天然气管道干空气干燥研究.pdf

2 01 i芷 第 1期 谨 技 术 Pi p e l i ne Te c h n i q u e 设 台 Eq u i p me n t 2 01 1 NO ．1 天然气管道干空气干燥研究 付先惠， 王孝刚 ， 孟庆华 ， 袁先勇 ， 姚麟昱 中国石化西南油气分公 司工程 技术研究院 ， 四川德 阳6 1 8 0 0 0 摘要 天然气管道的干燥处理是输 气管道投产 前的重要 工艺环节。研 究表明， 最经济安全的干燥 法为干空气干燥法， 其过程 为复杂的传热、 传质。文中介绍干空气干燥 工艺原理 ， 并对其干燥和吸水过 程 ， 应用质量守恒原理 、 相平衡理论和 费克定律 ， 建立 了天然气管道干燥机 理模 型 、 吸水机 理模 型及 密 闭稳定再干燥模型 ， 编制 了应用程序 ； 利 用双庙 1井 一杨柳垭天然气管道工程的干燥 实例验证 了模型 的正确性； 并应用程序对干燥各影响因素进行 了分析， 给 出了各参数 最优范围值 ， 对现场施 工提供 了技 术支持与参考。 关键词 干空气干燥 ； 干燥模型； 吸水模型 ； 影响因素 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 1 0 1 0 0 1 7 0 3 S t u dy o f t h e Dr i e d a i r Dr y i n g Te c hno l o g y o f Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne F U X i a n h u i ， WA N G X i a o g a n g ， ME N G Q i n g h u a ， Y U A N X i a n y o n g ， Y A O L i n g - y u E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m B r a n c h ， S i n o p e c ， D e y a n g 6 1 8 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s a n i mp o r t a n t t e c h n i c a l s e g me n t o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e t o b e d r i e d b e f o r e i t g o e s i n t o p r o d u c t i o n ． T h r o u g h p r e v i o u s r e s e a r c h i t i s k n o w n t h a t d r y i n g t h e n a t u r a l g a s p i p e l i n e b y me a n s o f d r y a i r i s t h e s a f e s t a n d mo s t e c o n o mi c a l me t h o d ． I t i s a c o mpl e x s e a l i ng h e a t t r a ns mi s s i o n a nd ma s s t r a ns f e r r i n g c o u r s e ． Thi s t e x t i n t r o d uc e s a d r y t h e o ry ， t o t h e s i mu l a t i on a nd h y g r o s c o pe p r o c e s s， e s t ab l i s h e s t h e me c ha n i s m mo d e l o f t h e d ryi ng， h yg r o s c o pi ng a n d t h e r e p e a t e d dr y i ng o f c l o s e n e s s a n d s t e a dy p r o c e s s o n t h e b a s i s o f t h e l a w o f c o n s e r