天然氣液化系統(tǒng)露點(diǎn)的定量分析

樊玉光，冀 雪，袁淑霞，許云鳳，黨懷強(qiáng)

（1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712199）

隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)提出二氧化碳（CO2）排放量力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，該目標(biāo)需要全社會(huì)在能源使用方法上轉(zhuǎn)型，提高清潔能源在能源體系中的使用比例，而天然氣是碳排放強(qiáng)度較低的化石能源之一，并且作為目前清潔的化石能源，占據(jù)了世界能源主消費(fèi)體系的主導(dǎo)地位，因此天然氣將在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的過(guò)程中發(fā)揮不可或缺的作用[1-2]。在天然氣的應(yīng)用中，天然氣液化過(guò)程是天然氣經(jīng)過(guò)壓縮、冷卻至其沸點(diǎn)后變成液體狀態(tài)，按制冷方式的不同，液化工藝可分為級(jí)聯(lián)式液化工藝技術(shù)、混合制冷液化工藝技術(shù)和帶膨脹機(jī)制冷液化工藝技術(shù)，其中混合制冷液化工藝技術(shù)主要是根據(jù)所需要液化加工天然氣的成分和壓力，通過(guò)制冷劑進(jìn)行天然氣的壓縮、分離、冷凝和蒸發(fā)，為后續(xù)天然氣的冷卻和液化工序奠定了良好的基礎(chǔ)[3]。相比于其他兩種天然氣液化工藝技術(shù)，混合制冷液化工藝技術(shù)能夠合理改善能量的利用，不僅效率高、能耗低，而且易于控制和容易實(shí)現(xiàn)整體工藝的操作。目前，在基本負(fù)荷型和調(diào)峰型液化天然氣（LNG）裝置中，混合制冷液化工藝技術(shù)應(yīng)用最多、最廣泛，在LNG 生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位[4]。

天然氣的露點(diǎn)有水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)兩種，其中天然氣的水露點(diǎn)指的是在一定壓力條件下，天然氣中析出第一滴液態(tài)水時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。烴露點(diǎn)指的是在一定壓力條件下，天然氣中析出第一滴液態(tài)烴時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。外輸天然氣中夾帶液態(tài)水和液態(tài)烴會(huì)形成段塞流和兩相流，降低管輸能力，甚至形成水合物影響管線輸送安全[5]。在天然氣液化處理過(guò)程中，天然氣水露點(diǎn)的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致天然氣中的CO2在微量的水中發(fā)生溶解，產(chǎn)生具有高度腐蝕性的酸性環(huán)境[6-7]，進(jìn)而導(dǎo)致液化系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)露點(diǎn)腐蝕狀況，對(duì)天然氣的安全生產(chǎn)和使用造成危害。但若形成烴露點(diǎn)則不會(huì)導(dǎo)致露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生，其原因在于設(shè)備表面水和酸性氣體的存在是發(fā)生腐蝕的前提條件，而當(dāng)油覆蓋在設(shè)備表面時(shí)，水中的腐蝕性物質(zhì)不能直接接觸管道，這不僅不會(huì)引起露點(diǎn)腐蝕的發(fā)生，反而可以抑制管道或者設(shè)備表面發(fā)生露點(diǎn)腐蝕[8-9]，本研究以天然氣混合制冷液化工藝技術(shù)中的天然氣單循環(huán)制冷劑液化工藝為基礎(chǔ)，從天然氣水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)的定量關(guān)系出發(fā)，提出緩解天然氣液化系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備露點(diǎn)腐蝕發(fā)生的方法。

