張曉慧，蘇清博，周 丹，陳 杰，楊宏偉

中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心，北京100028

管道新型轉輪式干燥系統(tǒng)設計研究

張曉慧，蘇清博，周 丹，陳 杰，楊宏偉

中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心，北京100028

針對國內(nèi)目前常用的天然氣長輸管道傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的諸多弊端，設計了一種管道新型轉輪式干燥系統(tǒng)，依托國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線，對該干燥系統(tǒng)干空氣流量和露點等設計參數(shù)進行了優(yōu)化，結果表明，與傳統(tǒng)的管道干燥系統(tǒng)相比，新干燥系統(tǒng)干燥工期可減少35%，運行能耗可降低50%。對管道轉輪式干燥機的除濕性能進行了數(shù)值模擬研究，對比模擬計算結果與工程實際運行數(shù)據(jù)，兩者基本吻合。理論與實踐證明，新型管道轉輪式干燥系統(tǒng)用于天然氣長輸管道除水后的干燥施工效果良好。

天然氣管道；管道干燥；轉輪干燥器；優(yōu)化設計；數(shù)值模擬

天然氣作為一種潔凈能源，得到了越來越廣泛的應用。天然氣長輸管道作為運輸載體，其施工建設正在全國范圍內(nèi)快速、穩(wěn)步地開展。管道的試運投產(chǎn)是管道建設中的一個重要環(huán)節(jié)，其所需的施工時間較長，施工流程較為復雜，需要對整個過程進行全方位的技術把控。投產(chǎn)前試壓的一般程序是：試壓-除水-干燥-置換-投產(chǎn)[1]?？紤]到安全因素，一般長輸天然氣管道采用水壓試驗，隨后經(jīng)通球掃線程序掃出管內(nèi)存水。但地勢低洼地段的積水以及附著在管壁的水膜仍很難通過簡單的清管方式加以清除，如果不進行干燥處理而直接投產(chǎn)，有可能形成天然氣水合物，發(fā)生凍堵等現(xiàn)象，會對管道的安全運行造成重大影響，甚至造成財產(chǎn)損失和人員傷害[2-6]。因此探究高效的天然氣管道干燥方案，降低施工能耗，減小設備占地面積及質(zhì)量在當下具有現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)有管道干燥系統(tǒng)

國內(nèi)外用于天然氣長輸管道干燥的常用方法目前主要有3種：干燥劑法、流動氣體蒸發(fā)法和真空干燥法[7-13]。其中干空氣干燥法（流動氣體蒸發(fā)法）的干燥成本低，且施工效果好，干燥介質(zhì)選用空氣，具有來源廣、不受地區(qū)限制、廢氣可任意排放、無毒、無味、不燃、不爆、無安全隱患等優(yōu)點。采用露點為-40℃的干空氣進行干燥施工，可保證長輸管道露點達到-20℃以下。

目前國內(nèi)常見的干空氣干燥系統(tǒng)如圖1所示。圖中的空壓機系統(tǒng)一般包含2～3臺移動式空壓機，空壓機數(shù)量取決于施工管道長度；干燥器一般選擇無熱再生空氣干燥器或者組合式低露點干燥器。兩種干燥器的主要吸附原理均為變壓吸附，因此一般要求空壓機出口壓力不能低于0.7 MPa。若采用無熱再生空氣干燥器，其再生氣的損耗量約為原料氣的13%，無形中增加了其前置空壓機的運行負載，因此整套系統(tǒng)的能耗較高，另外施工過程中高壓氣進入長輸管道，加大了作業(yè)危險性，同時施工現(xiàn)場較為雜亂，操作靈活度較差。

圖1 傳統(tǒng)管道干燥流程（又稱干燥系統(tǒng)2流程，短路連接圖中綠框流程后的流程為干燥系統(tǒng)1流程）

2 新型管道干燥系統(tǒng)的設計

針對現(xiàn)有管道干燥系統(tǒng)存在的諸多弊端，以某LNG接收站輸氣干線管道的干燥為研究對象，對其干燥工藝流程進行優(yōu)化設計。本文研究對象的工程參數(shù)見表1，根據(jù)該條管道的干燥記錄表，可知其采用干空氣進行干燥的時間約為6 d。

表1 某輸氣干線管道工程參數(shù)

