大沈天然氣管道投運(yùn)初期水合物“冰堵”防治實(shí)踐

代曉東，李晶淼，張　超，趙業(yè)林，孫海燕

(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.中國(guó)石油管道分公司，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)石油管道公司 大連分公司，遼寧 大連 116300)

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·應(yīng)用技術(shù)·

大沈天然氣管道投運(yùn)初期水合物“冰堵”防治實(shí)踐

代曉東1*，李晶淼2，張超3，趙業(yè)林3，孫海燕3

(1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.中國(guó)石油管道分公司，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)石油管道公司 大連分公司，遼寧 大連 116300)

大連—沈陽(yáng)天然氣管道投運(yùn)初期，經(jīng)常會(huì)發(fā)生水合物冰堵現(xiàn)象，運(yùn)行管理中分別采取分輸調(diào)壓裝置電伴熱+保溫、分輸水套爐加熱、干線注醇、夏季清管方法對(duì)冰堵進(jìn)行綜合治理，保障了管道的運(yùn)行安全和東北地區(qū)的供氣任務(wù)。通過(guò)水露點(diǎn)測(cè)試分析，確定了松嵐至營(yíng)口管段的天然氣具有較高的含水量，是冰堵風(fēng)險(xiǎn)管段。以動(dòng)力學(xué)抑制劑KJK-1替代乙二醇，在松嵐輸氣站出站處加注試驗(yàn)，完成了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集分析，確定了KJK-1應(yīng)用效果，為動(dòng)力學(xué)抑制劑在長(zhǎng)輸管道冰堵防治應(yīng)用提供參考。

天然氣管道；投產(chǎn)初期；冰堵防治；動(dòng)力學(xué)抑制劑

氣體水合物是由氣體分子和水分子相互作用，在一定條件下(壓力、溫度、擾動(dòng))形成的外觀似冰的物質(zhì)，其主體分子是水形成的籠狀結(jié)構(gòu)，客體分子(氣體)填充在其中。天然氣水合物是指有天然氣與水在高壓和低溫條件下形成的固態(tài)物質(zhì)，在油氣開(kāi)采、加工和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中都可能存在。

水合物形成需要低溫、高壓和游離水的共同作用。對(duì)于天然氣的管道輸送技術(shù)領(lǐng)域，尤其是新建高壓天然氣管道在投產(chǎn)運(yùn)行的初期，由于：1.試壓水清理不完全，在某些低洼管段有液相殘留水聚集；2.管道閥門、調(diào)壓、過(guò)濾裝置形成的節(jié)流低溫環(huán)境；3.為了提高管道的效率，天然氣管道的運(yùn)行壓力不斷提高等因素導(dǎo)致容易出現(xiàn)水合物“冰堵”現(xiàn)象。天然氣水合物形成的“冰堵”經(jīng)常在管道低洼積水區(qū)、節(jié)流效應(yīng)區(qū)和分輸變徑等處造成堵塞，引起管道運(yùn)行工況波動(dòng)，降低管道輸量或管輸設(shè)備損壞等安全和效率問(wèn)題[1-5]。因此針對(duì)投產(chǎn)運(yùn)行初期冰堵問(wèn)題，從大連—沈陽(yáng)天然氣管道沿途地理和實(shí)際工況入手，分析水合物形成的具體原因，并結(jié)合其他管道冰堵防治的方法[6-8]，分析總結(jié)應(yīng)用于大沈管道天然氣水合物多種防治方法，為新建天然氣管道投運(yùn)初期的冰堵防治提供參考。

1　管線概況[9]

大沈天然氣管道是東北天然氣管道工程的重要組成部分，承擔(dān)著大連LNG碼頭天然氣外輸任務(wù)，設(shè)計(jì)輸量84億m3/a，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，包括5座工藝站場(chǎng)和22座閥室。大沈管道天然氣的主要物性參數(shù)：分子量17.281 g/mol，密度0.7204 kg/m3，熱值35.43 MJ/Nm3，烴露點(diǎn)-40℃。氣質(zhì)組成見(jiàn)表1[9]，氣源基本不含水，從而避免了由氣源攜水造成的冰堵問(wèn)題。

表1　大沈管道天然氣氣源

表2　管道沿線區(qū)域平均地溫

管道所經(jīng)之地為高緯度地區(qū)，寒冷期長(zhǎng)，全年超過(guò)100 d氣溫低于0 ℃，極端最低氣溫可達(dá)-30℃，低溫有利于水合物的形成，可能造成地表管道的凍堵。管道沿程的地溫見(jiàn)表2，地溫整體不高，可能引起低洼積水管段冰堵現(xiàn)象。大沈管道2011年11月投入運(yùn)行，目前運(yùn)行壓力在6～9 MPa，輸量4～7億m3/a。運(yùn)行壓力高，有利于水合物的形成；輸送任務(wù)重，不宜通過(guò)降壓輸送控制水合物形成。另外，從大沈管道的高程圖[9]可以看出，從新港站出站開(kāi)始到17#閥室，管道高程變化較大，最高點(diǎn)松嵐站海拔157 m，閥室間海拔落差可達(dá)120 m。較大的落差和管道起伏加劇了流體的湍流，擾動(dòng)劇烈，有利于水合物形成。

