城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施冰堵及改善措施的探討

山東省新奧交通能源公司　黃　騫

華潤(rùn)燃?xì)饪毓捎邢薰尽∨碇?/p>

城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施冰堵及改善措施的探討

山東省新奧交通能源公司黃騫

華潤(rùn)燃?xì)饪毓捎邢薰九碇?/p>

2016年1月份的“世紀(jì)寒潮”襲擊了我國(guó)大江南北，對(duì)其經(jīng)過(guò)地區(qū)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大威脅，造成調(diào)壓器、過(guò)濾器、戶外立管等燃?xì)庠O(shè)施大面積的冰堵。文章對(duì)造成城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施冰堵的原因進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)燃?xì)庠O(shè)施的冰堵現(xiàn)象提出解決及預(yù)防的措施。

燃?xì)庠O(shè)施冰堵措施

2016年1月份的“世紀(jì)寒潮”襲擊了我國(guó)的大江南北，甚至一度將雪線推到了華南地區(qū)；給部分地區(qū)的電力、交通、農(nóng)業(yè)等行業(yè)造成了嚴(yán)重的影響。

此次寒潮，同樣對(duì)其經(jīng)過(guò)地區(qū)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的壓力，尤其華中、華東等地區(qū)往年冬季氣溫相對(duì)較高，燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)單位對(duì)冬季燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足以及應(yīng)對(duì)寒潮的措施與經(jīng)驗(yàn)缺乏，造成調(diào)壓器、過(guò)濾器、戶外立管等燃?xì)庠O(shè)施大面積的冰堵。燃?xì)庠O(shè)施冰堵情況，見(jiàn)圖1。

圖1　冰堵的過(guò)濾器

1　冰堵原因分析

1.1節(jié)流效應(yīng)

由于燃?xì)廨斔蜁r(shí)的節(jié)流效應(yīng)，燃?xì)庠O(shè)施內(nèi)殘留的水汽與天然氣在一定壓力、溫度的作用下形成水合物，造成流量調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓閥等部分關(guān)鍵燃?xì)庠O(shè)備發(fā)生冰堵現(xiàn)象，影響正常安全穩(wěn)定供氣。特別是在極端氣候下，燃?xì)庀M(fèi)量大幅增長(zhǎng)，在調(diào)壓器等部位節(jié)流效應(yīng)增強(qiáng)。

1.2凝固(凝華)反應(yīng)

較大水分(水蒸汽)由于氣溫降低發(fā)生凝固(凝華)造成燃?xì)夤艿阑虿糠株P(guān)鍵燃?xì)庠O(shè)備冰堵。燃?xì)庠O(shè)施內(nèi)的水主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

(1)在燃?xì)夤艿腊惭b施工過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工管理粗放，管溝開(kāi)挖導(dǎo)致地下水以及雨季施工過(guò)程中的雨水灌入燃?xì)夤艿?；此外，在燃?xì)馐┕ぶ袝?huì)對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行吹掃，但由于部分吹掃作業(yè)管理粗放以及非開(kāi)挖管道存在低凹點(diǎn)等因素，水分往往吹掃不凈；同時(shí)空氣吹掃以及壓力試驗(yàn)也將大氣中的水分帶入管道。

(2)《天然氣》(GB 17820—2012)規(guī)定，天然氣在交接點(diǎn)壓力下，水露點(diǎn)應(yīng)比輸送條件下最低環(huán)境溫度低5 ℃。實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，天然氣中水分的含量存在高于上述規(guī)范要求的可能，但非冬季時(shí)期對(duì)燃?xì)庠O(shè)施的影響較小。此外，該標(biāo)準(zhǔn)適用于埋設(shè)在凍土層以下的長(zhǎng)輸管道，但由于城市地下空間的局限性與復(fù)雜性，城鎮(zhèn)中的燃?xì)夤艿垒^多情況下不能完全埋設(shè)于凍土層以下。再者，城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔偷接脷饽┒耸彝饷髟O(shè)的設(shè)備設(shè)施后，由于冬季環(huán)境溫度較低，天然氣水露點(diǎn)高于周圍環(huán)境溫度，也會(huì)形成液態(tài)水。