v a t i o n o f ma s s ， t h e p h a s e e q u i l i b r u i m p r i n c i p l e a n d t h e r i c k’ S L a w， a n d f o r mu l a t e s a n a p p l i c a t i o n p r o g r a m i n t h e e n d ． T h e a c c u r a c y f o t h e mo d e l w a s v e rifi e d b y t h e d r y i n g c a s e o f t h e S h u a n g mi a o 1 w e l l Ya n g l i u y a n a t u r a l g a s p i p e l i n e e n g i n e e r i n g ． I t a n a l y z e s t h e d ryi n g e f f e c t s o f a U f a c t o r s b y u s i n g t h e p r o g r a m． g i v i n g t h e b e s t a r e a o f a l l p a r a me t e r s ， a n d o f f e r i n g s u p p o a n d r e f e r e n c e o f t e c h n o l o g y t o fi e l d b u i l d i n g ． Ke y wo r d s d ry a i r d r y i n g ； d r y i n g mo d e l ； h y g r o s c o p e mo d e l ； e f f e c t f a c t o r 1 干空气干燥原理 干空气干燥 工艺包 括初 始 干空 气干 燥 、 密 闭吸 水、 密闭稳定后干空气再干燥 3个过程 ， 它们都是复杂 的传质 、 传热过程。初始 干燥阶段主要是连续向管道 注入低露点的干空气 ， 以干空气 吹扫管道并将管内水 分带出管外 ， 当管道末端空气露点低于干燥 要求露点 一 2 0℃ 时 ， 停止 吹扫 ， 然后封闭管道 ， 转入 吸水 阶 段。吸水过程利用管道封闭时 间间隔 ， 通过扩散过程 实现管道 内部空气露点的均匀一致 ， 达到引入天然气 的干燥要求。吸水过程结束后进入第三个阶段 ， 即密 闭稳定再干燥阶段 ， 此时再向管道通人低露点的干空 气并低压吹扫管道 ， 当在管道 出 口处检测到空气露点 低于 一2 0℃时结束干燥 ， 最终完全达 到干燥合格要 求 一 收稿 日期 2 0 1 00 2 0 4 收修改稿 日期 2 0 1 0～ 0 8 2 4 虽然初始 干燥 阶段和密 闭稳定再 干燥 阶段是两 个不同的干燥 阶段 ， 但是这两个干燥阶段 的干燥原理 是一样 ， 因此在建立干燥模型时 ， 将初始 干燥 过程 和 密闭稳定再干燥过 程合为一个 干燥过 程。在整个过 程 中， 干燥 过程 是一个瞬态过程 ， 而 吸水 过程则 为扩 散平衡过程 。 2干空气干燥机理模型及程序编制 目前， 干燥设计中普遍采用经验公式计算 干燥时 间 ， 但 由于这种方法没有考虑管道干燥过程 的不均匀 性 ， 只能用于粗略估算干燥时 间， 计算 出来 的结果存 在很大误差 ， 所 以利用相平衡理论 、 热 力学原理及 费 克定律 ， 并进行合 理假设 ， 编制 了干燥模 型和吸水 模型。 2 ． 1干燥模型 干空气干燥过程是 瞬态过程 ， 涉及 相平衡理论 、 热力学原理等， 为了建立干空气干燥工艺数学模型， P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d Eq u i p me n t J a n ． 2 0 1 1 考虑到空气和水蒸气 的混合气流 中水蒸 气的质量浓 度很低且空气压力不大 、 环境温度为常温。对干燥 过 程作 了如下简化假设 干空气沿管道稳定一维流动 ； 干空气作为理想气体来处理 ； 整个 系统 干空气气 流 和管壁 的温度 与环 境温 度一 致 ； 管壁 液膜 均 匀一 致 一 。 