2.1 新型干燥系統(tǒng)工藝流程

新型轉輪式干空氣管道干燥系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，主要包括干燥機單元和風機單元。大氣中的濕空氣被處理風機吸入后進入預冷單元，預冷單元使干空氣溫度降低至8℃，并脫除空氣中的大量水分；隨后低溫空氣進入轉輪除濕區(qū)，經(jīng)硅膠吸附后得到高溫干燥空氣，再經(jīng)過過濾等后續(xù)工藝處理后，即可進入長輸管道中，用于管道的干燥施工。在再生氣系統(tǒng)中，由加熱器對風機吸入的氣體進行加熱，加熱后的高溫氣體進入再生區(qū)域?qū)枘z進行解吸，解吸硅膠后形成的接近飽和的再生氣由風機排入大氣。轉輪以8～10 r/h的速度旋轉，可連續(xù)地完成硅膠的吸附和再生過程。

為了減小轉輪設備尺寸，提高工藝效率，采用兩級轉輪干燥吸附系統(tǒng)，中間設置級間冷卻器，一級轉輪用于初步干燥，將空氣露點降低至-10℃左右，二級轉輪用于深度干燥，出口空氣露點可達到-40℃。

圖2 新型轉輪式管道干燥系統(tǒng)流程（又稱干燥系統(tǒng)3流程）

2.2 干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設計

為提高干燥干線管道的效率，本研究基于國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線中水的分布狀態(tài)、水膜厚度及干線周圍環(huán)境溫度等參數(shù)，對干燥所需干空氣的合理露點和流量進行了分析。由于轉輪干燥機采用風機進風結構，風量對能耗的影響相對于空壓機較弱，因此與傳統(tǒng)干空氣干燥方法相比，在基本不增加能耗的情況下，可提供更大流量的干空氣，由此而縮短了干燥的時間。

（1）干空氣流量對管道干燥時間的影響。對于所研究的管道，當干空氣的露點為-40℃時，干空氣流量對管道干燥時間的影響見圖3。從圖中可以看出，當干空氣流速由2 m/s增大到12 m/s時，干燥時間由375 h縮短到50 h，可見干燥時間對于干空氣的流量非常敏感，增大干空氣流量可明顯縮短干燥時間。但是傳統(tǒng)干空氣管道干燥系統(tǒng)無法增大干空氣的流量，其主要原因是受限于空壓機的能耗、流量、數(shù)量之間的關系。由于傳統(tǒng)管道干燥系統(tǒng)的工藝要求空壓機排氣壓力最低要達到0.7 MPa，而單臺空壓機的送風能力一般為2 000～3 000 m3/h，這也就決定了采用大流量空壓機系統(tǒng)進行干燥的經(jīng)濟性較差。采用轉輪干燥設備替代傳統(tǒng)干燥設備后，考慮到在低流速下整條管道沿程的壓降較小，因而可選用風機替代空壓機，有效降低原空壓機系統(tǒng)的能耗。因此當采用轉輪干燥設備時，可適當提高干空氣流速，以此加快干燥時間，與此同時相應地降低了系統(tǒng)能耗。由圖3可知，當干空氣流速大于8 m/s時，流速對干燥時間的縮短作用較為有限，因此在露點-40℃下，干空氣的流速取8 m/s較為合理，其與原LNG接收站輸氣干線的干燥時間對比見表2。

圖3 不同干空氣流速下對干燥時間的影響

表2 新干燥方案與傳統(tǒng)干燥方案對比

（2）干空氣露點對管道干燥時間的影響。針對該LNG接收站輸氣干線，當干空氣流速為8 m/s時，其干空氣露點對管道干燥時間的影響見圖4。從圖中可以看出，當干空氣露點由-30℃降低到-60℃時，干燥時間從95.2 h縮短到93.7 h，由此可見干空氣露點對干燥時間的影響非常有限，降低干空氣露點并不能明顯縮短干燥時間，因此沒有必要對干空氣露點作進一步的優(yōu)化。目前工程上常用的干空氣露點為-40℃，施工效果良好，另外對目前國內(nèi)外文獻的調(diào)研結果表明，干燥時間計算公式在高露點情況下通常誤差較大，因此本研究不對干空氣露點作進一步的優(yōu)化，而只采用工程經(jīng)驗值-40℃。

圖4 不同干空氣露點對干燥時間的影響

3 新干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

為考察新型轉輪式管道干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟性，對圖1的干燥系統(tǒng)1和干燥系統(tǒng)2、圖2的干燥系統(tǒng)3進行初期投資及運行費用兩方面的預估，對三種干燥系統(tǒng)的關鍵參數(shù)進行比較，見表3～5。

