國內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)

1、國內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道干燥技術(shù)摘要 介紹了國內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道通用的干燥劑法、 流動(dòng)氣體蒸發(fā)法和真空干燥法等幾種干燥技術(shù)，并進(jìn)行了對(duì)比。敘述了這幾種方法的國內(nèi)應(yīng)用概況， 重點(diǎn)闡述了目前國內(nèi)常用的干空氣干燥法的基本原理、典型的工藝流程和干空氣制取工藝，分析了影響干空氣干燥法的各種因素，提出了干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng)。一、前言輸氣管道干燥技術(shù)在國外是研發(fā)并應(yīng)用很成熟的一項(xiàng)專用技術(shù)，在我國則是新的技術(shù)課題。 管道干燥技術(shù)常用在長(zhǎng)距離輸氣管道的施工中，以去除輸氣管道壓力試驗(yàn)后積存在管內(nèi)的游離水，因?yàn)橛坞x水會(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，造成管道冰堵事故。如果不在投產(chǎn)前對(duì)管道進(jìn)行必要

2、的干燥，管內(nèi)的液態(tài)水會(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。其危害有以下幾個(gè)。(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)在足夠高的壓力和溫度下，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)管內(nèi)的液態(tài)水在低溫時(shí)還會(huì)造成管道低洼處發(fā)生冰堵，影響輸氣量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成停輸?shù)闹卮笫鹿?。因此，在管道投入運(yùn)行之前，必須進(jìn)行除水、干燥處理，使管山空氣露點(diǎn)達(dá)到規(guī)定的要求。二、國外天然氣比輸管道干燥技術(shù)國外

3、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?，天然氣干燥?、真空法等。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)用過程中，由于乙二醇或三甘醇的價(jià)格費(fèi)用較高，因此一般選用甲醇作為干燥劑。隨著工業(yè)生產(chǎn)重視環(huán)保程度的不斷提高，干燥劑干燥法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用受到一定限制。采用天然氣或氮?dú)庾鳛橥苿?dòng)力，在兩個(gè)清管器間夾帶一定量的

4、干燥劑，從而達(dá)到徹底脫水干燥的目的，這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。除了小口徑管道以外，甲醇干燥的優(yōu)點(diǎn)是干燥速度最快，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。甲醇干燥法的缺點(diǎn)是單獨(dú)使用不能達(dá)到負(fù)露點(diǎn)，對(duì)含硫輸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饒，因此現(xiàn)場(chǎng)熱工設(shè)備的運(yùn)行安全將受到影響。甲醇易燃、易爆，而且有劇毒，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

5、實(shí)際操作中需要?dú)饩虬睔庵苽湓O(shè)備，難度較大。2、流動(dòng)氣體蒸發(fā)法。流動(dòng)氣體蒸發(fā)法的原理是，流動(dòng)的干燥氣體在管內(nèi)與殘留在管內(nèi)壁及低洼處的水接觸后使水蒸發(fā)，達(dá)到干燥目的。這種氣體可以是是干燥的空氣、氮?dú)饣蛱烊粴?，因而流?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?。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，干燥速度快，尤其在吹掃過程中還可投放發(fā)泡沫清管器來增大擾動(dòng)，進(jìn)一步使水膜攤開，提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間。3、真空干燥法真空干燥法的原理是，利用水的沸點(diǎn)隨壓力降低而降低的特點(diǎn)，當(dāng)壓力降到一定程度時(shí)，水就會(huì)在低溫下沸騰而蒸發(fā)。常用的做法是，用真空泵抽吸密閉容

6、器內(nèi)的氣體，當(dāng)與壓力降低到與環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓時(shí)，液態(tài)水就會(huì)在常溫下沸騰蒸發(fā)， 水蒸氣被真空泵抽出，達(dá)到除水干燥的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，管內(nèi)的水都可以除去，能達(dá)到很低的露點(diǎn)， 在使用氮?dú)鈷呔€時(shí)最低能達(dá)到-68，設(shè)備占地面積小?？稍诠艿赖囊欢巫鳂I(yè)，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，只有選擇合適的真空泵，才能較好地控制抽氣速率。如果抽氣速度較快.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(shí)不能同時(shí)清管，不適于長(zhǎng)距離的小口徑管道。三、國內(nèi)天然氣長(zhǎng)輸管道

