國內(nèi)外天然氣長輸管道干燥技術(shù)
摘要：介紹幾種國內(nèi)外天然氣長輸管道常見的干燥技術(shù)：干燥劑法、流動氣體蒸發(fā)法和真空干燥法，將各方法進(jìn)行了對比，并簡單介紹了國內(nèi)的應(yīng)用情況；其中重點介紹了現(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，并簡要說明了干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項。
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
1引言
國外管道干燥技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得很成熟，而對我國來講是一項新技術(shù)。管道干燥常應(yīng)用在長距離輸氣管道的施工中，它是用來解決輸氣管道壓力試驗后積存在管道內(nèi)的游離水在輸氣運(yùn)行時會增加輸送阻力和動力消耗，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生大量水化物，造成管道內(nèi)冰堵事故發(fā)生的問題。
如果不在投產(chǎn)前對管道進(jìn)行必要的干燥，管道內(nèi)的液態(tài)水的存在會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。具體來說會引起以下幾個方面的危害：[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，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)水在低溫時還會造成管道低洼處的冰堵，影響輸氣量，嚴(yán)重時會造成停輸?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)空氣露點達(dá)到規(guī)定的要求。
2國外天然氣長輸管道干燥技術(shù)概況
國外天然氣長輸管道干燥技術(shù)起步很早，發(fā)展也較為迅速，干燥方法多樣。目前，國外天然氣長輸管道常用的干燥方法有：干燥劑法、流動氣體蒸發(fā)法（包括干空氣干燥法，氮氣干燥法，天然氣干燥法）、真空法等。
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又是水合物抑制劑,能抑制水合物的形成。在應(yīng)用過程中,由于乙二醇或三甘醇的價格費(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)場的應(yīng)用受到一定限制。[1]常采用天然氣或氮氣作為推動力，在兩個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，這就是國外常用的兩球法。在兩球法的基礎(chǔ)上，國外又發(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)點是除了小口經(jīng)管道,其干燥速度最快,可干燥管道的長度僅受限于清管器的性能,可用于陸上和海底管道,在干燥的同時投產(chǎn),低溫環(huán)境下同樣有效.
甲醇干燥缺點是單獨使用不能到達(dá)負(fù)露點,對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.儲存運(yùn)輸要求較高,易對環(huán)境造成污染和發(fā)生安全事故;同時甲醇干燥需要天然氣或惰性氣體,在實際操作中需要氣井或氮氣制備設(shè)備,難度較大. [2] [3]
2.2流動氣體蒸發(fā)法[2] [4]
流動氣體蒸發(fā)法的原理是：流動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、氮氣或天然氣，所以流動氣體蒸發(fā)法又可以分為干空氣干燥法、氮氣干燥法和天然氣干燥法。
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,尤其在吹掃過程中還可以加發(fā)泡沫清管器來增大擾動,進(jìn)一步使水膜攤開,提高干燥速率,縮短干燥時間.
2.3真空干燥法[2] [3]
真空干燥法是利用水的沸點隨壓力降低而降低，當(dāng)壓力降到一定低時，水就會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)境溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓時，液態(tài)水會在常溫下沸騰蒸發(fā)，水蒸氣被真空泵抽出，達(dá)到管內(nèi)除水干燥的目的。
這種方法的有點是可靠性高,管道中的水斗可以除去,能到達(dá)很低的露點,在使用氮氣掃線時最低能達(dá)到-68℃,設(shè)備占地小,在管道的一段作業(yè),這對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.干燥時不能同時清管,不適于長距離的小口經(jīng)管道.
3國內(nèi)天然氣長輸管道干燥技術(shù)概況
由于以前對天然氣長輸管道內(nèi)液態(tài)水的水蒸氣的危害認(rèn)識不夠，90年代以前建成的天然氣長輸管道在投產(chǎn)之前是不直接進(jìn)行干燥的，隨著長輸管道建設(shè)水平的提高，以及大口徑、高壓、大排量天然氣長輸管道的興建，國內(nèi)才開始認(rèn)識到干燥的必要性，因此天然氣長輸管道干燥技術(shù)在我國起步較晚。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388km，全線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778km，全線采用了真空法進(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)致后來發(fā)生水合物冰堵；
（4）2000年京-石輸氣管道，管徑525mm，長300km，全線采用了干空氣干燥，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1573km，全線采用干空氣干燥，最終露點為-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,利用的露點空氣對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)的水分會被的露點干空氣吸附并被后面的干空氣吹掃出管道.但在實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管道出口空氣濕度或露點,當(dāng)其小于預(yù)定值時,表明已經(jīng)干燥.另一種檢測方法是同時檢測管道出口和入口露點,當(dāng)兩者相等時表明已經(jīng)干燥.
