真空干燥法在城市天然氣管網(wǎng)施工中應(yīng)用

薄振剛 李慶合 希玉輝 張守金 張博

摘 要：

天然氣作為一種重要的清潔能源，在中國城市的能源結(jié)構(gòu)比例中日益增加，城市天然氣管網(wǎng)建設(shè)在城市發(fā)展過程中也就顯得尤為重要。天然氣管網(wǎng)在投入使用前需要進(jìn)行管網(wǎng)干燥，減少管道網(wǎng)內(nèi)液態(tài)水及游離態(tài)水，消除管道投產(chǎn)以后可能產(chǎn)生冰堵對管道輸送效率、天然氣品質(zhì)及運(yùn)營安全的影響。與以往傳統(tǒng)的干燥方法如干空氣干燥、氮?dú)飧稍?、甲醇干燥等工藝相比，真空干燥法具有干燥更加徹底、更加?jié)能、更加安全的特點(diǎn)，本文就對真空干燥的基本工藝方法及在城市天然氣管網(wǎng)始終中的應(yīng)用進(jìn)行初步的探討和研究。

關(guān)鍵詞：城市燃?xì)馓烊蝗細(xì)夤芫W(wǎng)真空干燥管道施工

0 引言

從干燥發(fā)展的新態(tài)勢可以看出，天然管網(wǎng)干燥不僅需要宏觀領(lǐng)域里的新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)及關(guān)于能源、產(chǎn)品等方面的研究，還要從微觀上加強(qiáng)對干燥過程的認(rèn)識，深入到復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部，更科學(xué)、更準(zhǔn)確地研究干燥現(xiàn)象。有了微觀領(lǐng)域的研究，相信應(yīng)當(dāng)為宏觀領(lǐng)域的研究做出貢獻(xiàn)的。在管道行業(yè)的干燥施工中，干空氣干燥工藝是國內(nèi)外的干燥工藝中比較先進(jìn)、比較成熟的干燥工藝，干空氣干燥適合長距離的管道干燥施工，但在體積小、工藝管線相對比較復(fù)雜的城市管網(wǎng)中，存在這他的弊端。在此我們在廣東天然氣管網(wǎng)一期項(xiàng)目的站場施工中引進(jìn)了真空干燥工藝，并取得了預(yù)期的效果，本文將對真空干燥法在站場干燥中的理論與應(yīng)用即真空干燥的原理、干燥過程、影響因素、驗(yàn)收方法研究進(jìn)行了研究與分析

1、真空干燥和干空氣干燥的定義和比較

1.1真空干燥和干空氣干燥的定義

真空干燥：利用真空泵機(jī)組，持續(xù)對密閉天然氣管網(wǎng)進(jìn)行抽真空作業(yè)，在真空的狀態(tài)下，使管網(wǎng)內(nèi)中的水份進(jìn)行蒸發(fā)，從而達(dá)到對管網(wǎng)干燥的效果。

干空氣干燥：利用露點(diǎn)在-40℃以下的干空氣發(fā)送大量的泡沫清管器，對管道進(jìn)行吹掃擦拭，在清管器運(yùn)行過程中充分利用干空氣的解析現(xiàn)象和吹掃能力，達(dá)到管道干燥的目的。

1.2 真空干燥和干空氣干燥的比較

1.2.1適合的干燥容器：真空干燥適合比較復(fù)雜、管徑變化多、匯管比較多，存在“盲區(qū)”的容器；干空氣干燥適合比較簡單，管徑?jīng)]有變化、容積比較大的容器，能應(yīng)用清管器的擦拭，增長干空氣在容器中停留的時(shí)間，使干空氣能和管道中的水充分的解析。

1.2.2 外界的影響因素：真空干燥由于容器與外界隔斷，只是在施工中吸收外界的熱量，只收到外界的熱平衡影響；干空氣干燥，由于干燥機(jī)的能力受外界大氣的濕度有一定的影響，但是影響變化不大。

1.2.3干燥的成本和工期的比較：對于站場干燥，真空干燥的成本比干空氣干燥的成本低一些，工期相對于有保證；對與管線干燥施工中，干空氣干成本比真空干燥的成本低一些，干空氣的工期也比較短。

因此，建議在站場干燥施工中采用真空干燥工藝。

2 真空干燥工藝

2.1真空干燥前的準(zhǔn)備

2.1.1干燥的容器進(jìn)行初步的排水、掃水是否完成。

2.1.2干燥的容器是否與設(shè)備連接完畢，并且容器與外界隔斷。

均達(dá)到以上條件后，方能進(jìn)行真空干燥施工。

2.2 真空干燥工藝過程

真空干燥可分成三個(gè)階段：抽氣降壓階段、蒸發(fā)階段、抽真空階段。

圖-1 真空干燥理論（壓力-時(shí)間）抽氣曲線

第一階段：抽氣降壓階段

此階段主要是除去管道中的水蒸氣和空氣，降低管道中的壓力。此時(shí)真空泵將管內(nèi)空氣抽出，壓力迅速下降，形成負(fù)壓。此降壓過程將持續(xù)到壓力降至水在管內(nèi)溫度下的飽和蒸汽壓。此時(shí)壓力即為水的飽和蒸汽壓并與管內(nèi)溫度有關(guān)，一般情況下如果管道周圍的熱傳遞良好，管內(nèi)溫度與地溫相當(dāng)。

