管道新型轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張曉慧，蘇清博，周 丹，陳 杰，楊宏偉

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京100028

管道新型轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張曉慧，蘇清博，周 丹，陳 杰，楊宏偉

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京100028

針對(duì)國內(nèi)目前常用的天然氣長(zhǎng)輸管道傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的諸多弊端，設(shè)計(jì)了一種管道新型轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)，依托國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線，對(duì)該干燥系統(tǒng)干空氣流量和露點(diǎn)等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的管道干燥系統(tǒng)相比，新干燥系統(tǒng)干燥工期可減少35%，運(yùn)行能耗可降低50%。對(duì)管道轉(zhuǎn)輪式干燥機(jī)的除濕性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比模擬計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，兩者基本吻合。理論與實(shí)踐證明，新型管道轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)用于天然氣長(zhǎng)輸管道除水后的干燥施工效果良好。

天然氣管道；管道干燥；轉(zhuǎn)輪干燥器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

天然氣作為一種潔凈能源，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。天然氣長(zhǎng)輸管道作為運(yùn)輸載體，其施工建設(shè)正在全國范圍內(nèi)快速、穩(wěn)步地開展。管道的試運(yùn)投產(chǎn)是管道建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其所需的施工時(shí)間較長(zhǎng)，施工流程較為復(fù)雜，需要對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行全方位的技術(shù)把控。投產(chǎn)前試壓的一般程序是：試壓-除水-干燥-置換-投產(chǎn)[1]。考慮到安全因素，一般長(zhǎng)輸天然氣管道采用水壓試驗(yàn)，隨后經(jīng)通球掃線程序掃出管內(nèi)存水。但地勢(shì)低洼地段的積水以及附著在管壁的水膜仍很難通過簡(jiǎn)單的清管方式加以清除，如果不進(jìn)行干燥處理而直接投產(chǎn)，有可能形成天然氣水合物，發(fā)生凍堵等現(xiàn)象，會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行造成重大影響，甚至造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷害[2-6]。因此探究高效的天然氣管道干燥方案，降低施工能耗，減小設(shè)備占地面積及質(zhì)量在當(dāng)下具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 現(xiàn)有管道干燥系統(tǒng)

國內(nèi)外用于天然氣長(zhǎng)輸管道干燥的常用方法目前主要有3種：干燥劑法、流動(dòng)氣體蒸發(fā)法和真空干燥法[7-13]。其中干空氣干燥法（流動(dòng)氣體蒸發(fā)法）的干燥成本低，且施工效果好，干燥介質(zhì)選用空氣，具有來源廣、不受地區(qū)限制、廢氣可任意排放、無毒、無味、不燃、不爆、無安全隱患等優(yōu)點(diǎn)。采用露點(diǎn)為-40℃的干空氣進(jìn)行干燥施工，可保證長(zhǎng)輸管道露點(diǎn)達(dá)到-20℃以下。

目前國內(nèi)常見的干空氣干燥系統(tǒng)如圖1所示。圖中的空壓機(jī)系統(tǒng)一般包含2～3臺(tái)移動(dòng)式空壓機(jī)，空壓機(jī)數(shù)量取決于施工管道長(zhǎng)度；干燥器一般選擇無熱再生空氣干燥器或者組合式低露點(diǎn)干燥器。兩種干燥器的主要吸附原理均為變壓吸附，因此一般要求空壓機(jī)出口壓力不能低于0.7 MPa。若采用無熱再生空氣干燥器，其再生氣的損耗量約為原料氣的13%，無形中增加了其前置空壓機(jī)的運(yùn)行負(fù)載，因此整套系統(tǒng)的能耗較高，另外施工過程中高壓氣進(jìn)入長(zhǎng)輸管道，加大了作業(yè)危險(xiǎn)性，同時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)較為雜亂，操作靈活度較差。

