淺談輸氣管線中水合物的抑制及防止措施

摘 要 隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣管線也日益增多，但天然氣開采及輸送過程中，水合物的生成及堆積會導致事故。因此，如何在工業(yè)生產中抑制水合物生成就成了石油和天然氣工業(yè)亟待解決的問題，這里主要討論了抑制和防止水合物生成的措施。

關鍵詞 城市燃氣配氣;節(jié)流;天然氣水合物;預測;預防

中圖分類號TE973文獻標識碼A 文章編號1673-9671-(2009)111-0065-01

1輸氣管線中的水合物

1.1天然氣水合物

天然氣水合物(Natural Gas Hydrates)是指由水和烴類氣體分子及天然氣中含有的非烴類氣體分子在一定的溫度和壓力條件下所形成的白色結晶固體，外觀類似致密濕雪，密度約0.88～0.90g/cm3[1]。

1.2輸氣管線中的水合物

天然氣開采及輸送過程中，水合物的生成及堆積會導致閥門堵塞、設備分離、氣井停產、管道停輸?shù)葒乐厥鹿省Ｒ虼?，如何在工業(yè)生產中抑制水合物生成就成了石油和天然氣工業(yè)亟待解決的問題。

2 天然氣水合物的防止措施

為了防止天然氣生成水合物，一般有四種途徑:⑴提高天然氣的流動溫度;⑵降低壓力至給定溫度時水合物的生成壓力以下;⑶脫除天然氣中的水分;⑷向氣流中加入抑制劑(阻化劑)。其中最積極的方法是保持管線和設備不含液態(tài)水，而最常用的辦法是向氣流中加入各種抑制劑。

2.1提高天然氣流動溫度

加熱提高天然氣流動溫度是防止生成水合物和排除已生成的水合物的方法之一。這就是在維持原來的壓力狀態(tài)下使輸氣管道中天然氣的溫度高于生成水合物的溫度，如圖1所示。但這一方法不適用于干線輸氣管道中，因為消耗能力大，而且如前所述，冷卻氣體是增加輸氣管道流量的一個有效方法，特別是對于壓縮機站數(shù)較多的干線輸氣管道。

加熱方法通常在配氣站采用，因為那里經常需要較大幅度地降低天然氣的壓力，由于節(jié)流效應會使溫度降得很低，從而使節(jié)流閥、孔板等發(fā)生凍結。

2.2降壓

降低壓力防止生成水合物的方法就是在維持原來的溫度狀態(tài)下使輸氣管道中的天然氣壓力降低，如圖2中曲線2，從而使生成水合物溫度曲線下降，如圖2中曲線5。

圖2 水合物的形成圖(二)

這一方法也可用來排除在輸氣管道中形成的水合物，其途徑就是通過放空管放空。降壓后必須經過一段時間(從幾秒鐘到幾個小時)，已分解水合物要注意的是，當放空降壓來分解輸氣管道中以形成的水合物時，必須在環(huán)境溫度高于0℃以上的條件下進行，否則，水合物分解了，但立即又轉化成冰塞。

如干線輸氣管道中天然氣的最低溫度接近于零，在此溫度下，生成水合物的平衡壓力約為1～1.5Mpa，而一般的輸氣壓力大于5Mpa，因此，用降壓來防止干線輸氣管道中天然氣生成水合物并不是一種有效的方法。

2.3脫水

防止天然氣在輸氣管道中生成水合物的根本辦法就是干燥天然氣，脫去其中的水分，降低其露點。

我們先考慮水合物形成的物質:客體物質即我們要輸送的烴類及含有的雜質，由于烴類是管道所要輸送的物質，故其不可避免，而雜質以我們目前的技術水平不可完全除去，我們只能在輸送之前用技術盡量清除雜質。所以主要的方法便是除去氣體中所含的水分即主體物質，也就是脫水，它是防止水合物生成最徹底、最經濟的方法，應用也最多。脫水后氣體露點應低于輸氣溫度5~10℃使氣體在輸送的壓力、溫度條件下，相對濕度保持在60~70%即可。

目前已經有冷凍分離，固體干燥劑吸附，溶劑吸收以及近年來發(fā)展起來的膜分離等技術，三甘醇溶劑吸收是目前應最廣泛的方法。其中冷凍分離一般適用于高壓氣田，通常作為輔助脫水措施。固體干燥劑很多，天然氣工業(yè)常用的有硅膠、活性氧化鋁、鋁礬土和分子篩等，其各有不同的特點和使用條件。我們一般對于處理量大且含硫量多的天然氣采用抗酸分子篩法，對于一些處理量小且含水量少的天然氣通常采用硅膠。

各種脫水方法都有特定的適用范圍，選用哪種脫水工藝要結合氣體的具體情況具體應用。

2.4添加抑制劑

2.4.1抑制劑濃度與水合物生成溫度降

人們長期以來研究了抑制劑濃度與水合物生成溫度降的關系，下面

介紹主要的關系式。

Hammerschmidt法

(1)

Nielsen-Bucklin法

(2)

冰點下降法

(3)

(4)

式中——水合物生成溫度降，K;

M——抑制劑的分子量，kg/kmol;

K——抑制劑種類常數(shù)，甲醇、乙醇、異丙醇、氨為1228;氯化鈣為1220;乙二醇為2195;

X——抑制劑質量分數(shù);

——甲醇在抑制劑水溶液中的摩爾分率;

——抑制劑冰點值;

W——抑制劑溶液重量濃度，%。 (下轉第73頁)

(上接第65頁)

式(4)中A、B、C、D、E的取值見表1。須指出的是式(1)使用于甲醇水溶液質量濃度小于25%，甘醇水溶液質量濃度大于50%～60%;式(2)適用于甲醇水溶液濃度高的情況;式(3)可用于任何抑制劑。

2.4.2抑制劑用量的確定

抑制劑用量包括兩部分，即液相用量和氣相蒸發(fā)量。抑制劑用量必須達到一定濃度。對電解質型溶液而言，飽和蒸汽壓低于由于氣流中凝結下來的純水的蒸汽壓，因此，汽化的抑制劑量極小，可忽略這一部分。而對醇類抑制劑則需要考慮汽化用量。

計算抑制劑最小單位耗量的普遍式如下

(5)

式中q——抑制劑最小單位耗量，g/m3 ;

——抑制劑入口處氣相含量，g/m3;

——抑制劑出口處氣相含量，g/m3;

——抑制劑移出重量濃度，%;

——抑制劑加入重量濃度，%;

——系數(shù)，對電解質可取=0;對甲醇是溫度和壓力的函數(shù)，可按式

(6)

式中P——體系壓力，Mpa;

T——體系溫度，K。

用式(5)求的抑制劑的單位最小用量后，便可求的抑制劑的用量，為了保險起見，實際用量取計算值的1.15～1.20倍。

參考文獻

[1] K.S.佩德森.石油和天然氣的性質.中國石化出版社.

[2] 姚光鎮(zhèn).輸氣管道設計與管理. 山東:石油大學出版社，1989.

[3] 稅碧垣.管道天然氣水合物的防治技術.油氣儲運，2001，20(5):9.14.

[4] 樊友宏，蒲春生.天然氣水合物堵塞預測技術研究. 石油與天然氣化工，2001，30 (1):9.11.