目前，關(guān)于天然氣露點(diǎn)的研究已較多，如王濤等[10]利用Aspen HYSYS 軟件對(duì)天然氣露點(diǎn)控制系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了研究，得到了影響天然氣露點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)（主要為原料氣壓力、溫度和重沸器溫度），并通過(guò)控制這些關(guān)鍵參數(shù)得出能耗較低的優(yōu)化工藝組合參數(shù)。BURGASS 等[11]介紹了冷鏡露點(diǎn)法，該方法可用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的設(shè)備中，較寬壓力范圍露點(diǎn)的精確測(cè)量。目前天然氣露點(diǎn)測(cè)量方法大多停留在人工采用冷鏡面露點(diǎn)儀測(cè)量階段[12]。王躍坤[13]從常用的天然氣水露點(diǎn)分析儀出發(fā)，結(jié)合具體的工程實(shí)例，進(jìn)行了天然氣水露點(diǎn)測(cè)試分析，并提出了在使用過(guò)程中需要通過(guò)控制氣體流速、控制冷卻速度和定期維護(hù)儀器等措施來(lái)提高天然氣水露點(diǎn)測(cè)試儀的精度。GHAZANⅠ等[14]以三甘醇脫水裝置為基礎(chǔ)，選取接觸器溫度和三甘醇純度作為自變量，研究了支持向量機(jī)（SVM）方法在天然氣露點(diǎn)溫度估算中的應(yīng)用，結(jié)果顯示SVM方法可以在較寬壓力范圍內(nèi)較精確地提供天然氣露點(diǎn)預(yù)測(cè)溫度。ALⅠREZA 等[15]探討了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在天然氣露點(diǎn)溫度估計(jì)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)露點(diǎn)溫度的可行性。分析以上研究可以得出，目前關(guān)于天然氣露點(diǎn)的研究以天然氣露點(diǎn)控制系統(tǒng)優(yōu)化、天然氣露點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)以及天然氣露點(diǎn)系統(tǒng)測(cè)試為主。

本研究以天然氣單循環(huán)混合冷劑液化工藝為基礎(chǔ)，以陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司在天然氣液化過(guò)程中出現(xiàn)的露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題為研究對(duì)象，通過(guò)Aspen Plus工藝流程模擬軟件建立相關(guān)的天然氣露點(diǎn)定量分析模型，從天然氣露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液pH 值這3 個(gè)方面來(lái)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)天然氣的露點(diǎn)進(jìn)行定量分析，明確天然氣液化系統(tǒng)預(yù)冷器內(nèi)水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)的定量差異，并對(duì)天然氣壓力以及天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)露點(diǎn)的影響進(jìn)行分析。

1 工藝流程模擬中物性方法的選擇及仿真模擬工況的確定

1.1 工藝流程模擬中物性方法的選擇

本文天然氣露點(diǎn)的定量分析是基于Aspen Plus流程模擬軟件展開的，可選擇的物性方法有LKPLOCK、PENG-ROB 和ENRTL-RK 等。本研究選用了ENRTL-RK 物性方法。其原因在于：首先，該方法是Wilson 方程的改進(jìn)，可以處理汽液平衡、液液平衡的計(jì)算，本次天然氣液化過(guò)程模擬的本質(zhì)就是汽液兩相平衡問(wèn)題；其次，該方法是最通用的電解質(zhì)物性方法，能夠處理的電解質(zhì)溶液濃度范圍較廣，可以通過(guò)電解質(zhì)導(dǎo)向自動(dòng)生成電解質(zhì)組分[16]，有利于進(jìn)行天然氣露點(diǎn)溶液pH值的確定。

1.2 仿真模擬工況的確定

GB17820—2018《天然氣》規(guī)定，我國(guó)一類商品天然氣中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于等于3%，結(jié)合靖西三線相關(guān)輸氣管道內(nèi)天然氣的組分（表1），確定本次仿真模擬過(guò)程中天然氣的初始條件為：天然氣處理量為2800 kmol/h，天然氣壓力為5 MPa，天然氣溫度為40 ℃。