圖1 傳統(tǒng)管道干燥流程（又稱干燥系統(tǒng)2流程，短路連接圖中綠框流程后的流程為干燥系統(tǒng)1流程）

2 新型管道干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有管道干燥系統(tǒng)存在的諸多弊端，以某LNG接收站輸氣干線管道的干燥為研究對(duì)象，對(duì)其干燥工藝流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文研究對(duì)象的工程參數(shù)見表1，根據(jù)該條管道的干燥記錄表，可知其采用干空氣進(jìn)行干燥的時(shí)間約為6 d。

表1 某輸氣干線管道工程參數(shù)

2.1 新型干燥系統(tǒng)工藝流程

新型轉(zhuǎn)輪式干空氣管道干燥系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，主要包括干燥機(jī)單元和風(fēng)機(jī)單元。大氣中的濕空氣被處理風(fēng)機(jī)吸入后進(jìn)入預(yù)冷單元，預(yù)冷單元使干空氣溫度降低至8℃，并脫除空氣中的大量水分；隨后低溫空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)，經(jīng)硅膠吸附后得到高溫干燥空氣，再經(jīng)過過濾等后續(xù)工藝處理后，即可進(jìn)入長(zhǎng)輸管道中，用于管道的干燥施工。在再生氣系統(tǒng)中，由加熱器對(duì)風(fēng)機(jī)吸入的氣體進(jìn)行加熱，加熱后的高溫氣體進(jìn)入再生區(qū)域?qū)枘z進(jìn)行解吸，解吸硅膠后形成的接近飽和的再生氣由風(fēng)機(jī)排入大氣。轉(zhuǎn)輪以8～10 r/h的速度旋轉(zhuǎn)，可連續(xù)地完成硅膠的吸附和再生過程。

為了減小轉(zhuǎn)輪設(shè)備尺寸，提高工藝效率，采用兩級(jí)轉(zhuǎn)輪干燥吸附系統(tǒng)，中間設(shè)置級(jí)間冷卻器，一級(jí)轉(zhuǎn)輪用于初步干燥，將空氣露點(diǎn)降低至-10℃左右，二級(jí)轉(zhuǎn)輪用于深度干燥，出口空氣露點(diǎn)可達(dá)到-40℃。

圖2 新型轉(zhuǎn)輪式管道干燥系統(tǒng)流程（又稱干燥系統(tǒng)3流程）

2.2 干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高干燥干線管道的效率，本研究基于國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線中水的分布狀態(tài)、水膜厚度及干線周圍環(huán)境溫度等參數(shù)，對(duì)干燥所需干空氣的合理露點(diǎn)和流量進(jìn)行了分析。由于轉(zhuǎn)輪干燥機(jī)采用風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，風(fēng)量對(duì)能耗的影響相對(duì)于空壓機(jī)較弱，因此與傳統(tǒng)干空氣干燥方法相比，在基本不增加能耗的情況下，可提供更大流量的干空氣，由此而縮短了干燥的時(shí)間。

（1）干空氣流量對(duì)管道干燥時(shí)間的影響。對(duì)于所研究的管道，當(dāng)干空氣的露點(diǎn)為-40℃時(shí)，干空氣流量對(duì)管道干燥時(shí)間的影響見圖3。從圖中可以看出，當(dāng)干空氣流速由2 m/s增大到12 m/s時(shí)，干燥時(shí)間由375 h縮短到50 h，可見干燥時(shí)間對(duì)于干空氣的流量非常敏感，增大干空氣流量可明顯縮短干燥時(shí)間。但是傳統(tǒng)干空氣管道干燥系統(tǒng)無法增大干空氣的流量，其主要原因是受限于空壓機(jī)的能耗、流量、數(shù)量之間的關(guān)系。由于傳統(tǒng)管道干燥系統(tǒng)的工藝要求空壓機(jī)排氣壓力最低要達(dá)到0.7 MPa，而單臺(tái)空壓機(jī)的送風(fēng)能力一般為2 000～3 000 m3/h，這也就決定了采用大流量空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行干燥的經(jīng)濟(jì)性較差。采用轉(zhuǎn)輪干燥設(shè)備替代傳統(tǒng)干燥設(shè)備后，考慮到在低流速下整條管道沿程的壓降較小，因而可選用風(fēng)機(jī)替代空壓機(jī)，有效降低原空壓機(jī)系統(tǒng)的能耗。因此當(dāng)采用轉(zhuǎn)輪干燥設(shè)備時(shí)，可適當(dāng)提高干空氣流速，以此加快干燥時(shí)間，與此同時(shí)相應(yīng)地降低了系統(tǒng)能耗。由圖3可知，當(dāng)干空氣流速大于8 m/s時(shí)，流速對(duì)干燥時(shí)間的縮短作用較為有限，因此在露點(diǎn)-40℃下，干空氣的流速取8 m/s較為合理，其與原LNG接收站輸氣干線的干燥時(shí)間對(duì)比見表2。

