上海天然氣管網(wǎng)有限公司 陳 佳

0 引言

天然氣在經(jīng)過(guò)場(chǎng)站調(diào)壓裝置后將會(huì)發(fā)生焦耳—湯姆遜效應(yīng)，在節(jié)流處快速膨脹，產(chǎn)生急劇壓降并導(dǎo)致氣體溫度急劇降低。對(duì)于進(jìn)、出站壓差較大的調(diào)壓站，調(diào)壓后設(shè)備和管道在冬季時(shí)將長(zhǎng)期處于低溫運(yùn)行工況。若地下土壤含水量較為豐富，將容易造成埋地管道周圍出現(xiàn)較厚的凍層。隨著凍脹效應(yīng)的加劇，會(huì)導(dǎo)致站內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)損壞、場(chǎng)站墻體出現(xiàn)裂紋、管道發(fā)生形變等危害，對(duì)場(chǎng)站的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

為了避免凍脹現(xiàn)象的發(fā)生，必須采取有效措施，對(duì)可能出現(xiàn)天然氣管道凍脹現(xiàn)象的調(diào)壓站進(jìn)行處置。

1 凍脹產(chǎn)生的原因

目前常用調(diào)壓器均是基于節(jié)流膨脹的原理而工作的。天然氣在調(diào)壓器的流動(dòng)過(guò)程中，受到局部阻力作用，使流體壓力降低；同時(shí)由于這一過(guò)程發(fā)生極快，未能及時(shí)與外界環(huán)境進(jìn)行大量的熱交換，因此可以簡(jiǎn)化為絕熱節(jié)流模型。

由焦耳—湯姆遜效應(yīng)可知，絕熱節(jié)流是一個(gè)強(qiáng)烈不可逆的焓值相等、壓力下降的現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒，節(jié)流前后的流體內(nèi)部總能量不變，即分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)動(dòng)能、分子相互作用的內(nèi)位能和宏觀上的動(dòng)能和勢(shì)能等能量總和在節(jié)流前后不變。節(jié)流后，天然氣體積增大，分子之間的距離增大，分子相互之間的內(nèi)位能增大；宏觀動(dòng)能和勢(shì)能變化不大，所以只能靠減小分子之間的內(nèi)動(dòng)能來(lái)轉(zhuǎn)換成內(nèi)位能；而分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)動(dòng)能與溫度有關(guān)，內(nèi)動(dòng)能減小，外在表現(xiàn)為溫度下降，因此，天然氣節(jié)流膨脹的降溫現(xiàn)象，是無(wú)法違背的客觀規(guī)律。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，管道內(nèi)氣體壓力每降低1 MPa，氣體溫度降低約4～5℃。調(diào)壓站進(jìn)、出站壓差越大，溫降也將越大，從而造成場(chǎng)站調(diào)壓后的設(shè)備及管道在0℃以下低溫運(yùn)行，導(dǎo)致凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

2 凍脹的防治措施

凍脹現(xiàn)象形成的三要素包括：零度以下的低溫、充足水分以及凍脹敏感性土壤。針對(duì)這三大要素，提出如下措施以避免凍脹現(xiàn)象的發(fā)生或減輕凍脹帶來(lái)的不良影響。

2.1 加熱法

目前最有效解決天然氣管道凍脹問(wèn)題的措施就是加熱，采用加熱爐直接加熱管道內(nèi)天然氣可以徹底消除凍脹問(wèn)題。盡管設(shè)置加熱裝置初始投資高、運(yùn)行費(fèi)用高，且對(duì)場(chǎng)站現(xiàn)場(chǎng)用地情況有較多要求，但該方法對(duì)凍脹具有非常好的防治效果，所以仍是國(guó)內(nèi)外眾多供氣企業(yè)較為青睞的措施。

常用的加熱設(shè)備有水套爐、真空爐及電加熱器等。此外，還有利用其他能量來(lái)源對(duì)氣體進(jìn)行加熱的研究，例如地?zé)峒訜帷⑻?yáng)能加熱等措施，這些加熱法對(duì)環(huán)境依賴性較強(qiáng)，并不適用于所有情況。