表1 靖西三線輸氣管道內(nèi)天然氣組成Table 1 Natural gas component of Jingxi No.3 gas pipeline

2 天然氣露點(diǎn)分析模型的建立及露點(diǎn)的定量分析

2.1 天然氣露點(diǎn)分析模型建立

利用Aspen Plus軟件對(duì)天然氣單循環(huán)混合制冷劑液化工藝流程進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬工藝流程如圖1 所示，該流程由預(yù)冷單元和液化單元組成。首先，在預(yù)冷單元中原料氣（t=40 ℃，p=5.0 MPa）通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻，經(jīng)過(guò)預(yù)冷器1 和預(yù)冷器2 分別預(yù)冷到10 ℃和-16 ℃。隨后，原料氣進(jìn)入液化單元，先經(jīng)冷箱1 被冷卻至-70 ℃，再進(jìn)入氣液分離罐B1 分離出氣相和液相，其中液相為脫出的重?zé)N，氣相則經(jīng)冷箱2 冷卻至-137.5 ℃，再經(jīng)冷箱3 冷卻至-162 ℃，最后經(jīng)節(jié)流閥F12 節(jié)流降溫降壓至t=-160.2 ℃，p=0.15 MPa 后輸送到LNG 閃蒸罐，閃蒸氣體送入燃?xì)饣旌蠁卧?，LNG產(chǎn)品輸送到LNG儲(chǔ)罐。為實(shí)現(xiàn)天然氣的完全液化，本次模擬中采用的混合制冷劑中各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為：甲烷26.18%、乙烷34.96%、丙烷21.96%、異戊烷12.13%、氮?dú)?.77%。

圖1 單循環(huán)混合制冷劑液化工藝流程Fig.1 Single cycle mixed refrigerant liquefaction process flow

通過(guò)以上天然氣單循環(huán)混合制冷液化工藝流程的建立，確定得出預(yù)冷器1 和預(yù)冷器2 出口天然氣的溫度分別為10 ℃和-16 ℃，并通過(guò)初步模擬計(jì)算得到輕組分天然氣露點(diǎn)溫度為-12.5 ℃，且在軟件模擬的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)天然氣在預(yù)冷階段所能夠達(dá)到的溫度遠(yuǎn)高于天然氣的液化溫度，天然氣溫度在-16 ℃以上沒(méi)有固相析出，因此可以進(jìn)一步對(duì)露點(diǎn)溶液的組分進(jìn)行分析確定。同時(shí)，由于露點(diǎn)溫度-12.5 ℃低于10 ℃，即露點(diǎn)不會(huì)在預(yù)冷器1 內(nèi)部出現(xiàn)，而會(huì)出現(xiàn)在預(yù)冷器2中，為進(jìn)一步明確預(yù)冷器中天然氣露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液的組成，以圖2所示的預(yù)冷器2為研究對(duì)象建立天然氣露點(diǎn)分析模型。根據(jù)預(yù)冷器的結(jié)構(gòu)選型，一般可分為管殼式換熱器、板翅式換熱器和螺旋管式換熱器，其中管殼式換熱器[17]具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、能承受高壓和適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，因此本次研究中預(yù)冷器的類型為管殼式換熱器。

圖2 天然氣露點(diǎn)分析模型Fig.2 Analysis model of natural gas dew point

2.2 輕組分天然氣露點(diǎn)的定量分析

根據(jù)靖西三線相關(guān)輸氣管道內(nèi)天然氣的組分（表1），確定了輕組分天然氣的組分如表2 所示，以前述圖2中的預(yù)冷器2為研究對(duì)象，通過(guò)Aspen Plus軟件模擬得到天然氣露點(diǎn)溫度為-12.5 ℃，且露點(diǎn)只在預(yù)冷器2 中出現(xiàn)，并通過(guò)進(jìn)一步模擬分析得到預(yù)冷器內(nèi)露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨天然氣溫度的變化以及露點(diǎn)溶液pH值隨天然氣溫度的變化，如圖3所示。