圖3 不同干空氣流速下對(duì)干燥時(shí)間的影響

表2 新干燥方案與傳統(tǒng)干燥方案對(duì)比

（2）干空氣露點(diǎn)對(duì)管道干燥時(shí)間的影響。針對(duì)該LNG接收站輸氣干線，當(dāng)干空氣流速為8 m/s時(shí)，其干空氣露點(diǎn)對(duì)管道干燥時(shí)間的影響見圖4。從圖中可以看出，當(dāng)干空氣露點(diǎn)由-30℃降低到-60℃時(shí)，干燥時(shí)間從95.2 h縮短到93.7 h，由此可見干空氣露點(diǎn)對(duì)干燥時(shí)間的影響非常有限，降低干空氣露點(diǎn)并不能明顯縮短干燥時(shí)間，因此沒有必要對(duì)干空氣露點(diǎn)作進(jìn)一步的優(yōu)化。目前工程上常用的干空氣露點(diǎn)為-40℃，施工效果良好，另外對(duì)目前國內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研結(jié)果表明，干燥時(shí)間計(jì)算公式在高露點(diǎn)情況下通常誤差較大，因此本研究不對(duì)干空氣露點(diǎn)作進(jìn)一步的優(yōu)化，而只采用工程經(jīng)驗(yàn)值-40℃。

圖4 不同干空氣露點(diǎn)對(duì)干燥時(shí)間的影響

3 新干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

為考察新型轉(zhuǎn)輪式管道干燥系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)圖1的干燥系統(tǒng)1和干燥系統(tǒng)2、圖2的干燥系統(tǒng)3進(jìn)行初期投資及運(yùn)行費(fèi)用兩方面的預(yù)估，對(duì)三種干燥系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比較，見表3～5。

表3 不同干燥系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)比較

表4 不同干燥系統(tǒng)的主要工程投資估算/萬元

表5 運(yùn)行費(fèi)用估算

干燥系統(tǒng)1為采用無熱再生干燥器的工藝流程；干燥系統(tǒng)2為采用組合式低露點(diǎn)干燥器的工藝流程，相比干燥系統(tǒng)1增加了一個(gè)冷劑循環(huán)單元，可適當(dāng)降低運(yùn)行能耗；干燥系統(tǒng)3為采用新型轉(zhuǎn)輪式干燥器的工藝流程。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，干燥系統(tǒng)3的主要工程投資估算、運(yùn)行費(fèi)用估算、設(shè)備質(zhì)量、設(shè)備能耗均明顯較低，而設(shè)備提供的干空氣流量明顯較大。

4 轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)除濕的數(shù)值模擬研究

4.1 建立數(shù)學(xué)模型

為了系統(tǒng)地分析轉(zhuǎn)輪干燥器的除濕運(yùn)行過程，本文以管道系統(tǒng)內(nèi)一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)為例，以一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)內(nèi)部任一單通道為微元研究對(duì)象，提出合理的假設(shè)，建立一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

（1）空氣與除濕劑間的質(zhì)量守恒方程：

式中：Y為空氣中的含濕量，kg/kg；t為時(shí)間變量，s；V為空氣流速，m/s；z為轉(zhuǎn)輪軸方向的空間變量，m；fd為單通道內(nèi)單位長(zhǎng)度上除濕劑的質(zhì)量，kg/m；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；A為通道截面積，m2；W為除濕劑中的含水量，kg/kg。