7、干燥技術(shù)由于以往對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道內(nèi)液態(tài)水的水蒸氣危害認(rèn)識(shí)不夠，20 世紀(jì)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)水平的提高和大口徑、高壓、大排量天然氣長(zhǎng)輸管道的興建，業(yè)界才開始認(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)在我國起步較晚， 20 世紀(jì) 90 年代以后所進(jìn)行的幾條重要管道干燥處理實(shí)例如下。(1)1992年建成的上海平湖海底輸氣管道， 內(nèi)徑為 334 mm，長(zhǎng)為 388 knl，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，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，管徑為711mm，長(zhǎng)為 778 km，全線采用了真

8、空法進(jìn)行了干燥，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)生水合物冰堵現(xiàn)象。(4)2000 年京石輸氣管道，管徑為525 mm，長(zhǎng)為 300 km，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(yàn)段采用干空氣法進(jìn)行了干燥，取得了預(yù)期的效果。(6)2002 年建成的滄淄輸氣管道，全線采用干空氣法進(jìn)行了干燥，干燥效果很好。(7)2003 年西氣東輸天然氣管道東段(靖邊一上海 )，管徑為 1 01 6mm，長(zhǎng)為 1 573 km，全線采用于空氣干燥，最終露點(diǎn)為-20。l、干空氣干燥

9、法的原理干空氣干燥法是指將干燥空氣以低壓對(duì)管道進(jìn)行吹掃，利用露點(diǎn)空氣對(duì)水分的吸附能力達(dá)到干燥目的。在理想狀態(tài)下，管內(nèi)的水分會(huì)被露點(diǎn)干空氣吸附并被后面的干空氣吹掃出管道，但在實(shí)際操作中，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，源源不斷地輸入干空氣并檢測(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)管道出口和人口露點(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，其壓力下降又會(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排出。在一定程度上

10、，增加空氣的流速可以縮短干燥所需的時(shí)間，但水的快速蒸發(fā)會(huì)使得吸熱量增加，從而降低了管內(nèi)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)增加管內(nèi)空氣的壓力，壓力增加又會(huì)致空氣吸濕能力下降。干燥合格的標(biāo)準(zhǔn)及注意事項(xiàng)如下。(1)管道內(nèi)水膜厚度不大于0.1mm。(2)根據(jù)情況可對(duì)泡沫管道清管器進(jìn)行稱重，如果含水量偏高，可進(jìn)行一次高密封直板清管器清管。(3)驗(yàn)收時(shí)如果發(fā)現(xiàn)與合格標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距，可直接用于空氣低壓吹掃，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0.51m/s 的范圍。(5)干燥合格后如果

11、不立即進(jìn)行注氮或置換，應(yīng)采用0.020.05MPa的干空氣填充密封。2、干空氣干燥法工藝干空氣干燥法有兩種工藝，一是在通干空氣吸掃的同時(shí)，間隔一定時(shí)間通泡沫清管器輔助干燥;二是只用干空氣連續(xù)低壓吹掃。前者由于泡沫清管器的輔助作用，干燥速度較快，但因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;后者可干燥很長(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，后者不如前者，從應(yīng)用范圍上，前者適用于通徑管道，而后者適用于所有管道，包括變徑管道。典型的干空氣

12、干燥工藝首先是水蒸發(fā)引起最初的降溫 (一般為 0.52)，當(dāng)溫降達(dá)到一定程度時(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)，在達(dá)到一定溫降后，停止干空氣吹掃。如果管內(nèi)的某段還存在液態(tài)水，液態(tài)水會(huì)蒸發(fā)補(bǔ)充到管內(nèi)的空間，導(dǎo)致露點(diǎn)上升。間隔一段時(shí)間后重新開始干空氣吹掃，在較短的時(shí)間內(nèi)就能將露點(diǎn)降下來。經(jīng)過幾次間隔吹掃，最終能達(dá)到完全清除管內(nèi)液態(tài)水的目的，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(如輸送酸性天然氣的管道