表3 不同干燥系統(tǒng)的關鍵參數(shù)比較

表4 不同干燥系統(tǒng)的主要工程投資估算/萬元

表5 運行費用估算

干燥系統(tǒng)1為采用無熱再生干燥器的工藝流程；干燥系統(tǒng)2為采用組合式低露點干燥器的工藝流程，相比干燥系統(tǒng)1增加了一個冷劑循環(huán)單元，可適當降低運行能耗；干燥系統(tǒng)3為采用新型轉輪式干燥器的工藝流程。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，干燥系統(tǒng)3的主要工程投資估算、運行費用估算、設備質(zhì)量、設備能耗均明顯較低，而設備提供的干空氣流量明顯較大。

4 轉輪除濕機除濕的數(shù)值模擬研究

4.1 建立數(shù)學模型

為了系統(tǒng)地分析轉輪干燥器的除濕運行過程，本文以管道系統(tǒng)內(nèi)一級轉輪除濕機為例，以一級轉輪除濕機內(nèi)部任一單通道為微元研究對象，提出合理的假設，建立一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。

（1）空氣與除濕劑間的質(zhì)量守恒方程：

式中：Y為空氣中的含濕量，kg/kg；t為時間變量，s；V為空氣流速，m/s；z為轉輪軸方向的空間變量，m；fd為單通道內(nèi)單位長度上除濕劑的質(zhì)量，kg/m；ρa為空氣密度，kg/m3；A為通道截面積，m2；W為除濕劑中的含水量，kg/kg。

（2）除濕劑中的傳質(zhì)方程：

式中：Ky為對流傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m·s）；P為通道截面邊界周長，m；Yw為除濕劑表面飽和空氣含濕量，kg/kg。

（3）空氣與除濕劑間的能量守恒方程：

式中：T為空氣溫度，K；cpd為除濕劑的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpl為除濕劑中水分的等壓比熱容，J/（kg·K）；fm為單通道內(nèi)單位長度基材的質(zhì)量，kg/m3；cpm為基材的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpa為空氣的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpv為水蒸氣的等壓比熱容，J/（kg·K）；Tw為除濕劑壁面溫度，K；Q為除濕劑吸附水蒸氣產(chǎn)生的吸附熱，kJ/kg。

（4）除濕劑中的傳熱方程：

式中：α為對流傳熱系數(shù)，W/（m2·k）。

公式（1）～（4）反映了空氣和除濕劑之間吸附-解吸過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，4個方程中有5個未知數(shù)，分別為Y、W、T、Tw、Yw，因此還需要補充方程才能夠求解。

（5）吸附熱方程：

式中：hv為飽和水的冷凝潛熱，kJ/kg。

（6）飽和吸附量方程：

式中：準w為飽和水蒸氣的相對濕度，%。（7）安東尼水蒸氣飽和壓力方程：

式中：Pws為水蒸汽飽和分壓力，Pa。

（8）濕空氣含濕量與相對濕度之間的換算關系：

式中：Patm為大氣壓力，Pa。

由于處理空氣與再生空氣為逆流狀況，因此除濕區(qū)和再生區(qū)的進口截面狀況不同，其邊界條件分別為z=0和z=L（L為轉輪厚度，m）截面：

除濕區(qū)

再生區(qū)

式中：Tp、Tr分別是除濕區(qū)、再生區(qū)內(nèi)處理空氣、再生空氣的溫度，K；Yp、Yr分別是除濕區(qū)、再生區(qū)內(nèi)處理空氣和再生空氣的濕度，kg/kg；Tads、Treg分別是處理空氣和再生空氣的入口溫度，K；Yads、Yreg分別是處理空氣和再生空氣的入口濕度，kg/kg。

本模型考慮到了瞬態(tài)問題，故有初始條件：

式中：Tw0為除濕劑溫度，K；W0為初始時刻除濕劑吸濕量，kg/kg。

4.2 運行參數(shù)分析

（1）方程求解、計算。對上節(jié)建立的一組非線性、邊界條件呈周期性變化的雙曲線型偏微分方程，采用顯式有限差分法進行求解，利用Matlab軟件進行編程計算。時間步長dt設為0.005 s，單周期總時間步數(shù)為100 000步，即一個循環(huán)周期的時長為500 s，空間步長設為0.01 m，空間節(jié)點數(shù)為21，除濕區(qū)與再生區(qū)模擬時間比值為3，即再生區(qū)模擬時間為125 s，除濕區(qū)模擬時間為375 s。