圖3 輕組分天然氣露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(a)及pH值(b)隨天然氣溫度的變化Fig.3 Change of mole fraction of each component (a) and pH value (b) in dew point solution of of light component natural gas with natural gas temperature

表2 輕組分天然氣的組成Table 2 Composition of light component natural gas

由圖3可以得到，隨著天然氣冷卻過(guò)程的進(jìn)行，在溫度降低到-12.5 ℃時(shí)預(yù)冷器內(nèi)開始出現(xiàn)露點(diǎn)，露點(diǎn)溶液由液態(tài)C1、n-C4、i-C4、CO2和液態(tài)水組成，液態(tài)C1、n-C4、i-C4、CO2以及液態(tài)水在露點(diǎn)溶液中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、2.4%、1.6%、0.2%和95.6%，即露點(diǎn)溶液中液態(tài)水的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液態(tài)烴的含量，且隨著天然氣冷卻過(guò)程的進(jìn)行氣相中的CO2會(huì)在微量的液態(tài)水中溶解，在-13.0～-12.0 ℃內(nèi)露點(diǎn)溶液的pH 值最低能夠達(dá)到約3.9。由TRALLERO 等[18]提出的目前比較公認(rèn)的油水兩相流流型可以得到此時(shí)液態(tài)烴和液態(tài)水混合物中的水含量較高，液態(tài)烴在浮力的作用下，會(huì)聚集在管道上部，分散在水相中流動(dòng)，水則在管道下部形成連續(xù)相，因此此時(shí)露點(diǎn)溶液呈現(xiàn)水包油的狀態(tài)，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕。

2.3 含有微量重組分天然氣露點(diǎn)的定量分析

由于天然氣中含有一定量的重組分，為進(jìn)一步深入天然氣露點(diǎn)的研究，進(jìn)行含有微量重組分天然氣露點(diǎn)的分析確定。參考靖西三線輸氣管道天然氣組分（表1）得知天然氣中的各類重?zé)N含量存在差異，其中C6含量最多，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.06%，且隨著重?zé)N組分中碳原子數(shù)的增多其在天然氣中的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)逐漸減小，因此在本次研究中分別對(duì)C6、C7、C8和C9重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的天然氣的露點(diǎn)進(jìn)行了定量分析，含有微量重組分的天然氣組分如表3所示。

表3 含有微量重組分的天然氣組成Table 3 Composition of natural gas containing trace amounts of heavy components

通過(guò)初步模擬得到天然氣中0.02%的C6重組分并不會(huì)對(duì)天然氣的露點(diǎn)造成影響，而天然氣中0.02%的C7、C8和C9重組分組則會(huì)影響天然氣的露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液pH值，其具體分析如下。

圖4 為C6重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)天然氣的模擬結(jié)果，通過(guò)圖4 可以得到，C6重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的天然氣在預(yù)冷器內(nèi)的露點(diǎn)溫度為-12.5 ℃，露點(diǎn)溶液也同樣由液態(tài)C1、n-C4、i-C4、CO2和液態(tài)水組成，且各組分在露點(diǎn)溶液中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、2.4%、1.6%、0.2%和95.6%，因此其露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，在-12.0～-13.0 ℃內(nèi)露點(diǎn)溶液的pH 值最低能夠達(dá)到約3.9，由此可以得到天然氣中0.02%的C6重組分并不會(huì)對(duì)天然氣的露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液pH 值造成影響。

圖4 含0.02% C6重組分天然氣露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(a)及pH值(b)隨天然氣溫度的變化Fig.4 Change of mole fraction of each component (a) and pH value (b) in dew point solution of recombinant natural gas containing 0.02% C6 with natural gas temperature

