一、前 言
西气东输、忠武输气管道工程的建设掀开了我国管道建设史上的第二个高潮,城市气化工作将全面展开。天然气作为价格低廉、清洁环保的能源已被广大民众所接受,天然气的广泛应用将有效地改变我国的能源结构,拉动国民经济使之健康快速发展。为了确保天然气长输管道安全高效的运行,天然气管道投产前必须要进行的一道工序是管道干燥。
二、天然气管道干燥的必要性
天然气管道投产前的一般程序是试压—除水—干燥—置换—投产。试压包括强度试验和严密性试验。由于气体的压缩性大,在管道出现裂纹的情况下可能导致裂纹失稳扩展甚至爆炸,因此用气体试验有较大风险。各国的规范都推荐用水或其它经过批准的液体作为试压介质,试压一般分段进行。长输天然气管道在采用水试压后,虽然经过通球扫线程序扫出管内存水,但地势低洼地段的积水以及附着在管壁的水膜仍很难通过简单的通球方式加以清除。采用气体试压时,管道中也会含有大量的饱和水蒸气。天然气长输管道中液态水和水蒸气的存在将产生以下几个方面的危害。
(1) 管道中的液态水和水蒸气是造成管道内部腐蚀的主要原因。天然气中的少量酸性气体,例如H2S、CO2 等在有水的条件下能生成酸性物质,使管道内部产生危害较大的应力腐蚀。腐蚀是影响管道系统使用寿命及其可靠性的重要因素,是造成管道事故的主要原因,因腐蚀而造成的事故在输气管道事故中占有很大比例。
(2) 管道中的液态水和水蒸气是形成天然气水合物的必要条件。当管道内的天然气有足够高的压力和足够低的温度时,如果管内有液态水或饱和水蒸气存在,就会形成天然气水合物。天然气水合物一旦形成后,会减少管道的流通面积,产生节流,加速水合物的进一步形成,进而造成管道、阀门和一些设备的堵塞,严重影响管道的安全运行。
(3) 管道中的液态水和水蒸气低温时还会造成管道的冰堵,冰堵的产生也会影响管道的安全运行。
(4) 管道中的液态水和水蒸气的存在会降低天然气的输送能力,造成管道输送能力的下降。
(5) 管道中的液态水和水蒸气的存在还会使天然气的供气品质下降,影响用户的正常使用。
综上所述,天然气长输管道中的液态水和水蒸气的危害性极大,在管道投入运行之前,必须进行干燥处理,以保证其长期、安全、稳定地运行。
三、天然气管道的干燥方法
1 、 干燥剂法
一般采用甲醇、乙二醇或三甘醇作为干燥剂,干燥剂和水可以任意比例互溶,所形成的溶液中水的蒸汽压大大降低,从而达到干燥的目的。残留在管道内的干燥剂同时又是水合物抑制剂,能抑制水合物的形成。在实际应用过程中,由于乙二醇和三甘醇的价格费用较高,因此一般选用甲醇作为干燥剂。甲醇干燥剂可采用天然气或氮气作为推动力,在两个清管器间夹带一定体积的甲醇,形成一定的甲醇浓度梯度,从而达到彻底脱水干燥的目的,这就是国外常用的两球法。在两球法的基础上又发展了三球法,三球法能使残留在管内壁上的液膜中甲醇浓度高于两球法,且甲醇损耗量小于两球法。
2 、 流动气体蒸发法
流动气体蒸发法的原理是流动的干燥气体在管道里与残留在管内壁及低洼处的水接触后使水蒸发,进而达到干燥的目的。这种气体可以是干燥的空气、氮气或天然气,因此流动气体蒸发法又可以分为干空气干燥法、氮气干燥法、天然气干燥法。
3 、 真空干燥法
真空干燥法是在控制条件下应用真空泵通过降低管内压力而除去管内自由水的方法,其原理是创造与管内温度相应的真空压力,以使附着在管内壁上的水分沸腾汽化。通过利比亚管道工程的实际应用,采用该方法干燥长输管道的时间远大于干空气干燥法,将其用于站场管道干燥效果好于干空气干燥法。
针对忠武输气管道,专家们在充分分析各种干燥方法的工作原理、干燥工艺、适用范围、优缺点的同时,还考虑了干燥效率、经济、安全、环保等诸多因素,最终选定采用流动气体蒸发法中的“干空气干燥法”对忠武输气管道进行干燥。
四、管道干空气干燥法数学模型
1 、 干空气干燥原理
利用露点低于- 40 ℃流动的干空气带走管道内残留水分达到干燥目的的方法。干空气进入管道后会被水蒸气饱和成为饱和空气,这样一部分水分被带出管道,不断地输入干空气并检测管道出口的空气露点,直到它小于预定的值,此时表明管道内部已经没有液态水,管道处于干燥状态。用于空气干燥天然气管道是传热、传质同时进行的复杂过程,其动力来源于空气与湿空气之间水蒸气含量的差值,差值越大,干空气吸湿的速度越快,干燥也越快。因此,干燥过程与湿空气的性质参数是有密切关系的。
2 、干空气干燥法数学模型
(1) 蒸气分压p。若空气中水蒸气含量越多,则空气的水蒸气分压p 越大。在标准大气压下,纯水的饱和蒸气压仅与温度有关,不同温度下纯水和其本身蒸气接触时饱和蒸气压p 可由Antoine 公式计算:
(2) 露点ts 。在总压和绝对湿度不变的情况下,使不饱和的湿空气冷却达到饱和状态时的温度,称为该湿空气的露点。处于露点温度的湿空气的相对湿度为100 % ,湿空气中水蒸气分压是饱和蒸气压,在该饱和蒸气压下对应一个含水量。露点越高,湿空气中水蒸气分压越大,饱和蒸气压越大,对应的含水量越大。工程上常用露点衡量含水量的多少。露点对应含水量计算,即计算饱和空气的含水量H。单位体积饱和空气中的水蒸气的质量,称为饱和空气的含水量,也称为湿度。
用以上公式计算的含水量与试验值的相对偏差小于0. 2 % ,露点对应空气含水量试验数据见表1 。