分别对管壁 上的液膜和空气 中的水蒸 气运用质 量守恒定律进行推导 ， 可得到 OW 一仃 D N A 1 1 、 ， A t, 等一 等 rrD N A 2 模型中的蒸发率为 n ㈩ 传质系数用 C h i l t o nC o l b u m 公式进行计 算 ， 得 到 F 4 一一 ⋯ l ’ N W D ⋯ 式 中 为管壁单位面积单位时间水 的蒸发率 ； W为 单位长度管道的含水量 ； D为管道 内径 ； t 为时间 ； 为 管道横截面积 ； C 为干空气中水蒸气质量浓度 ； M 为 干空气的质量流量 ； 为距离变量 ； p为空气密度 ； F为 传质系数 ； Y为空气 中水蒸气 的摩尔浓度分数 ； 为 空气饱和时水蒸气的摩尔浓度分数 ； MW 为水蒸气的 分子量 ； 为空气的分子量 ； R e 为雷诺数 ； 为动力 黏度。 2 ． 2吸水模 型 当出 口处空气湿度达到规定值时 ， 停止供气并封 闭管道两端。此时虽然管道的两端 已基本 干燥完毕 ， 但 中间部分仍有部分水 以液态形式存在 ， 所以管道内 部存在一个空气与水蒸气间分子扩散平衡过程。 所以 ， 为准确预测封闭期 间干燥段 内干空气 的绝 对含水量随时间的变化 ， 并保证其露点低于最低 环境 温度 ， 文 中运用质量守恒定律和费克定律 ， 推导 出的 吸水模型为 J A DA B 5 式中 为扩散速率通量 ； D 为组分 A到组分 B的扩 散系数 ； 为浓度梯度 。 干燥模型采用限差分法和弦切法求解 ， 吸水模 型 采用分离变量法求解 。在此基础上 ， 编制 了干燥 应用 程序来预测 干燥 时 间、 吸水时 间以及密 闭再干燥 时 间。 2 ． 3 干燥 程序 编 制 程序编制按图 1 所示的流程进行。 cces1 J 数 据 I l参 数 l I燥 过 程 I I水 过 程 l l再 干 燥 过 I l 库 I l输 入 l l 模 拟 l l 模 拟 l I 程 模 拟 l I 图 1程 序 编 制流 程 图 3 实例分析及干燥影响因素分析 3 ． 1 实例分 析 文 中以双庙 1井 一 杨柳垭天然气管道为例进行计 算 ， 该管线总长 3 9 k m， 管径为 2 1 9 mm， 所通干空气露 点为 一 4 0℃， 干空气 流量为1 4 4 0 m ／ h ， 以 0 ． 0 5 MP a 的压力进行 吹扫 ， 环境 温度为 2 1℃ ， 用泡沫清管器全 线擦拭除水后 ， 管道内壁的平均水膜厚度是管道 内壁 粗糙度的 3～ 5倍 ， 管道水膜厚度为 0 ． 1 m m． 现场干燥时间为 7 4 h ； 经验公式计算的平均干燥 时间为 1 0 2 h ； 程序预测时间为 7 8 h ． 采用数学模 型计算 的干燥时 间与现 场实际干燥 时间相对误差只有 5 ． 4 ％ ， 而经验公式计算 的平均干 燥时间相对误差高达 3 7 ． 8 ％ ， 即程序预测干燥时间与 现场 实际干燥 时间能较好地 吻合 ， 说明模 型正确 ， 能 够满足工程需要。 3 ． 2 干空气干燥影响因素分析 管道干燥 是一个 同时进 行 的复杂 的传热 、 传质 过程 ， 其干燥 速度 取决于干 空气与 湿空气 中水蒸气 含量的差值 ， 差值 越大 ， 干空气 吸湿 的速度就 越快 ， 干燥 时间就越 短 。因此 ， 对影 响干 空气 干燥时 间的 因素进行分析 可 以更好 地控制 干空 气干燥 的过程 ， 以达到最经济最合理 的 目的。以下通过 所编制的仿 真应用程序计算分析影响天然气管道 干燥时间的各 个因素。 假设要 干燥一条 天然气管道 ， 管道长度 L1 5 0 k m， 管径 D1 ． 0 1 6 m， 环境温度 T1 0℃ ， 管道吹扫 压力P 0 ． 0 5 MP a ， 所通干空气露点为 一 4 0℃， 管道擦 拭后管壁水膜厚度 S 0 ． 1 m m， 管道干燥后 在管道 出 口处要求达到合格的露点为 一 2 0 c 【 ， 干空气的流量 Q 为1 0 0 0 0 m ／ h ． 以下分析时， 将改变其中单因素的值 为一个范围， 而其他值不变 。 第1 期 付先惠等 天然气管 道干空 干 壅 1 9 3 ． 2 ． 1 干空 气流量 取干空气流量 Q为4 0 0 0～1 4 0 0 0 i n ／ h ， 在其他 条件参数不变的前提下 ， 应用干燥程序分别计算各个 流量下干燥所需时间 ， 变化趋势如图 2所示。 