13、)外，干燥終點(diǎn)沒有必要達(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 僅 為 0.8835g/m3 ， 相 當(dāng) 于 在 管 道 內(nèi) 壁 上 的 殘 留 水 為1.32.1mg/m2。在管道投產(chǎn)前 10 個(gè)月內(nèi)對(duì)管道沒有腐蝕，干燥后即使不馬上投產(chǎn)，也不會(huì)腐蝕管道內(nèi)壁。3、干空氣制取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選法等。 由于水在零度就要結(jié)冰， 而且隨著空氣溫度的降低，除水蒸氣的效率將成倍下降，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

14、劑吸收工藝的一部分對(duì)空氣進(jìn)行初步干燥。干燥劑除水法雖比較陳舊但效果很好。常用的固體干燥劑有硅膠、氧化鋁、分子篩、氯化鋰、溴化鋰和氯化鈣等。常用的液體干燥劑有三甘醇和乙二醇等。其中硅膠、氧化鋁、分子篩和三甘醇可將空氣分別干燥到露點(diǎn) -60、 -73、 -90和 -60。由于采用液體干燥劑具有腐蝕性強(qiáng)、需要控制液體晃動(dòng)和飛濺等缺點(diǎn)，因此常用固體干燥劑進(jìn)行干燥。4、干空氣干燥法的優(yōu)點(diǎn)目前國內(nèi)管道廣泛采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道，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)，并利用后續(xù)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

15、具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)干燥效果均勻一致，露點(diǎn)可低于-25，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，有完整的干燥檢查進(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，既適用于陸地管道及海底管道，也適用于通徑管道和變徑管道， 且受管徑、管道長(zhǎng)度的影響相對(duì)最小。(3)干燥的同時(shí)如果采用除塵工藝，可使管道達(dá)到很高的清潔水平。(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)易于管道建設(shè)和水壓試驗(yàn)相銜接。在海底管道方面，國外采用干空氣干

16、燥法應(yīng)用成功的例子有兩個(gè)，一是 1995 年建成的 Europipe 管道，是目前為止采用干空氣干燥的距離最長(zhǎng)的天然氣管道，該管徑為 1016mm，全長(zhǎng)為 620km;二是藍(lán)色氣流工程(Blue Stream Project Pipeline)，兩條管徑為 2609.6mm，深 1000m 的海底管道，每條長(zhǎng) 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?。例如，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12001300m3/h 之間，末端測(cè)得的空氣露點(diǎn)至 -40時(shí)，共用時(shí) 18.2h，吸水階段進(jìn)行約4h 后，測(cè)得的空

17、氣露點(diǎn)為 -33.4，之后空氣露點(diǎn)基本不變。采用干空氣干燥法不足之處是，對(duì)于大口徑管道，設(shè)備占地面積很大，需消耗大量燃油或電力來制取干空氣。5、影響干空氣干燥效果的因素(1)空氣最初含水量。理論上使用的干空氣越干，干燥時(shí)間越短。但在實(shí)際干燥施工時(shí)一般采用露點(diǎn)為-40-50的干空氣，很少采用更低露點(diǎn)的空氣。因?yàn)槁饵c(diǎn)低于-50的干空氣對(duì)縮短干燥時(shí)間的能力越來越小，而相應(yīng)的制取費(fèi)用越來越高。(2)環(huán)境溫度。管道所處的環(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0.050.1mm 厚度的水膜。(4)干空氣流量。干空氣流量越大，干燥時(shí)間越短，干空氣流速在58m/s之間。其效果和經(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，管內(nèi)的液態(tài)水聚集在管子的較低部位，例如間歇發(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)必