從燃?xì)夤艿琅懦龅乃?，?jiàn)圖2。

圖2　從燃?xì)夤艿琅懦龅乃?/p>

2　冰堵的防治

依據(jù)理論及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，解決冰堵現(xiàn)象主要從降低管道內(nèi)水分、提高天然氣輸送溫度、加注防凍劑等方面入手。

2.1降低管道內(nèi)的水分

由于水分是造成冰堵的最重要因素，因此降低管道內(nèi)水分也是預(yù)防冰堵現(xiàn)象發(fā)生最關(guān)鍵的舉措，降低管道內(nèi)的水分主要從以下幾個(gè)階段進(jìn)行。

2.1.1減少施工階段水分的進(jìn)入

加強(qiáng)對(duì)燃?xì)夤艿朗┕さ木?xì)化管理，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)施工，特別加強(qiáng)在雨季、高水位地區(qū)施工期間的管理，避免水分進(jìn)入。管道吹掃作業(yè)必須嚴(yán)格按照規(guī)定的管道的吹掃方法執(zhí)行吹掃工作。同時(shí)，吹掃作業(yè)不能忽略氣候?qū)τ诠ぷ鞯挠绊懀涤旰蠡蛘邼穸容^高時(shí)不宜執(zhí)行吹掃工作，以免造成管道內(nèi)不必要進(jìn)水。

2.1.2排除運(yùn)營(yíng)中管道內(nèi)的水分

2.1.2.1設(shè)置凝水缸

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，若發(fā)現(xiàn)管道中所含水蒸氣較多時(shí)，可在關(guān)鍵管段設(shè)置凝水缸。管道內(nèi)的水蒸氣會(huì)隨著天然氣在管道內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)天然氣與水蒸氣所形成的混合氣體經(jīng)過(guò)凝水缸時(shí)，則可以凝結(jié)天然氣中的水分。

凝水缸需定期按照操作規(guī)程進(jìn)行排水，才能有效降低管道內(nèi)的水分含量，進(jìn)而緩解燃?xì)庠O(shè)備的冰堵現(xiàn)象。

2.1.2.2放散式排水裝置

根據(jù)筆者的實(shí)際工作經(jīng)歷，部分已投入運(yùn)營(yíng)的管道由于前期施工、吹掃等環(huán)節(jié)嚴(yán)重混亂，導(dǎo)致管道中存在大量的水分，部分管道中水分甚至占管徑的2/3以上，此時(shí)的“水管”若在依靠凝水缸等方法排水，則效果甚微。由于燃?xì)夤?yīng)的連續(xù)性以及城市空間環(huán)境的復(fù)雜性，事實(shí)上不可能采取如停氣置換管道，再次對(duì)管道進(jìn)行吹掃作業(yè)等長(zhǎng)時(shí)間中斷燃?xì)夤?yīng)的作業(yè)方式。此時(shí)，必須考慮其他方式排除管道內(nèi)的水分。

筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)制作了一種放散式排水裝置，如圖3。

圖3　放散式排水裝置示意

該裝置由集水池、放散管、靜電接地報(bào)警器、進(jìn)氣控制閥、排水閥、撓性軟管等部件組成，其中由撓性軟管(配置法蘭、絲口等)連接進(jìn)氣控制閥與燃?xì)夤艿老到y(tǒng)中的閥門井放散閥、調(diào)壓柜(箱)進(jìn)氣口等部位，組成臨時(shí)放散系統(tǒng)。當(dāng)管道中的天然氣裹挾著水分由撓性軟管進(jìn)入放散系統(tǒng)后，天然氣由放散管排出，水分則留在集水池中，到達(dá)排水目的。此種方式可以一次性排出較大水量，有效緩解燃?xì)庠O(shè)施的冰堵現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)氣管與放散管的直徑不應(yīng)小于排水管道直徑的1/2。

