1、天然氣低溫運(yùn)行危害淺析    關(guān)鍵詞:天然氣;低溫運(yùn)行;節(jié)流效應(yīng)大管徑、高壓力、長(zhǎng)距離是當(dāng)前世界上天然氣長(zhǎng)輸管線的發(fā)展趨勢(shì)。為促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整,提高天然氣在一次能源消費(fèi)中的比例,起點(diǎn)16 MPa、全長(zhǎng)4 200 km的西氣東輸一線工程應(yīng)運(yùn)而生。作為西氣東輸管道公司的第一個(gè)簽約城市,鄭州市在第一時(shí)間用上了西氣東輸天然氣,6年來(lái)西氣東輸天然氣為鄭州市的建設(shè)提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力支持。但是由于干線壓力過(guò)高,而城市管網(wǎng)的承壓能力有限,故天然氣必須經(jīng)過(guò)調(diào)壓后才能使用。調(diào)壓過(guò)程中產(chǎn)生的絕熱節(jié)流效應(yīng)使天然氣的溫度驟降,給管網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。 1節(jié)流效應(yīng) 氣體

2、在管道中流過(guò)突然縮小的截面,產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流,壓力下降,而又未及與外界進(jìn)行熱量交換的過(guò)程稱為絕熱節(jié)流,簡(jiǎn)稱節(jié)流。絕熱節(jié)流過(guò)程中,在縮孔附近由于流速增加、比焓下降,流體在通過(guò)縮孔時(shí)動(dòng)能增加、壓力下降,產(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)和摩擦使增加的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苡譃榱黧w所吸收,因此流體在絕熱節(jié)流前的比焓h1等于絕熱節(jié)流后的比焓h2。絕熱節(jié)流過(guò)程是不可逆過(guò)程,在過(guò)程中流體處于非平衡狀態(tài),沒(méi)有確定的狀態(tài)參數(shù),但可取節(jié)流前后流體處于平衡的狀態(tài)進(jìn)行研究。在離節(jié)流點(diǎn)足夠遠(yuǎn)的兩個(gè)截面上,氣體處于平衡狀態(tài),壓力p1>p2,比體積v1絕熱節(jié)流效應(yīng)常用溫度下降與壓力下降數(shù)值的比表示,其值?滋=(?琢T?琢p)稱為絕熱節(jié)流系數(shù)。氣

3、體絕熱節(jié)流系數(shù)是氣體的物性參數(shù),與氣體的具體狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)氣體絕熱節(jié)流系數(shù)的定義,由節(jié)流過(guò)程熱力學(xué)關(guān)系式、節(jié)流前后狀態(tài)焓值和實(shí)際氣體狀態(tài)方程,推導(dǎo)出節(jié)流系數(shù)的計(jì)算式。 焓的熱力學(xué)微分方程為: dh=cd v-T()dp(1) 由于,則絕熱節(jié)流系數(shù)為: ?滋=T()-v(2) 應(yīng)用BWRS方程(實(shí)際氣體狀態(tài)方程)求出式(2)中的偏導(dǎo)數(shù),將偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算式和實(shí)際氣體定壓比熱容計(jì)算式代人節(jié)流系數(shù)計(jì)算式,當(dāng)氣體的壓力、溫度給定條件下,即可計(jì)算出氣體的絕熱節(jié)流系數(shù)。 圖1為甲烷在不同狀態(tài)下的節(jié)流系數(shù)。 由圖1可以看出,相同溫度下,節(jié)流系數(shù)隨壓力降低而升高;相同壓力下,節(jié)流系數(shù)隨溫度降低而明顯升高。冬季地溫底