（2）除濕劑中的傳質(zhì)方程：

式中：Ky為對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m·s）；P為通道截面邊界周長(zhǎng)，m；Yw為除濕劑表面飽和空氣含濕量，kg/kg。

（3）空氣與除濕劑間的能量守恒方程：

式中：T為空氣溫度，K；cpd為除濕劑的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpl為除濕劑中水分的等壓比熱容，J/（kg·K）；fm為單通道內(nèi)單位長(zhǎng)度基材的質(zhì)量，kg/m3；cpm為基材的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpa為空氣的等壓比熱容，J/（kg·K）；cpv為水蒸氣的等壓比熱容，J/（kg·K）；Tw為除濕劑壁面溫度，K；Q為除濕劑吸附水蒸氣產(chǎn)生的吸附熱，kJ/kg。

（4）除濕劑中的傳熱方程：

式中：α為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/（m2·k）。

公式（1）～（4）反映了空氣和除濕劑之間吸附-解吸過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，4個(gè)方程中有5個(gè)未知數(shù)，分別為Y、W、T、Tw、Yw，因此還需要補(bǔ)充方程才能夠求解。

（5）吸附熱方程：

式中：hv為飽和水的冷凝潛熱，kJ/kg。

（6）飽和吸附量方程：

式中：準(zhǔn)w為飽和水蒸氣的相對(duì)濕度，%。（7）安東尼水蒸氣飽和壓力方程：

式中：Pws為水蒸汽飽和分壓力，Pa。

（8）濕空氣含濕量與相對(duì)濕度之間的換算關(guān)系：

式中：Patm為大氣壓力，Pa。

由于處理空氣與再生空氣為逆流狀況，因此除濕區(qū)和再生區(qū)的進(jìn)口截面狀況不同，其邊界條件分別為z=0和z=L（L為轉(zhuǎn)輪厚度，m）截面：

除濕區(qū)

再生區(qū)

式中：Tp、Tr分別是除濕區(qū)、再生區(qū)內(nèi)處理空氣、再生空氣的溫度，K；Yp、Yr分別是除濕區(qū)、再生區(qū)內(nèi)處理空氣和再生空氣的濕度，kg/kg；Tads、Treg分別是處理空氣和再生空氣的入口溫度，K；Yads、Yreg分別是處理空氣和再生空氣的入口濕度，kg/kg。

本模型考慮到了瞬態(tài)問題，故有初始條件：

式中：Tw0為除濕劑溫度，K；W0為初始時(shí)刻除濕劑吸濕量，kg/kg。

4.2 運(yùn)行參數(shù)分析

（1）方程求解、計(jì)算。對(duì)上節(jié)建立的一組非線性、邊界條件呈周期性變化的雙曲線型偏微分方程，采用顯式有限差分法進(jìn)行求解，利用Matlab軟件進(jìn)行編程計(jì)算。時(shí)間步長(zhǎng)dt設(shè)為0.005 s，單周期總時(shí)間步數(shù)為100 000步，即一個(gè)循環(huán)周期的時(shí)長(zhǎng)為500 s，空間步長(zhǎng)設(shè)為0.01 m，空間節(jié)點(diǎn)數(shù)為21，除濕區(qū)與再生區(qū)模擬時(shí)間比值為3，即再生區(qū)模擬時(shí)間為125 s，除濕區(qū)模擬時(shí)間為375 s。

（2）計(jì)算結(jié)果。計(jì)算得到了沿通道軸向距離，除濕和再生過程中工藝參數(shù)的變化曲線，見圖5～8。

圖5 處理空氣出口濕度沿通道軸向的變化曲線

圖6 再生空氣出口濕度沿通道軸向的變化曲線

圖7 處理/再生空氣進(jìn)口溫度對(duì)處理空氣出口濕度的影響

第一，在穩(wěn)態(tài)工作循環(huán)中，除濕過程與再生過程交替獨(dú)立進(jìn)行，但在過程初始階段皆會(huì)受到上一輪工作狀態(tài)的影響，如圖5～6的t=0時(shí)刻，但影響時(shí)間較為短暫，工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)。