由于使用該方式排水，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此必須要做好相關(guān)安全工作。放散裝置的靜電釋放系統(tǒng)必須有效連接，原則上放散管口距地面的高度不應(yīng)小于4 m。排水應(yīng)在用氣低谷期進(jìn)行，排水地點(diǎn)應(yīng)選擇人流量稀少處，避開(kāi)配電室、鍋爐房等重點(diǎn)構(gòu)(建)筑物，現(xiàn)場(chǎng)杜絕任何煙火，在排水作業(yè)時(shí)應(yīng)提前告知相關(guān)用戶，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置警戒區(qū)，避免無(wú)關(guān)人員靠近，必要情況時(shí)可申請(qǐng)由公安、交警等部門配合作業(yè)。同時(shí)，由于采用直排方式，對(duì)環(huán)境有一定的影響并造成資源的浪費(fèi)，有條件的單位可以研究對(duì)此進(jìn)行回收。

2.2提高天然氣輸送溫度

實(shí)踐證明，提高天然氣的輸送溫度是有效緩解冰堵現(xiàn)象的方法之一。通常的做法有：在門站、調(diào)壓站等工藝設(shè)備前設(shè)水浴加熱器，提高天然氣的出站溫度；也可在場(chǎng)站易冰堵設(shè)備位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件做保溫層或纏繞電伴熱帶或安裝渦漩加熱器 ；北方寒冷地區(qū)敷設(shè)的燃?xì)夤艿溃筛鶕?jù)當(dāng)?shù)氐叵颅h(huán)境，在滿足管道敷設(shè)在凍土層以下的要求前提下適當(dāng)增加埋深。

由于樓棟調(diào)壓箱及戶外集中掛表往往安置在戶外，受傳統(tǒng)居住習(xí)慣影響居民廚房往往位于背陰側(cè)，調(diào)壓箱、燃?xì)獗淼葢敉馊細(xì)庠O(shè)施所處的環(huán)境溫度較平均氣溫而言實(shí)際更低，因此戶外燃?xì)庠O(shè)施前的立管、架空管等在冬季可采用阻燃材料做好保溫，被保溫材料包裹管道的運(yùn)營(yíng)狀況應(yīng)良好，無(wú)嚴(yán)重銹蝕情況，冬季過(guò)后，應(yīng)及時(shí)將保溫層拆除，對(duì)管道進(jìn)行檢查維護(hù)。同時(shí)，保溫材料應(yīng)滿足成本低廉、施工方便、能重復(fù)利用等要求。此外，有條件的區(qū)域可對(duì)調(diào)壓箱、燃?xì)獗淼仍O(shè)施纏繞電伴熱帶。

2.3燃?xì)庠O(shè)施加注防凍劑

燃?xì)夤艿乐屑幼⒎纼鰟┓烙捎趦鲂Ч?、安全方便、成本低廉等?yōu)點(diǎn)，目前受到越來(lái)越多的燃?xì)夤娟P(guān)注。目前運(yùn)營(yíng)中常用的防凍劑有甲醇(CH3OH)和乙二醇(CH2OH)2。甲醇是一種無(wú)色、易揮發(fā)、易燃的液體，與水互溶，在空氣中燃燒生成二氧化碳和水。乙二醇是一種無(wú)色、無(wú)毒、粘稠狀液體，與水互溶。