當(dāng)干空氣在管道中流動時,低露點的干空氣很快會吸濕至飽和,但隨著空氣在管道中的繼續(xù)流動,壓力逐漸下降,壓力下降又會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間,但是水的快速蒸發(fā)會使得吸熱量增加,從而降低了管道中的溫度,減緩了水的蒸發(fā)速度。同時,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),而且會增加管道中空氣的壓力,壓力增加又會導(dǎo)致空氣吸濕能力下降。
干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項: [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)情況可對泡沫清管器進(jìn)行稱重,如含水量偏高,可進(jìn)行一次高密封直板清管器清管。
(3)驗收時如發(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間隔一定時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，一次可干燥的最長距離在150km左右；后一種工藝可干燥很長的管道，目前為止采用此工藝干燥的距離最長的管道是Europipe，距離長達(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，而后者適用于所有管線，包括變徑管線。
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，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；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)水會蒸發(fā)補(bǔ)充到管道內(nèi)的空間，導(dǎo)致露點上升；間隔一段時間后重新開始干空氣吹掃，在較短的時間內(nèi)就能將露點將下來。經(jīng)過幾次間隔吹掃，最終能達(dá)到完全清除管道內(nèi)存在的液態(tài)水，并將露點降至-20℃以下。
從理論上講，隨著時間的推移，管道出口處的空氣露點可達(dá)到-40℃以下，這是最理想的狀態(tài)。但在實際施工中，除了對干燥要求較高的管道（如輸送酸性天然氣管道）外，干燥終點沒有必要達(dá)到-40℃以下，一般達(dá)到-20℃就足夠了。因為在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，-20℃露點的空氣含水量僅為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個月內(nèi)對管道沒有腐蝕，干燥后即使不馬上投產(chǎn)也不會腐蝕管道內(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的空氣,一般不用于直接制取管道干燥所需露點為低于-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-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`液體晃動和飛濺等缺點,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[2] [3] [4]
目前在我國廣泛使用的是干空氣干燥法。干空氣干燥是采用經(jīng)過除油、過濾和脫水的干燥純凈壓縮空氣吹掃管線，由于其低露點的特點使管道內(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：
（1）干燥效果均勻一致，露點可達(dá)到-25℃以下，且干燥時間相對較短；
（2）經(jīng)濟(jì)實用,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.工藝簡單,容易控制,有完整的干燥檢測標(biāo)準(zhǔn),能保證管道在較短時間內(nèi)達(dá)標(biāo),對操作技術(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、管道長度的影響相對最小；
（3）干燥同時如果采用除塵工藝，可使管道到達(dá)很高的清潔水平；
（4）空氣來源廣不受地區(qū)限制，空氣可以任意排放，無毒、無味、不燃、不爆、無安全隱患；
（5）易與管道建設(shè)和水壓試驗相銜接。
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的天然氣管道，管徑1016mm，全長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，全線采用了干空氣干燥。在國內(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�。還有東方1—1氣田生產(chǎn)管道實際干燥操作時,干空氣氣量介于1200～1300ｍ3/ｈ之間,末端測得的空氣露點至-40℃用時18.2ｈ;吸水階段進(jìn)行約4ｈ后,測得的空氣露點為-33.4℃,之后空氣露點基本不變。
這種方法的缺點是對于大口經(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，干燥時間越短。但實際干燥施工是一般采用露點為 –40℃~-50℃的干空氣，很少采用更低的露點。因為露點低于-50℃的干空氣對縮短干燥時間的能力越來越小，而相應(yīng)的制取費(fèi)用越來越高。
（2）環(huán)境溫度。管線所處的環(huán)境溫度越高。越有利于水分的蒸發(fā)，同時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間,但投入費(fèi)用與干燥時間之比也會相應(yīng)下降。因此,在實際操作時須根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備、時間要求等具體條件來決定氣量的大小。
(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間。
在西氣東輸東段的干燥過程中，由于地勢起伏較大，水壓試驗后管線低洼處的積水并不能完全清除干凈，中國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、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，以下是各種干燥方法的比較。
比較項目
干燥方法 干燥成本 干燥時間 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、長度的影響相對較小 應(yīng)用最多、最廣
氮氣干燥法 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 較差 不受任何限制 長距離大口徑、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
綜合比較國內(nèi)外的干燥技術(shù)，可以看出，國外在發(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。相對而言，國內(nèi)干燥還剛剛起步，很多技術(shù)被運(yùn)用的時間很短，有待進(jìn)一步完善。通過對國外干燥技術(shù)的研究，可加快我國天然氣長輸管道干燥技術(shù)的發(fā)展，縮短與國外高水平干燥技術(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)必將越來越受到重視，我們對于各種干燥技術(shù)的研究也將越來越深入，管道干燥技術(shù)必將迎來他發(fā)展的春天。
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