天然气管道干燥方法的对比分析与应用.pdf

2 01 2焦 第 3期 待 技 术 P i p e l i n e Te c h ni q ue 5 设 各 a n d Eq ui pme n t 2 01 2 No ． 3 天然气 管道 干燥方法 的对 比分析 与应用 田灿 ， 蒋辉娟 ， 刘秦龙 1 ． 中石油西部管道塔里木输油气分公司， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 ； 2 ． 中石油西部管道公司党群处， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 2 ； 3 ． 中国石油天然气股份有限公司管道西安输油气分公司， 陕西西安7 1 0 0 2 1 摘要 介绍 了天然气管道投产使用的流动 气体蒸发 法、 真空干燥法和干燥剂干燥法的原理和工艺， 以及真空干燥和干空气干燥的计算模型。对真空干燥 、 干空气干燥和二者结合的方法用于管道投产前 的干燥进行 了研 究， 提 出管道应采用结合干燥法的建议 ， 并对管道干燥所需的时间进行 了预测 ， 单独使 用真空干燥法比单独使用干 空气干燥 需时长， 且二者结合干燥的方法干燥时间最短。 关键词 管道 ； 干燥 ； 真空； 干空气 中图分类号 T E 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 2 0 3 0 0 0 7 0 2 Co m p a r a t i v e An a l y s i s a nd Ap pl i c a t i o n o f Na t ur a l Ga s Pi p e l i ne Dr y i n g M e t h o d s T 1 A N C a n ， J I A N G Hu i - j u a n ， L I U Q i n l o n g 1 ． P e t r o C h i n a We s t P i p e l i n e T a r i m O i l Ga s T r a n s p o r t a t i o n S u b C o mp a n y ， Ko da 8 4 1 0 0 0， C h i n a ； 2 ． P e t r o Ch i n a W e s t P i p e l i n e Co m p a n y， Ur u mq i 8 3 0 0 1 2， Ch i n a； 3 ． P e t r o C h i n a P i pel i n e Xi ’ a l l Oi l Gas T r a n s mi s s i o n S u b C o mp any ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s b o t h t h e p rin c i p l e a n d t e c h n o l o g y o f fl o w i n g g a s e v a p o r a t i o n me t h o d， t h e v a c u u m d r y i n g me tho d a n d t h e d e s i c c a n t d r y i n g me t h o d o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e o p e r a t i o n ． I t ma k e s a s t u d y o f t h e c alc u l a t i o n me t h o d s o f v a c u u m d r y i n g a n d a i r d ryi n g ． I t a n a1 r Z C S t h e c o mb i n a t i o n me t h o d o f v a c u u m d ryi n g a n d a i r d ryi n g ． I t b rin g s f