从图2可以发现 ， 干空气的流量越大 ， 其干燥时间 越短 ， 当干空气流量高 于1 2 0 0 0 r n ／ h以后 ， 干空气流 量的增加对缩短 干燥 时间 的影 响越来越 小。考虑 到 经济性 ， 增加干空气 的流量也就需要更大压力的空压 机以及制取 干空 气 的设 备 ， 其费用 也越 来越 高。因 此 ， 干空气 的最佳流量为4 5 0 0～1 3 5 0 0 m ／ h ， 但 在实 际工程中还是应该根据现场 的具体情况来确定 干空 气的流量。 干空气流t／ 1 O , m1 ． h 。 图 2干燥 时间与干空气流量之 间的关 系 3 ． 2 ． 2干 空 气露 点 取干空气露点为 一 3 0～一 7 0℃ ， 在其他条件参数 不变的前提下 ， 变化趋势如图 3所示。干空气露点越 低 ， 所需干燥时 间越短 ， 但 当所 通干空气露点低 于 一 5 0℃后 ， 干燥时间斜率变 化非 常小 ， 而制取干空气的 费用却越来越 高。因此 ， 在实际干燥施 工时 ， 一般 采 用露点为 一3 5～一 5 0℃的干空气进行干燥 ， 其经济性 与实际效果最好 。 图3 干燥时间与干空气露点的关系曲线图 3 ． 2 ． 3环境 温 度 取环境温度 为 一5～ 2 0℃ ， 在其他条件参数不 变的前提下 ， 变化趋势如图 4所示 。 环境温度越 高 ， 干 燥 时间就 越短 。环境 温 度越 高 ， 越有利于水分 的蒸发 ， 同时干空气的吸水能力也 越大， 所 以干燥效果也就越好。 3 ． 2 ． 4 其他 影响 因素 影响管道干空气干燥时间的因素较多 ， 除了以上 星 窖 H _ 图 4 干燥时 间与环境温 度关系图 3个影响干燥时间的主要因素以外 ， 还有 以下影响 因 素 1 管径 干燥管道的管径越大 ， 所需要 的干 空气体积流量 就越大 ， 干燥所用 的时间也就越长。 2 干空气的流速 干燥时间随干空气流速的增加而缩短 ， 在合理流 速范 围内， 干空气 的流速越快 ， 干燥时间越短 ， 但管道 中干空气 的速度也不宜太快 ， 以便气体有 时间饱 和。 另外 ， 由于水 的快速 蒸发 吸热 而降低 了管道 中的温 度 ， 这样会使饱和空气 的含水量下降 ， 导致 干燥效 果 不佳。因此 ， 干空气 的流速有一个最佳范 围， 根据 国 外文献资料 ， 干空气的流速一般控制 2～ 5 m ／ s ． 3 水膜厚度 管道 中水的理想分布状态是 一层 均匀 的水膜 ， 但 实际上管道 中水 的分 布是不均匀 的。水 在管道 中分 布得越均匀 ， 水 与干 空气 的交换 面积就越 大， 干燥时 间也就越短。因此 ， 在管道干燥初期 ， 首先用皮 碗式 清管器尽可能多地清除掉管道 中的积水 ， 然后再用泡 沫清管器进行多次擦拭 ， 将管道 中的水最大程度地摊 开 ， 形成一层均匀的水膜 ， 增大 与干空气的接触 面积 ， 这样干燥时间最短 ， 干燥的效果最好 ， 也最经济。 4结束语 文中针对天然气 管道干空气干燥工 艺特点编制 了程序 ， 利用双庙 1井 一杨柳垭天然气管道工程 实例 进行了验证 ， 并优化 了工艺参数。 利用编制的干燥程序对 干燥 时间的各影 响因素 进行分析发现 ， 干燥 时间随干空气 流量增加 而减小 ， 随干空气流速的增加而缩短 ， 最佳 流速 2 5 m ／ s ； 随 干空气露点 降低 而减小 ， 最 佳干 空气露 点 为 一3 5～ 一 5 0℃ ； 干燥时间随环境温度 的升 高而降低 ， 随管径 增大而增加。 建议保持连续微正压吹扫 ， 并在一定程度上增加 干空气流量 ， 缩短干燥时间。 下转第 3 7页 咖 伽姗珊枷 第 1期 陈居 术等 车载式金属 油罐有限元分析 3 7 图 6 上坡启动时油罐罐体应力云图 1 在匀速行驶工况 下 ， 最大应力发生在罐体与 前后端面的底部相交处 ， 此处 的变形量最小。这与实 际相符 ， 由于加强 圈及鞍座对罐体 的加强作用 ， 使此 处变形量小 。最大变形 2 ． 6 ram 发生在罐体端面的 中心区域 ， 最大应力为 2 1 ． 1 MP a ， 远小 材料的屈 服极 限， 是安全的。 2 下坡时紧急制动 ， 最大应力发生在罐体与前 端面的底部相交处 ， 最大应力为 4 6 ． 