第二階段：蒸發(fā)階段

本階段是真空干燥的主要階段也是耗時(shí)最長的階段。此時(shí)管道內(nèi)壓力達(dá)到了水的飽和蒸汽壓，殘留在管道內(nèi)的水開始大量蒸發(fā)。真空泵持續(xù)工作不斷抽出氣體，使管道內(nèi)壓力不斷降低，此時(shí)水分不斷蒸發(fā)以彌補(bǔ)壓力損失。此過程一直持續(xù)到管道內(nèi)的水分蒸發(fā)完畢為止。如果周圍熱交換暢通，管道內(nèi)的溫度基本保持不變，那么管道內(nèi)壓力基本保持在水的飽和蒸汽壓。

圖-2 真空泵機(jī)組現(xiàn)場施工圖

第三階段：抽真空階段

在第二階段，此時(shí)管道內(nèi)的明水已經(jīng)全部蒸發(fā)，管道中僅有水蒸氣，為了除去這些水蒸氣，提高管道內(nèi)的干燥程度，真空泵繼續(xù)工作，壓力開始下降，直至真空泵所能達(dá)到的最低壓力。此時(shí)管道內(nèi)所有的液態(tài)水全部蒸發(fā)完畢，管內(nèi)空氣幾乎被全部抽出，管道中的壓力保持水的飽和蒸汽壓不變，由此可通過真空度直接計(jì)算出此時(shí)站場總的含水量。從而判斷此時(shí)管道內(nèi)是否已達(dá)到管線干燥的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 真空干燥檢驗(yàn)方法

目前在國內(nèi)真空干燥技術(shù)還沒有完全成熟，如何對真空干燥驗(yàn)收也是見仁見智。簡單、實(shí)用、有效的驗(yàn)收方法不但減少操作工序、縮短施工周期，還能減低施工成本。

國外目前普遍使用的驗(yàn)收方法主要有：

2.3.1 露點(diǎn)法

露點(diǎn)法是用在大氣壓下測量氣體露點(diǎn)的方法判斷管道內(nèi)干燥程度的方法。先將管道內(nèi)充滿惰性氣體直到壓力達(dá)到0.1-0.2Mpa，然后靜置12h，通過測量氣體的露點(diǎn)變化判斷干燥終點(diǎn)。

2.3.2真空度法

此方法是要求管道內(nèi)壓力達(dá)到一定的真空壓力，此壓力要比管道輸送條件下最低環(huán)境溫度水的飽和蒸汽壓要低。然后靜置4h，通過觀察真空度變化判斷干燥終點(diǎn)。

3 影響真空干燥的因素

3.1 溫度影響

根據(jù)不同溫度下的飽和蒸汽壓，進(jìn)行了比較。不同溫度下水的飽和蒸汽壓相差很大，尤其是0℃（610.4Pa）以下的飽和蒸汽壓和10℃（1228Pa）以上的飽和蒸汽壓之間相差更大。溫度越高，水的飽和蒸汽壓越高，相應(yīng)使水沸騰汽化所需的真空度越小，干燥過程也就越易于進(jìn)行。

因此采用真空干燥應(yīng)用于城市天然氣管網(wǎng)時(shí)，創(chuàng)造相應(yīng)穩(wěn)定的高的溫度下施工環(huán)境對干燥實(shí)施有利。

3.2 真空泵的抽速和真空度

當(dāng)管線的壓力降低時(shí)，水的沸點(diǎn)也相應(yīng)降低，管道中水將充分地汽化。真空泵的抽速?zèng)Q定了空氣的流動(dòng)速度，空氣的流速越快，干燥越快。

泵的抽速對真空干燥的影響是雙面的，如果在單位時(shí)間內(nèi)水膜的蒸發(fā)量（蒸發(fā)率）過大，會(huì)使管道內(nèi)的溫度降低造成結(jié)冰。站場真空干燥時(shí)，由于站場內(nèi)容積相對較小，真空泵在干燥的第二階段抽速過快，將會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)溫度迅速下降，土壤不能及時(shí)補(bǔ)充熱量造成結(jié)冰，管道內(nèi)結(jié)冰不但會(huì)影響干燥速度，而且會(huì)造成真空干燥完成的假象。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，如果管道內(nèi)溫度在15℃以上，很難產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。

3.3 管道的沿程流阻

在真空干燥過程中，水蒸氣沿管道流向真空泵的過程中，將受到管道的阻力，會(huì)使真空泵的抽速產(chǎn)生一定的損失。其損失的大小與管道的幾何尺寸和氣體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。站場內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的工藝管線不但會(huì)使管道阻力增大，導(dǎo)致真空泵抽速下降，而且會(huì)促使要抽出的水蒸氣重新凝結(jié)，降低水蒸氣抽出量，從而影響干燥進(jìn)度。

因此在站場真空干燥施工中，可有效利用站場內(nèi)的截?cái)嚅y將管線分成幾個(gè)區(qū)域，通過對每個(gè)區(qū)域單獨(dú)抽真空，可有效降低水蒸氣的沿程流阻，提高干燥效果，縮短干燥時(shí)間。

結(jié)束語

真空干燥作為具有相當(dāng)優(yōu)越性的干燥技術(shù)，在天然氣管道干燥中將應(yīng)用越來越廣泛。特別是城市天然氣管網(wǎng)，由于工藝結(jié)構(gòu)的特殊性，管徑不一、匯管眾多、有大量彎頭，干空氣干燥效果并不理想而且工期也相對很長，真空干燥由于它的工藝特殊性，受工藝結(jié)構(gòu)影響很小，而且干燥效果非常好，非常使用于城市天然氣管網(wǎng)干燥施工。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 《Oerlikon Leybold Vacuum》萊寶

[4] 王 波 焦永濤 劉 煬 趙智科.真空干燥施工簡介.清洗世界 2005年8月

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。