圖5、圖6 和圖7 分別為C7、C8、C9重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)天然氣露點(diǎn)溶液的模擬結(jié)果，通過(guò)下圖可以得到，C7、C8、C9重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的天然氣在預(yù)冷器內(nèi)的露點(diǎn)溫度分別為-15.65 ℃、-12.25 ℃和5.40 ℃，且其露點(diǎn)溶液中同時(shí)包含了原料氣中的所有組分。其中，由圖5 可以得到，C7重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%天然氣的露點(diǎn)溶液中液態(tài)烴、液態(tài)水以及CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為42.0%、50.0%和8.0%，此時(shí)露點(diǎn)溶液中的含水率為50%。由譚剛等[19]的研究得到，當(dāng)油水兩相流中混合流速VSW大于1.6 m/s、含水率fW小于0.62時(shí)，油相呈液滴分布在連續(xù)的水相中，形成水包油狀乳液；當(dāng)VSW大于1.6 m/s、含水率fW非常小時(shí)，水相失去連續(xù)性完全分散在連續(xù)的油相中，形成油包水乳狀液，而在天然氣液化系統(tǒng)中，換熱器內(nèi)液體流速一般在0.5～3.0 m/s 之間，此時(shí)露點(diǎn)溶液的含水率為fW等于0.497，小于0.62，滿足形成水包油乳液的條件，因此此時(shí)預(yù)冷器內(nèi)的露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，且因?yàn)槁饵c(diǎn)溶液中液態(tài)水含量的增多，其中溶解的CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)也增多，露點(diǎn)溶液的pH 值最低可達(dá)到約2.6，對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成的露點(diǎn)腐蝕狀況比較嚴(yán)重。

圖5 含0.02% C7 重組分天然氣露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(a)及pH值(b)隨天然氣溫度的變化Fig.5 Change of mole fraction of each component (a) and pH value (b) in dew point solution of recombinant natural gas containing 0.02% C7 with natural gas temperature

圖6 含0.02% C8重組分天然氣露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(a)及pH值(b)隨天然氣溫度的變化Fig.6 Change of mole fraction of each component (a) and pH value (b) in dew point solution of recombinant natural gas containing 0.02% C8 with natural gas temperature

圖7 含0.02% C9重組分天然氣露點(diǎn)溶液中各組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(a)及露點(diǎn)溶液pH值(b)隨天然氣溫度的變化Fig.7 Change of mole fraction of each component (a) and pH value (b) in dew point solution of recombinant natural gas containing 0.02% C9 with natural gas temperature

由圖6 可以得到，C8重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的天然氣露點(diǎn)溶液中的液態(tài)烴、液態(tài)水以及CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為64.0%、27.0%和9.0%，此時(shí)露點(diǎn)溶液中的含水率為27.0%，并不滿足形成油包水狀乳液的條件，因此露點(diǎn)類型仍為水露點(diǎn)，且與含有C7重組分的天然氣相比，其露點(diǎn)溶液中液態(tài)水的含量減少，但CO2含量增多，因此含有C8重組分天然氣的露點(diǎn)pH 值為2.4，對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕狀況更為嚴(yán)重。

由圖7 可以得到，在C9重組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的天然氣露點(diǎn)溶液中，液態(tài)烴、液態(tài)水以及CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)分別為97.7%、0.6%和1.7%，此時(shí)露點(diǎn)溶液中的含水率為0.6%，含水率較少，滿足形成油包水的條件，即露點(diǎn)溶液中液態(tài)水分散在連續(xù)的液態(tài)烴中，雖然溶液存在一定的酸性，但不會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕。