o r wa r d a p r o p o s a l tha t t h e b i n d i n g me t h o d s h o u l d b e u s e d i n p i p e l i n e d ryi n g a n d ma k e s a p r e d i c t i o n o f t h e t i me o f p i p e l i n e d ryi n g ． F i n all y i t t e l l s t h a t t h e t i me o f v a c u u m d ryi n g i s l o n g e r t h a n t h a t o f a i r d ryi n g ． T h e t i me o f t h e c o mb i n a t i o n o f t h e s e t wo d ryi n g me t h o d s i s s h o r t e s t ． Ke y wor d s p i p e l i n e； d r y i ng； va c uu m ； a i r O 引言 天然气管道中如果含有水 ， 就有可能与天然气 中 的少量酸性气体生成酸性物质， 腐蚀管道内壁， 影响 管道系统使用寿命及其可靠性。同时， 有可能形成天 然气水合物或冰堵 ， 造成管道堵塞 ， 影响管道安全运 行 J 。管道中如果存在水蒸气和液态水， 会造成管道 输送能力的下降 ， 天然气含水量上升会 降低天然气 的 质量， 严重影响用户的正常使用。因此， 天然气管道 中如果有水存在 ， 对管道 的危害极 大。为 了避免这些 问题 ， 需要 在天然气管道试压后进行干燥 ， 并 在投产 运行前严格按照国家标准 天然气管道试运行投产规 范 对天然气管道进行脱水干燥处理， 彻底去除管道 中的游离水和绝大部分水蒸气， 使管道内空气压力露 点达到要求， 以确保管道安全平稳的运行， 满足客户 收稿 日期 2 0 1 10 61 7 收修改稿 日期 2 0 1 11 2 0 2 对天然气质量 的要求 。 根据 S Y ／ T 4 1 1 42 0 0 8 天然气输送管道干燥施 工技术规范 要求， 采用于空气干燥方法时， 其管道出 口处的空气露点达到 一2 0℃ ； 采用真空干燥方法 时， 管道压力应降到 0 ． 1 k P a ； 采用干燥剂干燥方法时 ， 干 燥剂含水量 质量分数 应小于 2 0 ％。 1 管道干燥方法介绍 对于天然气管道的除水干燥 ， 国内外 目前已有比 较成熟 的理论和成功的实践项 目， 现阶段普遍采用的 有 3种方法_ 2 J 。 1 ． 1 流动气体蒸发法 流动气体蒸发 法包 括干空 气 干燥 法 、 氮气 干燥 法 、 深度脱水干天然气干燥法 ， 三者 的干燥原理、 过程 及控制相同。深度脱水干天然气干燥法时间长， 并有 可能生成水合物 。干空气干燥法与氮气干燥 法具 有 8 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 Ma v ．2 01 2 相同的干燥效果， 但氮气干燥法费用高。因此， 目前 国内外主要采用干空 气干燥法。于空气干燥法是 在 管线除水清管作业完成后 ， 将经过干燥 的空气 水 露 点低于 一 4 0 o C 注入管道， 吸收管内残水， 达到干燥管 道的 目的。此方法 简单、 安全 ， 国内陆上大多数 管道 采用此方法 ， 例如西气东输工程、 涩宁兰天然气管线 。 此方法适合于长度在 1 0 0～ 2 0 0 k m的管道 。 1 ． 2 真空干燥法 在管线 除水 清管作 业 完成 后 ， 在管 道 的一端 抽 气 ， 形成管内负压 ， 使水分蒸发并随着气体排除管道 ， 达到干燥管道的 目的。真空干燥法技术要求高 ， 只有 选择合适排量的真空泵， 才能较好地控制抽气速率， 现实中运用难度较大。该方法一般可以分为初始抽 气降压、 蒸发、 真空干燥阶段， 其中在初始抽气降压阶 段可以除去大部分残留在管道 中的水蒸气和空气。 1 ． 