4 MP a ， 比平路行 驶时有所增加 ， 这是下坡时油压增大与制动惯性力共 同作用 的结果 ， 与实 际相符 ， 但罐体仍 是安全 的。最 大变形发生在前端面的中部 ， 最大变形为 6 ． 4 m i l l ， 后 端面的变形和应力有所减小。 3 车辆转弯时 ， 最大应力发生在罐体 的人孔处 ， 这主要是 由于人孔 对罐体 的削 弱所致 ， 最 大应力 为 3 6 ． 8 MP a ， 远小材料的屈服极 限 ， 是安全 的。同时， 转 弯侧罐体的应力比匀速行驶工况有所增加， 这是转弯 侧罐体受离心力作用 的结果 ， 与实际相符 。最大变形 发生在罐体端面的中心区域 ， 最大变形为 2 ． 8 m lT 1 ． 4 车辆上坡启动时 ， 最大应力发生在罐体与后 端面的底部相交处 ， 最 大应力 为 4 6 ． 4 MP a ， 最大变形 发生在后端面的中部 ， 最大变形为 6 ． 3 m m， 这是油液 的惯性力 向后下方 的结果。此工况 与下坡时紧急制 动相 比， 可 以发现二者 的应力与变形情况刚好前后互 换 ， 这与实际相符。 由应力分布图和变形 图可知 ， 在车辆下坡制动和 上坡启 动时 ， 罐体的应力 和变形相对 较大 ， 主要是油 液压力增大与惯性力共 同作用的结果 ， 但罐体仍是安 全 的 。 4 结束语 采用有限元 法对结构复杂 的油罐罐体进行受 力 分析时 ， 特别是在匀速行驶 、 下坡 紧急制 动、 转弯 、 上 坡启动时 ， 都可以比较精确地掌握各点 的受力情况及 变形情况 ， 相对于传统的解析法具有优势。 油罐罐体离散成薄壳单元 、 加强圈离散成梁单元 进行计算 比较合理 。 通过对罐体结构进行有限元分析计算 ， 找出了结 构强度比较薄弱的环节和危险结构部 位， 为罐体 的设 计和改进提供了理论依据。 参考文献 [ 1 ] 阚前华 ， 谭长建， 张娟， 等． A N S Y S高级工程应用实例分 析 与二 次开发 ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 刘振志． 军用油料装备． 北京 解放军出版社， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 王勖成． 有限单元法． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 作者简介 陈居术 1 9 6 7 一 ， 副教授， 主要从事汽车理论研究与 教学 上接第 l 9页 参考文献 [ 1 ] 高连发， 天然气管道干燥施工方法． 油气储运 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 0 4 34 5． [ 2 ] 李长俊． 天然气管道输送． 北京 石油工业出版社， 2 0 0 3 ． 1 3 ] A HM E D S Y ． P i p e l i n e d r y i n g u s i n g d e h u m i d i f i e d a i r w i t h l o w d e w p o i n t t e mp e r a t u r e ． Ap p l i e d T h e r ma l E n g ．，1 99 8， 1 8 5 2 3 12 4 4 ． [ 4 ] Y A N A G I D A K ． Ho w t h e v a c u u m p r o c e s s d r i e d a l a r g e d i a m e t e r g a s l i n e ． P i p e l i n e I n d u s t r y ， 1 9 8 8 9 2 6 3 0 ． [ 5 ] K O P P G ．Wh y a n d h o w t o d r y g a s p i p e l i n e s ． P i p e l i n e I n d u s t r y ， 1 9 8 1 1 0 3 54 1 ． [ 6 ] 宋艾玲 ， 梁光川， 王文耀． 世界油气管道现状与发展趋势． 油气储运 ， 2 0 0 6 ， 2 5 1 0 1 6 ． 作者简介 付先惠 1 9 8 2 一 ， 硕士， 从事地面管 网规划、 工艺设 计等工作 。