綜合以上結(jié)果，天然氣中微量的C6重組分不會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)輕組分天然氣的露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液pH值造成影響，而天然氣中微量的C7、C8和C9重組分則會(huì)對(duì)其造成影響。除此之外，C7、C8和C9重組分的氣液相轉(zhuǎn)變溫度分別為98.4 ℃、125.7 ℃和150.8 ℃，其中C7重組分的氣液相轉(zhuǎn)變溫度比水的氣液相轉(zhuǎn)變溫度100 ℃還要低，即在含有微量C7重組分天然氣的冷卻過(guò)程中，水比C7重組分容易液化，因此其露點(diǎn)溶液主要由液態(tài)水組成，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕；C8重組分的氣液相轉(zhuǎn)變溫度為125.7 ℃，該溫度比于水的氣液相轉(zhuǎn)變溫度100 ℃略高，在天然氣冷卻過(guò)程中C8重組分比水容易液化，因此其露點(diǎn)溶液中液態(tài)烴含量較多，但達(dá)不到形成油包水乳液的條件，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕；C9重組分的氣液相轉(zhuǎn)變溫度為150.8 ℃，該溫度比水的氣液相轉(zhuǎn)變溫度100 ℃高，在天然氣冷卻過(guò)程中C9重組分比水容易液化，因此其露點(diǎn)溶液主要由液態(tài)烴組成，露點(diǎn)類型為烴露點(diǎn)，不會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕。

3 天然氣水、烴露點(diǎn)的影響因素分析

本節(jié)結(jié)合陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司出現(xiàn)的具體問(wèn)題，按要求分析了天然氣壓力和天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)露點(diǎn)的影響，得到了不同壓力以及不同CO2含量下的露點(diǎn)溫度，并對(duì)露點(diǎn)類型及露點(diǎn)溶液pH 值進(jìn)行了確定，進(jìn)一步擴(kuò)充了天然氣露點(diǎn)的研究。

3.1 壓力對(duì)天然氣露點(diǎn)的影響

通過(guò)陜西液化天然氣投資發(fā)展有限公司相關(guān)數(shù)據(jù)得知，天然氣液化前的氣源壓力一般在1～5 MPa之間，以前述輕組分天然氣（表2）為研究對(duì)象，分別對(duì)壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa 的天然氣的露點(diǎn)進(jìn)行定量分析，通過(guò)模擬得到預(yù)冷器內(nèi)天然氣露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型及露點(diǎn)溶液pH 值隨天然氣壓力的變化如圖8所示。

圖8 輕組分天然氣中露點(diǎn)溫度(a)和露點(diǎn)溶液pH值(b)隨天然氣壓力的變化Fig.8 Change of dew point temperature (a) and pH value of dew point solution (b) in light component natural gas with natural gas pressure

通過(guò)圖8可以得到，隨著天然氣壓力的增加，預(yù)冷器內(nèi)天然氣的露點(diǎn)溫度會(huì)升高，天然氣壓力分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa 時(shí)所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度分別為-24.35 ℃、-17.85 ℃、-14.75 ℃、-13.15 ℃和-12.50 ℃，露點(diǎn)類型一直為水露點(diǎn)，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕。露點(diǎn)溶液的pH值隨著天然氣壓力的增大而減小，即CO2在露點(diǎn)溶液中的溶解度隨著天然氣壓力的增大而增多，該結(jié)果與何?？档萚20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)CO2氣體在純水中溶解的影響規(guī)律相同，即壓力升高會(huì)造成CO2在溶液中的溶解度升高，可驗(yàn)證本次模擬結(jié)果的正確性。天然氣壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa 時(shí)所對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溶液pH 值分別為4.17、4.03、3.96、3.92 和3.88，即露點(diǎn)溶液的腐蝕性越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)設(shè)備造成的露點(diǎn)腐蝕危害越來(lái)越嚴(yán)重。

3.2 CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)天然氣露點(diǎn)的影響

根據(jù)GB17820—2018《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)得到我國(guó)一類商品天然氣中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于等于3%，現(xiàn)以CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)3.0%為最大值，分別對(duì)CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%、2.5% 和3.0%的天然氣露點(diǎn)進(jìn)行定量分析，通過(guò)模擬得到預(yù)冷器內(nèi)天然氣露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型及露點(diǎn)溶液pH值隨CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的變化如圖9所示。

圖9 輕組分天然氣中露點(diǎn)溫度(a)和露點(diǎn)溶液pH值(b)隨天然氣中CO2 物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的變化Fig.9 Change of dew point temperature (a) and pH value of dew point solution (b) in light component natural gas with mole fraction of CO2 in natural gas