3干燥剂干燥法 用多个清管器组成清管器组 清管列车 ， 在清管 器之间充 人高浓 度 的干燥剂 甲醇、 二甘 醇、 三甘醇 等 ， 靠后继介质 天然气、 干空气 的压力推动清管列 车前进 ， 将 除水 和干燥环 节一次 完成 ， 工期 短 ， 效果 好 。 2 真空干燥法和干空气干燥法计算模型 2 ． 1 真空干燥法 粘滞流下圆形截 面长管的流导可用 泊谡 叶公 式 1 ， 为了计算方便以及考虑到工程中的误差允许范 围， 在 0 4 O℃时， 气体动黏滞系数 可近似取 1 ． 8 1 O’ 。 N s ／ m ． 根据现场所用 的真空泵 的名义抽 速离 散点 ， 由三 次样 条插值得 出其抽气特性 曲线 ， 即名义 抽速曲线函数 ， 再 由式 3 求得有效抽速 。 抽气时间的计算和水膜蒸发量的计算可见文献[ 4 ] 。 一 U n “ IT ’ 1 P一 2 _ 二 2 式 中 为流导 ， m ／ s ； d为 管道 内径 ， m； L为管道 长 度， m； r l 为气体动黏滞系数， N s ／ m ； P为管道中气 体平均压强， P a ； P 。 为入口压强， P a ； P 为出口压强， P a． 4 k x - 2 f x * ／ E 2 f x - 4 kx ] 2 * 4 0 kf x x 坐 二 2 [ 2 二 ] 垒 4 3 式 中 旦1 2 8n L ； 为泵端管 口压强 ， P a 2 ． 2干空气干燥法 基 于质量守恒定律 、 相平衡 原理 和费克定律 ， 建 立天然气管道干空气 干燥 过程机理模 型和随后封 闭 过程的机理模 型。模拟 的原 理是建立完全表 征被模 拟系统的数学方程， 这些方程组的解 能基 于给定 的初 始条件和边界条件， 预测任意点的过程参数随时间的 变化情况 。干空气干燥法的计算方法可参见文献 [ 5 ] 和文献 [ 6 ] 。 3 管道干燥方案的比选 某输气管道基本参数为 管长 5 0 k m， 管径 D 1 0 1 6 m m， 壁厚 A1 2 ． 5 m m， 水膜 厚 度 60 ． 0 8 m m， 环境温度为 2 0℃ ， 纯水在各温度下的饱和蒸汽压 P 可由文献[ 7 ] 查得。干空气干燥时， 于空气流量为 3 6 0 0 m3 ／h ． 干燥剂法干燥时间最短 ， 但干燥时间只包括了清 管列车 的运行时间， 如加上凝胶的制备 、 使用、 回收等 不可预见 的时 间， 干燥 工期 有可 能远 远长 于预计 时 间。另外 ， 该 干燥 方法施工难度 大 ， 干燥 后凝胶会 在 管道 中逐步分解为粉末 ， 有堵塞计量仪表 、 影响压缩 机正常工作的可能。干燥剂干燥法存在制备凝胶原 料的采购 、 运输 、 储存 以及废凝胶 的处理 等不 可预见 费用， 并且干燥剂法不适用于含硫天然气管道和高纯 度石化管道 的干燥 。最 主要 的是 有些干燥 剂具有毒 性 ， 危害健康 ， 较危险。综上考虑 ， 干燥剂 干燥方法在 此不采用 。 根据该输气干线具备 的条件 ， 结合 管线现场实际 情况 ， 从现场具备条件 、 施工难度 、 干燥 时间等方面进 行考虑 ， 采用 真空抽 吸和干空气 一 4 0 o C 吹扫结合 方法进行管道干燥作业 。下面对真空干燥 法、 干空气 干燥法以及 2 种方法结合的方案 该结合法就是先用 真空干燥 法干燥 ， 抽走一些 水 ， 抽至一定 压力后 再用 干空气法进行干燥 ， 除去剩下 的水 进行对 比， 计算结 果见表 1 。 从表 1中可以看 出， 单独使用真空干燥需时约 1 3 天， 单独使用干空气干燥需时约 1 O天， 即真空干燥需 时比干空气干燥需时长。在结合使用的情况下， 当真 空干燥到 2 0 k P a 时 ， 干燥该管道需时最短 ， 约为 8天。 综上所述 ， 该管道工程应采取真空干燥和干空气干燥 相结合的方法进行干燥。 下转第 1 8页 1 8 Pi p e l i n e Te c hn i q u e a n d Eq u i p me n t Ma v ． 201 2 S c h ． 8 0 S ， 8 ． 8 mm． 表 1中， 为热位移吸收段 的实际 长度 ， m m． 