圖8 處理/再生空氣進(jìn)口濕度對(duì)處理空氣出口濕度的影響

第二，處理空氣在除濕過程中為放熱反應(yīng)，因此處理空氣的溫度將有所提高。處理空氣進(jìn)口溫濕度對(duì)其出口濕度影響較大，見圖7～8，因而在一般干燥過程中，應(yīng)選用風(fēng)冷、水冷或其他手段對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)冷，使其變成盡可能接近于0℃的飽和空氣。

第三，再生空氣溫度對(duì)處理空氣出口濕度的影響同樣較為顯著，但提高再生空氣溫度將顯著增大整個(gè)系統(tǒng)的能耗，因而要綜合考慮選擇合理的再生溫度，再生空氣濕度對(duì)處理空氣出口濕度的影響微弱，工程應(yīng)用中可忽略。

4.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

本章所作分析全部基于管道干空氣干燥系統(tǒng)的第一級(jí)轉(zhuǎn)輪，根據(jù)廠家生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給出了該轉(zhuǎn)輪在實(shí)際工程運(yùn)行過程中的參數(shù)，見圖9。本章理論計(jì)算所得到的轉(zhuǎn)輪出口濕度與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見表6，數(shù)據(jù)表明，兩者誤差為17.8%，這驗(yàn)證了該理論模型的可靠性，兩者基本吻合。

5 結(jié)束語

針對(duì)目前常用管道干燥系統(tǒng)的諸多弊端，設(shè)計(jì)了一種新型轉(zhuǎn)輪式管道干燥系統(tǒng)，依托國內(nèi)某LNG接收站輸氣干線，對(duì)該干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明，采用新設(shè)計(jì)管道干燥系統(tǒng)后，該條管道的干燥時(shí)間可由原方案的144 h降低至94 h。對(duì)比分析了采用無熱再生干燥器、組合式低露點(diǎn)干燥器以及新型轉(zhuǎn)輪干燥器對(duì)管道進(jìn)行干燥的經(jīng)濟(jì)性，數(shù)據(jù)表明，新干燥系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用約為傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的50%，一次性初始投資約為傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)的67%。最后對(duì)轉(zhuǎn)輪干燥機(jī)的除濕性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)比模擬計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，表明兩者基本吻合，這為下一步干燥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。理論與實(shí)踐證明，管道新型轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干燥系統(tǒng)，用于天然氣長(zhǎng)輸管道除水后的干燥施工過程。該系統(tǒng)具有能耗低、設(shè)備緊湊、便于運(yùn)輸、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖9 管道轉(zhuǎn)輪式干燥系統(tǒng)工程運(yùn)行數(shù)據(jù)

表6 一級(jí)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

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Study on novel rotary drying system of pipeline

ZHANG Xiaohui，SU Qingbo，ZHOU Dan，CHEN Jie，YANG Hongwei
Technology R&D Center of CNOOC Gas&Power Group，Beijing 100028，China

The conventional pipeline drying system has the disadvantages of high energy consumption，high transportation cost and a large amount of equipment，so a novelrotary drying system of pipeline is proposed.Based on the gas pipeline at a domestic LNG import terminal，the dry air flow rate and dew point of the rotary drying system are obtained by optimizing the calculation.The results show that compared with traditional pipeline drying systems，the new drying system can reduce drying period and energy consumption by 28%and 50%respectively.The performance of the rotary dehumidifier which is the key equipment in the whole system is studied by numerical simulation method.The calculated results are compared with the practical operation data，which shows both are basically agreeable.The practical application proves the rotary drying system has good drying effect for long-distance naturalgas pipeline.

naturalgas pipeline；pipeline drying；rotary dehumidifier；optimization design；numericalsimulation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.002

張曉慧（1989-），女，北京人，工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事天然氣液化技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)研究工作。Email：right_away@126.com

2017-07-04