（2）計算結果。計算得到了沿通道軸向距離，除濕和再生過程中工藝參數(shù)的變化曲線，見圖5～8。

圖5 處理空氣出口濕度沿通道軸向的變化曲線

圖6 再生空氣出口濕度沿通道軸向的變化曲線

圖7 處理/再生空氣進口溫度對處理空氣出口濕度的影響

第一，在穩(wěn)態(tài)工作循環(huán)中，除濕過程與再生過程交替獨立進行，但在過程初始階段皆會受到上一輪工作狀態(tài)的影響，如圖5～6的t=0時刻，但影響時間較為短暫，工程應用中可忽略不計。

圖8 處理/再生空氣進口濕度對處理空氣出口濕度的影響

第二，處理空氣在除濕過程中為放熱反應，因此處理空氣的溫度將有所提高。處理空氣進口溫濕度對其出口濕度影響較大，見圖7～8，因而在一般干燥過程中，應選用風冷、水冷或其他手段對空氣進行預冷，使其變成盡可能接近于0℃的飽和空氣。

第三，再生空氣溫度對處理空氣出口濕度的影響同樣較為顯著，但提高再生空氣溫度將顯著增大整個系統(tǒng)的能耗，因而要綜合考慮選擇合理的再生溫度，再生空氣濕度對處理空氣出口濕度的影響微弱，工程應用中可忽略。

4.3 計算結果驗證

本章所作分析全部基于管道干空氣干燥系統(tǒng)的第一級轉輪，根據(jù)廠家生產(chǎn)運行經(jīng)驗，給出了該轉輪在實際工程運行過程中的參數(shù)，見圖9。本章理論計算所得到的轉輪出口濕度與實際運行數(shù)據(jù)對比見表6，數(shù)據(jù)表明，兩者誤差為17.8%，這驗證了該理論模型的可靠性，兩者基本吻合。

5 結束語

針對目前常用管道干燥系統(tǒng)的諸多弊端，設計了一種新型轉輪式管道干燥系統(tǒng)，依托國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線，對該干燥系統(tǒng)設計參數(shù)進行了優(yōu)化，結果表明，采用新設計管道干燥系統(tǒng)后，該條管道的干燥時間可由原方案的144 h降低至94 h。對比分析了采用無熱再生干燥器、組合式低露點干燥器以及新型轉輪干燥器對管道進行干燥的經(jīng)濟性，數(shù)據(jù)表明，新干燥系統(tǒng)的運行費用約為傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的50%，一次性初始投資約為傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的67%。最后對轉輪干燥機的除濕性能進行了數(shù)值模擬研究，對比模擬計算結果與工程實際運行數(shù)據(jù)，表明兩者基本吻合，這為下一步干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了堅實的基礎。理論與實踐證明，管道新型轉輪式干燥系統(tǒng)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干燥系統(tǒng)，用于天然氣長輸管道除水后的干燥施工過程。該系統(tǒng)具有能耗低、設備緊湊、便于運輸、安全性高等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

圖9 管道轉輪式干燥系統(tǒng)工程運行數(shù)據(jù)

表6 一級轉輪運行數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)對比

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Study on novel rotary drying system of pipeline

ZHANG Xiaohui，SU Qingbo，ZHOU Dan，CHEN Jie，YANG Hongwei
Technology R&D Center of CNOOC Gas&Power Group，Beijing 100028，China

The conventional pipeline drying system has the disadvantages of high energy consumption，high transportation cost and a large amount of equipment，so a novelrotary drying system of pipeline is proposed.Based on the gas pipeline at a domestic LNG import terminal，the dry air flow rate and dew point of the rotary drying system are obtained by optimizing the calculation.The results show that compared with traditional pipeline drying systems，the new drying system can reduce drying period and energy consumption by 28%and 50%respectively.The performance of the rotary dehumidifier which is the key equipment in the whole system is studied by numerical simulation method.The calculated results are compared with the practical operation data，which shows both are basically agreeable.The practical application proves the rotary drying system has good drying effect for long-distance naturalgas pipeline.

naturalgas pipeline；pipeline drying；rotary dehumidifier；optimization design；numericalsimulation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.002

張曉慧（1989-），女，北京人，工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學（華東）動力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事天然氣液化技術與關鍵設備開發(fā)研究工作。Email：right_away@126.com

2017-07-04