通過(guò)圖9 可以得到，當(dāng)天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%時(shí)，預(yù)冷器內(nèi)天然氣的露點(diǎn)溫度為-12.50 ℃，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，露點(diǎn)溶液的pH 值分別為4.12、4.03、3.97、3.92 和3.88，輕組分天然氣中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)從1.0%變化到3.0%并不會(huì)對(duì)天然氣的露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型造成影響，但露點(diǎn)溶液的pH值會(huì)隨著CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加而降低，即露點(diǎn)溶液對(duì)設(shè)備的腐蝕性會(huì)逐漸增強(qiáng)，符合氣體溶解規(guī)律。綜合以上兩個(gè)因素來(lái)看，天然氣壓力的升高以及天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加都會(huì)使露點(diǎn)溶液的pH 值降低，對(duì)預(yù)冷器造成的露點(diǎn)腐蝕情況越來(lái)越嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本研究利用Aspen Plus軟件進(jìn)行了天然氣露點(diǎn)的定量分析，得出天然氣單循環(huán)混合制冷劑液化系統(tǒng)中預(yù)冷器內(nèi)水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)之間的定量區(qū)別，并分析了天然氣壓力和天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型以及露點(diǎn)溶液pH值的影響，得出以下結(jié)論：

（1）5 MPa、40 ℃輕組分天然氣在冷卻過(guò)程中，預(yù)冷器內(nèi)露點(diǎn)溫度為-12.50 ℃，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)，在-13.0～-12.0 ℃內(nèi)露點(diǎn)溶液的pH 值最低能夠達(dá)到3.88，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕；輕組分天然氣中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的C6重組分不會(huì)對(duì)露點(diǎn)造成影響，其露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型和露點(diǎn)溶液pH值均與輕組分天然氣相同。

（2）輕組分天然氣中分別含有物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的C7、C8重組分時(shí)，預(yù)冷器內(nèi)露點(diǎn)溫度為-15.65 ℃、-12.25 ℃，露點(diǎn)類型為水露點(diǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕；輕組分天然氣中含有物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02%的C9重組分時(shí)，預(yù)冷器內(nèi)露點(diǎn)溫度為5.40 ℃，露點(diǎn)類型為烴露點(diǎn)，不會(huì)對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備造成露點(diǎn)腐蝕。

（3）輕組分天然氣壓力為1 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa 和5 MPa 時(shí)，預(yù)冷器內(nèi)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度分別為-24.35 ℃、-17.85 ℃、-14.75 ℃、-13.15 ℃和-12.50 ℃，即露點(diǎn)溫度會(huì)隨著天然氣壓力的增加而升高，但露點(diǎn)類型一直為水露點(diǎn)，露點(diǎn)溶液的pH值分別為4.17、4.03、3.96、3.92 和3.88，對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備的露點(diǎn)腐蝕程度逐漸增強(qiáng)。

（4）輕組分天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%時(shí)，預(yù)冷器內(nèi)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度均為-12.50 ℃，露點(diǎn)類型均為水露點(diǎn)，即CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%～3.0%并不會(huì)對(duì)露點(diǎn)溫度、露點(diǎn)類型造成影響，但其對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溶液pH 值分別為4.12、4.03、3.97、3.92 和3.88，即露點(diǎn)溶液pH 值隨著輕組分天然氣中CO2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加而降低，同樣對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備的露點(diǎn)腐蝕程度逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)以上研究結(jié)果，可以通過(guò)向天然氣中增添微量C9以及C10+重組分來(lái)防止預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，同時(shí)也可以通過(guò)降低天然氣壓力或減少天然氣中CO2的含量來(lái)緩解露點(diǎn)腐蝕對(duì)預(yù)冷器內(nèi)相關(guān)設(shè)備的危害。