表 1 高温压力管道 x、 Y 、 z方向热位移参数 值得注意 的是 由 L型弯 自然补偿公式可知 ， 热 位移吸收段长度的二次方与热位移段长度成正 比， 为 了简化计算， 可以只验算 ￡ ／ L i 值最小方向是否满 足条件。 根据表 1中结果 ， 在 、 y方 向热应 力不会 有 问 题 ， 在 Z方向热 位移吸收段近似满足 自然补偿要 求 ， 5 0号点和 8 0号点热应力可能出现过大的情况。 采用力学软件进行校核 ， 结果如图 3所示。 图 3 详细 应力校核时热应力情况 可以发现 凡是能通过 L型弯 自然补偿公式 的各 点， 热应力均能满足力学计算要求， 其中8 O号点的热 应力最大 ， 但能满足力学计算要求 ， 可见 L型 弯的 自 然补偿公式 留了一 定的裕量。在实际配管过程 中若 以 为热位移吸收段的最低要求 ， 则能极 大保证专 业力学软件校核的成功率。 3 结束语 上述方法提供 了一个 高温压力管道 自然热 补偿 的计算思路 ， 普适 性好。在 实际配管过程 中 ， 根 据这 种计算思路， 可以通过改变支架的功能和管道的走 向 ， 实现管道热应力的释放 ， 从 而满足 专业力 学软件 的校核 ， 在实际使用过程 中， 可 以利用计算 机将表格 中各参 数计算 编成公式 ， 从而能极大提高计算 速度。 值得注意的是 ， 该计算方法 只是针对管道热应力 的经 验公式 ， 不能代替专业 的力学计算软件 ， 并且对于管 道的一次应力 ， 配管过程 中应满足支架跨距设置等要 求。 参考文献 [ 1 ] 师晓光． 浅析化工管道设计中的自然补偿． 化工科技市 场 ， 2 0 0 6， 2 9 7 2 62 9 ． [ 2 ] 王莹． 工艺管道热补偿 的研究． 辽宁化工 ， 2 0 1 0， 3 9 2 2 0 7 2 09． [ 3 ] 冯秋 良 实用管道工程安装技术手册． 北京 中国电力出 版社 ， 2 0 0 6 2 3 0 2 3 8 ． [ 4 ] 航天工业部第七设计研究院． 工业锅炉房设计手册． 2 版． 北京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 6 4 1 9 4 3 0 ． [ 5 ] A S ME B 3 1 ． 3 2 0 0 6 P r o c e s s P i p i n g ． 作者简介 朱志超 1 9 8 6 一 ， 大学本科 ， 从事化工工艺计算与高 压管道配管工作。 上接第 8页 表 1 真 空干燥 干空气干燥 时间 4 结束语 长输管道干燥时， 单独使用真空干燥法比单独使 用干空气干燥需时长 。 长输管道干燥 时可采用 真空干燥 和干空气干燥 相结合的方 法 ， 即先使 用真 空干燥 再使 用干 空气 干 燥 ， 可使得干燥时间最短。 参考文献 [ 1 ] 吴小平， 苏欣， 张琳， 等． 天然气管道干燥技术综述． 天然 气与石油 ， 2 0 0 6， 4 4 2 0 ． [ 2 ] 刘炀， 焦永涛， 王波， 等． 世界天然气管道干燥技术进展． 清洗世界 ， 2 0 0 4， 2 0 6 1 82 3 ． [ 3 ] 孙碧君． 天然气长输管道干燥技术研究 [ 学位论文] ． 天 津 天津大学， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 孙莉． 长输管道真空干燥专家系统 [ 学位论文] ． 天津 天津大学， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 朱筱岚 ， 李长俊， 廖柯熹， 等． 干空气干燥天然气管道技术 仿真． 油气储运， 2 0 0 7 ， 2 6 8 2 72 9 ． [ 6 ] 付先惠， 王孝刚， 孟庆华， 等． 天然气管道干空气干燥研 究． 管道技术与设备 ， 2 0 1 1 1 1 71 9 ． [ 7 ] 张向宇． 实用化学手册． 北京 国防工业出版社， 1 9 8 6 4 9 6 ． 作者简介 田灿 1 9 8 5 一 ， 助理工程师， 从事管道保护工作。