2.2 換土法

不同類型的土壤在不同含水量下的凍脹性不同，當(dāng)管道周圍發(fā)生凍脹時(shí)，可以采用凍脹敏感性很小或是沒有冰凍敏感性的土來(lái)替換凍脹敏感性土壤。換土法也是有效減輕凍脹的有效措施之一。

換土法防治凍脹，需將管道周圍的凍脹性土壤置換成排水性好、凍脹性小的亂石和沙土，并在管溝內(nèi)設(shè)置防水層，防止地面和周圍土壤的水滲入到置換土壤中，最后在管溝底部設(shè)計(jì)集水溝，將溝底積水引入豎井，再使用抽水設(shè)備將水及時(shí)排出。

2.3 其它措施

除了上述防止凍脹的措施，也可采取改變場(chǎng)站運(yùn)行條件、管溝敷設(shè)或改變管道結(jié)構(gòu)等方式來(lái)緩解凍脹造成的影響。

(1)供氣企業(yè)可通過(guò)與管網(wǎng)上下游協(xié)調(diào)，通過(guò)管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度等措施，盡量縮小調(diào)壓站進(jìn)、出站壓差，減小溫降幅度，并降低天然氣小時(shí)通過(guò)量，從而緩解凍脹強(qiáng)度。

(2)將調(diào)壓后埋地管道土壤掏空，再新建管溝，使低溫管道與含水土壤進(jìn)行隔離。在管道防腐層檢漏合格后，采用聚氨酯泡沫對(duì)管溝進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)管道的絕熱保溫。

(3)增加管道的柔性以減小土壤凍脹對(duì)管道和設(shè)備帶來(lái)的不利影響，如在地上管道安裝補(bǔ)充器、在埋地管道增設(shè)彎頭等措施。

此外，天然氣調(diào)壓站在冬季運(yùn)行期間，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流量、壓力和溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，密切觀察站內(nèi)工藝區(qū)的變形情況，并將凍脹問(wèn)題作為事件類型納入到應(yīng)急預(yù)案中，以便及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

3 防治凍脹的應(yīng)用實(shí)例

近年來(lái)，隨著上海天然氣市場(chǎng)的快速發(fā)展，主干管網(wǎng)下游用戶的用氣負(fù)荷激增，壓差大的天然氣調(diào)壓站發(fā)生凍脹問(wèn)題的比例有所增長(zhǎng)。加之上海地區(qū)土壤含水量豐富，也直接加劇了凍脹強(qiáng)度，因此為防治調(diào)壓站的凍脹問(wèn)題，上海天然氣管網(wǎng)有限公司對(duì)部分供氣量相對(duì)較大、進(jìn)出站壓差大的場(chǎng)站進(jìn)行了技術(shù)改造。

3.1 凍脹防治方案的確定

3.1.1 凍脹防治方案的選擇原則

(1)防治措施有效實(shí)用，能達(dá)到預(yù)期的防凍脹效果。

(2)應(yīng)與場(chǎng)站實(shí)際情況向結(jié)合，確保方案的可行性。

(3)在凍脹防治效果相同的前提下，應(yīng)選擇投資較小、后期維護(hù)較為簡(jiǎn)單的措施。

3.1.2 凍脹防治措施的選取

多種防治凍脹的措施雖具有一定效果，但目前使用最多的方法仍是加熱法和換土法。由于是在已建場(chǎng)站進(jìn)行的改造項(xiàng)目，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，僅能對(duì)調(diào)壓后部分埋地管道實(shí)施換土改造，局部位置仍存在發(fā)生凍脹的可能，因此確定改造項(xiàng)目采用直接加熱手段提高管道內(nèi)天然氣溫度。

常用的天然氣加熱設(shè)備包括天然氣水套爐、真空爐、熱媒爐及電加熱器等，幾種加熱設(shè)備特點(diǎn)見表1。

考慮到天然氣調(diào)壓站的熱負(fù)荷需求量基本處于中等水平，熱負(fù)荷需求量也會(huì)隨著供氣負(fù)荷的變化而有較大波動(dòng)，并且使用天然氣作為燃料氣屬于就地取材非常方便，因此根據(jù)上表中各類加熱設(shè)備的適用范圍，選取天然氣水套爐作為調(diào)壓站的加熱設(shè)備。天然氣水套爐產(chǎn)品較為成熟且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，后期運(yùn)行維護(hù)較為方便，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。

