)于管道內(nèi)壁只有一層0.05~0.1mm厚度的水膜。
 (4)干空氣的流量。干空氣流量越大,干燥時(shí)間越短,5~8m/s的干空氣流速在效果和經(jīng)濟(jì)上都比較好,再增加干空氣的流速對(duì)于干燥的效果影響不大。
 (5)液態(tài)水的分布狀態(tài)。在干燥初期,管道內(nèi)的液態(tài)水聚集在管子的較低部位,如間歇發(fā)送泡沫清管器,可以將水推成薄膜,增大了與干空氣的接觸面積,提高干燥效果。
 (6) 氣量的增加在一定程度上可以縮短干燥所需的時(shí)間,但投入費(fèi)用與干燥時(shí)間之比也會(huì)相應(yīng)下降。因此,在實(shí)際操作時(shí)須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、時(shí)間要求等具體條件來(lái)決定氣量的大小!
  (7)降低管道末端的壓力、保持持續(xù)低壓吹掃可以縮短干燥所需的時(shí)間。
 在西氣東輸東段的干燥過(guò)程中,由于地勢(shì)起伏較大,水壓試驗(yàn)后管線(xiàn)低洼處的積水并不能完全清除干凈,中國(guó)石油天然氣管道第四工程公司采用的是前面介紹的第一種干燥工藝,即泡沫清管器輔助干空氣吹掃,同時(shí)摸索出了“慢送清管器空氣置換法”。取得了非常理想干燥效果,每段干燥均取得了-25℃以下的干燥效果。
4幾種干燥方法的比較[4]
 由于管道干燥方法多,歐洲公司大都采用真空干燥,美國(guó)、加拿大等采用干空氣法,多種方法不分伯仲,各有其優(yōu)缺點(diǎn),以下是各種干燥方法的比較。
                          
        比較項(xiàng)目
干燥方法 干燥成本 干燥時(shí)間 干燥效果 適應(yīng)范圍 應(yīng)用情況 
干燥劑法 比較高 較短 較好 海底管道居多 趨于淘汰 
流動(dòng)氣體蒸發(fā)法 干空氣干燥法 最低 最短 很好 不受區(qū)域限制,受管徑、長(zhǎng)度的影響相對(duì)較小 應(yīng)用最多、最廣 
 氮?dú)飧稍锓?nbsp;昂貴 較短 很好 只適用與小范圍的管道干燥 受氣源限制 
 天然氣干燥法 低 極長(zhǎng) 較差 不受任何限制 長(zhǎng)距離大口徑、高壓、溫度較低管道不適用 
真空干燥法 較低 較短 最好 適用于較大管徑 海底管道、較大口徑管道應(yīng)用較多 
5結(jié)束語(yǔ)
 綜合比較國(guó)內(nèi)外的干燥技術(shù),可以看出,國(guó)外在發(fā)展較早的基礎(chǔ)上已達(dá)到了一定的水平,并且干燥方法多種多樣。相對(duì)而言,國(guó)內(nèi)干燥還剛剛起步,很多技術(shù)被運(yùn)用的時(shí)間很短,有待進(jìn)一步完善。通過(guò)對(duì)國(guó)外干燥技術(shù)的研究,可加快我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)的發(fā)展,縮短與國(guó)外高水平干燥技術(shù)間的差距。隨著天然氣管道工業(yè)的發(fā)展,天然氣管道干燥技術(shù)必將越來(lái)越受到重視,我們對(duì)于各種干燥技術(shù)的研究也將越來(lái)越深入,管道干燥技術(shù)必將迎來(lái)他發(fā)展的春天。
參考文獻(xiàn)
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