根據(jù)《發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液和防銹劑儲(chǔ)備堿度測(cè)試法》(SH/T 0091—1991)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下分別測(cè)試不同體積分?jǐn)?shù)的甲醇與乙二醇水溶液的的冰點(diǎn)。結(jié)果顯示，甲醇和乙二醇都具有一定的防凍作用，但乙二醇水溶液乙二醇體積分?jǐn)?shù)超過(guò)68%后，防凍性能出現(xiàn)下降現(xiàn)象，同時(shí)由于乙二醇的市場(chǎng)價(jià)格約為甲醇的4倍左右。綜合比較而言，甲醇更適合作為加注燃?xì)夤艿纼?nèi)的防凍劑。根據(jù)劉德青等實(shí)踐表明，當(dāng)天然氣含水量為10 g/m3時(shí)，每1 000 m3天然氣的甲醇用量?jī)H需50 L，便可滿足-30℃環(huán)境下燃?xì)庠O(shè)備的正常運(yùn)營(yíng)。

因儲(chǔ)氣井占地少、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，故較多CNG加氣站采用其作為儲(chǔ)氣設(shè)施，但由于儲(chǔ)氣井投產(chǎn)前及定檢水壓試驗(yàn)后，會(huì)有較多水分殘存在井底。該部分水會(huì)被天然氣裹挾到加氣機(jī)，在加氣中由于節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致天然氣溫度下降，造成加氣機(jī)管路冰堵。在儲(chǔ)氣井完成水壓試驗(yàn)排水后，宜向儲(chǔ)氣井內(nèi)注入一定量的甲醇，對(duì)緩解甚至杜絕冰堵具有同樣良好的效果。

向燃?xì)庠O(shè)施中注入甲醇對(duì)于防止冰堵發(fā)生是一項(xiàng)切實(shí)有效地舉措。由于甲醇屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，具有中等毒性，可經(jīng)消化道、呼吸道或皮膚攝入人體產(chǎn)生毒性反應(yīng)，對(duì)人體的中毒劑量?jī)H為4 ml，故在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加注等操作過(guò)程中，要做好安全防護(hù)工作，防止發(fā)生意外。同時(shí)為有效緩解冰堵現(xiàn)象，防凍工作要提前進(jìn)行，宜在管道設(shè)施投產(chǎn)前注入一定量的的防凍劑；對(duì)于上游天然氣含水量較多的運(yùn)行區(qū)域，后期應(yīng)根據(jù)情況及時(shí)補(bǔ)注防凍劑。

此外，燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力需要基礎(chǔ)上，建議適當(dāng)提高調(diào)壓器、過(guò)濾器等關(guān)鍵設(shè)備的規(guī)格型號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵設(shè)備合理地的預(yù)留負(fù)荷余量，不僅可以為后期的增產(chǎn)提供基礎(chǔ)條件，還可以有效緩解節(jié)流效應(yīng)，能夠降低冰堵發(fā)生的概率。

3　結(jié)語(yǔ)

燃?xì)庠O(shè)施在冬季運(yùn)行期間，冰堵嚴(yán)重威脅著下游用戶的安全穩(wěn)定用氣，是非常嚴(yán)重的隱患。如何減少燃?xì)庠O(shè)施冰堵發(fā)生，對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)的精細(xì)化管理具有重要意義，而此項(xiàng)工作絕非某一階段性工作，涉及從施工到運(yùn)營(yíng)、從上游到下游，需要得到城鎮(zhèn)燃?xì)馍a(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過(guò)程的通力協(xié)作。治理冰堵的重點(diǎn)在于“防”，因此在前期燃?xì)馐┕?、吹掃等環(huán)節(jié)的要嚴(yán)格把控、規(guī)范作業(yè)，盡可能減少管道中水分的殘存，同時(shí)在燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行前，可預(yù)先注入防凍劑，防患于未然。

Discussion on the Ice Blocking and Improvement Measures of the Gas Facilities in Towns

Shandong Xin'ao Transport Energy CompanyHuang Qian
China Resources Gas Group LimitedPeng Zhijun

The "century cold wave" attacked China in January, 2016. Such bad weather had brought great threat to the safe operation of gas facilities in these areas. Gas facilities, such as regulator, filter, outdoor riser, are ice-blocked. This paper analyzes the causes of the ice block in the town gas facilities, and puts forward the measures to solve and prevent the ice blocking phenomenon.

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