3.2 加熱裝置的熱負(fù)荷計(jì)算

以某調(diào)壓站為例，計(jì)算加熱裝置的熱負(fù)荷量。

3.2.1 天然氣介質(zhì)溫度的確定

(1)計(jì)算公式

管輸天然氣中，當(dāng)甲烷的體積含量大于 85%時(shí)，焦耳—湯姆遜系數(shù)及調(diào)壓后天然氣溫度，可按下式計(jì)算：

式中：μJ——焦耳—湯姆遜系數(shù)，K/MPa；

cp——調(diào)壓前天然氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；

T1——調(diào)壓前天然氣的溫度，K；

T2——調(diào)壓后天然氣的溫度，K；

p1——調(diào)壓前天然氣的壓力，MPa；

p2——調(diào)壓后天然氣的壓力，MPa。

(2)天然氣介質(zhì)溫度的確定

通過(guò)對(duì)調(diào)壓站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的整理分析，確定p1=5.0 MPa、p2=1.3 MPa、T1=283 K(10 ℃)，計(jì)算T2=265.2K即-8 ℃。為實(shí)現(xiàn)調(diào)壓站內(nèi)調(diào)壓后天然氣溫度不小于0 ℃，調(diào)壓前天然氣溫度應(yīng)達(dá)到18 ℃，即調(diào)壓前、后所需溫升Δt=8 ℃。

3.2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

理論換熱量q計(jì)算按照穩(wěn)態(tài)流動(dòng)焓變熱計(jì)算：

式中：W——天然氣質(zhì)量流量，kg/h；

cp——p1狀態(tài)下的定壓質(zhì)量比熱，J/(kg·℃)；

q——所需加熱量，kJ/h或kW；

Q——天然氣體積流量，m3/h；

ρ——天然氣的密度，kg/m3。

調(diào)壓站設(shè)計(jì)規(guī)模為60萬(wàn)m3/h，計(jì)算得出所需理論加熱量為2160 kW，但由于實(shí)際節(jié)流過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)不可逆過(guò)程，存在能耗，故實(shí)際加熱量在理論加熱量的基礎(chǔ)上又乘以了1.2系數(shù)，得出60萬(wàn)m3/h設(shè)計(jì)規(guī)模的調(diào)壓站所需實(shí)際加熱量約為2 600 kW。

鑒于各類加熱裝置存在不同的換熱效率，故加熱裝置的額定熱負(fù)荷需在計(jì)算出的加熱量的基礎(chǔ)上，另外考慮加熱裝置的換熱效率方可確定。

3.3 天然氣調(diào)壓站新增加熱裝置的應(yīng)用

天然氣調(diào)壓站改造選取的天然氣水套爐由爐本體、燃燒系統(tǒng)、受熱盤管及其他附件所組成。其工作過(guò)程為燃燒系統(tǒng)加熱爐本體內(nèi)的水，并把熱量傳遞給受熱盤管，輸配管道中的天然氣從受熱盤管中通過(guò)進(jìn)行換熱，加熱后再回到輸配管道中。

冬季低溫時(shí)，當(dāng)調(diào)壓站調(diào)壓后溫度低于0℃時(shí)，天然氣水套爐開啟。溫度控制器把爐本體內(nèi)水的水溫控制在設(shè)定溫度上，并按要求啟動(dòng)或關(guān)斷燃燒系統(tǒng)來(lái)加熱水。場(chǎng)站加熱裝置通過(guò)一段時(shí)間的使用，現(xiàn)場(chǎng)均未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期防治凍脹的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣供應(yīng)關(guān)系民生，安全穩(wěn)定的供氣是第一要?jiǎng)?wù)。通過(guò)對(duì)天然氣調(diào)壓站的加熱改造，有效避免了凍脹的發(fā)生，大大提高場(chǎng)站的運(yùn)行安全，為上海全市的天然氣供應(yīng)做好保障。