4、,節(jié)流系數(shù)大,節(jié)流效應(yīng)明顯,再加上冬季氣溫低,故冬季管道的安全隱患更大。 查閱相關(guān)資料可知,鄭州市一年四季的平均地溫如下表1所示。西氣東輸鄭州分輸站的進(jìn)站壓力為7 MPa,出站壓力為3.3 MPa,壓降為3.7 MPa。查圖1可知不同季節(jié)的節(jié)流系數(shù),則不同季節(jié)的溫降為:。將計(jì)算結(jié)果列表,可得表1。將估算的節(jié)流后溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較,可知兩者差別并不大,可見(jiàn)這種方法可以很好地預(yù)測(cè)管道節(jié)流后的溫度,對(duì)日常運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。 2低溫運(yùn)行危害及影響 依據(jù)表1節(jié)流后的運(yùn)行溫度及實(shí)際運(yùn)行溫度,必將造成鄭州燃?xì)夤煞萦邢薰沮w家莊門站存在低溫運(yùn)行情況,且實(shí)際運(yùn)行溫度最低已達(dá)到-21;而低溫運(yùn)行會(huì)對(duì)站區(qū)安全運(yùn)

5、行、計(jì)量監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施等造成危害及影響。 低溫運(yùn)行,造成趙家莊門站天然氣管道存在安全隱患。鄭州燃?xì)夤煞萦邢薰沮w家莊門站所用管材材質(zhì)為20號(hào)鋼,結(jié)合表2、圖2、圖3、圖4中母材的自然屬性、母材及焊縫的相關(guān)曲線可知如下。 由圖2可知,母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度為15.7。由圖3可知,焊縫中心線韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-24.3;由圖4可知,焊縫熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-31.2。從安全角度考慮,焊縫韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-24.3。 可得天然氣管道長(zhǎng)期的低溫環(huán)境及天然氣自身的不斷沖擊易造成母材及焊縫出現(xiàn)裂紋型缺陷和體積型缺陷,如如腐蝕、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等。 低溫運(yùn)行,造成趙家莊門站計(jì)量出現(xiàn)偏差。 趙家莊門站的計(jì)量采

6、用德國(guó)ELSTER TRZ渦輪流量計(jì)及Gas-net F1流量計(jì)算機(jī)等設(shè)備,參照Gas-net F1流量計(jì)算機(jī)說(shuō)明書(shū)“emperature sensor input per stream for PT100 in four-wire technique EExib IIC, max. measuring error in the range of -10 to 60°C and an ambient temperatureof 0 to 40°C _ 0.05% of measured value1.”可知溫度在低于-10°C或高于60°C時(shí),計(jì)量不準(zhǔn)確

7、,存在一定得偏差。 長(zhǎng)時(shí)間的低溫運(yùn)行,易出現(xiàn)冰堵,對(duì)站場(chǎng)設(shè)備造成危害。 發(fā)生冰堵的原因是由于天然氣中的某些組分與水分在一定溫度、壓力條件下形成白色的結(jié)晶稱之為水合物。水合物在輸氣管線的某一地方聚集便會(huì)造成冰堵2。冰堵易造成設(shè)備設(shè)施的損壞、變形扭曲等。 水合物在差壓的沖擊下易造成設(shè)備的損壞。調(diào)壓器的皮膜是調(diào)壓器的重要組成部分,主要用于調(diào)整調(diào)壓器上下腔的壓力差;水合物在差壓的沖擊下易造成皮膜穿孔,使調(diào)壓器不能正常工作。 冰堵造成過(guò)濾器濾芯的細(xì)小網(wǎng)孔堵塞,過(guò)濾器前后差壓變大,濾芯在差壓的作用下,使得濾芯變形扭曲。 管道長(zhǎng)時(shí)間的低溫運(yùn)行造成空氣中的水分變成冰,并附著在管道上,形成15cm的冰層,在較短

8、時(shí)期內(nèi)無(wú)法消融。 3天然氣低溫運(yùn)行解決方案 甲醇(CH3OH)注入天然氣,按美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)的實(shí)踐證明:甲醇起不到脫水作用,在天然氣中因條件不充分,又無(wú)催化劑KF103是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。        甲醇在天然氣中與天然氣水化物混合,可以降低水的結(jié)冰溫度,即起著防凍劑的作用,防止了水合物的生成。 定期對(duì)管道易發(fā)生脆變處(焊口處、變徑處、彎頭處等)進(jìn)行X射線、超聲波探傷檢驗(yàn),趙家莊門站每年5月及10月作探傷檢驗(yàn)。 參考文獻(xiàn): 1 Flow Computer F1 Technical Documentation Function. Operation,Commissioning and MaintenanceZ Technical Data gas-ne