根據(jù)大沈天然氣管道的氣質(zhì)、沿途地理、運(yùn)行工況等，結(jié)合運(yùn)行管理部門的統(tǒng)計(jì)，綜合分析得出：

1.管道冰堵水源主要來(lái)自于試壓水；2.干線管道冰堵主要發(fā)生在松嵐站至17#閥室之間；3.松嵐、營(yíng)口、沈陽(yáng)站內(nèi)工藝調(diào)壓工藝區(qū)和分輸冬季容易發(fā)生冰堵；4.夏季清管作業(yè)，由于清管器前后節(jié)流，產(chǎn)生水合物。

2　防治措施

綜合水合物生成的條件和過(guò)程原理，借鑒天然氣管道冰堵防治經(jīng)驗(yàn)，大沈天然氣管道和管道站場(chǎng)內(nèi)工藝區(qū)冰堵防治主要采用了4類方法：1.重點(diǎn)工藝和設(shè)備區(qū)，采用電伴熱和保溫，使局部表面的溫度高于水合物形成的溫度；2.分輸管線，采用電加熱或燃?xì)饧訜幔固烊粴鉁囟雀哂谒衔镄纬傻臏囟龋?.干線管道低洼處，采用站場(chǎng)注入醇類(甲醇、乙二醇等)抑制劑，醇類同游離水結(jié)合，降低水合物形成溫度，使工藝運(yùn)行條件一直處于水合物生成的條件區(qū)間之外；4.干線管道清管作業(yè)，清除管道內(nèi)積水和雜質(zhì)，但清管過(guò)程容易發(fā)生冰堵。

2.1電伴熱和保溫

對(duì)于輸氣站場(chǎng)的調(diào)壓、分輸工藝區(qū)關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵部位，大沈管道調(diào)壓輸氣站均采用了纏繞電伴熱和覆蓋保溫層措施，一定程度上起到了防止閥門等部位的凍堵。但由于電伴熱或保溫僅限于局部，且加熱效果有限，在遇到極端條件時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)閥門部件凍堵，需現(xiàn)場(chǎng)淋澆熱水或暫時(shí)停輸切換至備用線。

圖1　站場(chǎng)電伴熱帶和保溫

2.2電加熱和燃?xì)饧訜?/p>

大沈管道全線站場(chǎng)都設(shè)計(jì)了分輸加熱水套爐(圖2)，在調(diào)壓前對(duì)天然氣進(jìn)行加熱，提高了輸氣溫度，降低了水合物的可能性。水套爐或電加熱器需要消耗燃?xì)夂碗娔埽焕诠?jié)能環(huán)保；同時(shí)，由于輸氣溫度提高，影響了輸氣效率。

圖2　分輸管線水套爐和電加熱系統(tǒng)

2.3注熱力學(xué)抑制劑

圖3　大沈線注醇現(xiàn)場(chǎng)

除第一個(gè)冬季，大沈天然氣管道在2012～2014年，每年冬季都在各站出站處注入乙二醇預(yù)防干線管道的冰堵發(fā)生。全線站場(chǎng)均配備了注醇裝置(圖3)，每個(gè)冬季乙二醇的消耗量在70～150 t。乙二醇進(jìn)入管道后，經(jīng)氣流夾帶，一部分在低洼積水處同水混合，有效地提高了水合物生成的條件，預(yù)防水合物形成；一部分隨氣流流動(dòng)，由過(guò)濾分離裝置排污，其余進(jìn)入消費(fèi)終端。醇類熱力學(xué)抑制劑的加注量較大(占含水量的10%～60%)，而且低溫條件下，乙二醇粘度較大，不易分散，影響使用效果。

2.4清管作業(yè)[10-11]

由于在投產(chǎn)運(yùn)行初期出現(xiàn)了多次的冰堵現(xiàn)象，運(yùn)行管理部分在夏季開(kāi)展清管作業(yè)。從清管器運(yùn)行情況和收球情況看，管道內(nèi)部分管段積水較多，松嵐站到營(yíng)口站區(qū)間，共清出積水5m3，還有部分粉末雜質(zhì)。同時(shí)，由于清管球運(yùn)行過(guò)程中兩端存在壓差，形成節(jié)流效應(yīng)，易在清管過(guò)程中形成水合物，清管球出現(xiàn)損壞。

圖4　收球筒清管球接收情況

3　動(dòng)力學(xué)抑制劑應(yīng)用情況

根據(jù)MiChell露點(diǎn)儀測(cè)試的管輸天然氣的水露點(diǎn)計(jì)算了含水率[13-14]，結(jié)果見(jiàn)表3。松嵐站至10#閥室管段，含水量提高，10#閥室出現(xiàn)最大含水量，分析這是由于該管段地勢(shì)起伏大，存在低洼段積水，并由天然氣夾帶。13#閥室至營(yíng)口站之間由于管道地勢(shì)平緩，含水量較為穩(wěn)定。由于管道低洼處仍有部分殘留水存在，同時(shí)冬季輸氣溫度低、輸量大、壓力高，具有水合物形成條件，存在冰堵風(fēng)險(xiǎn)。

醇類熱力學(xué)抑制劑通過(guò)改變水和氣體分子之間的熱力學(xué)平衡條件，降低水合物生成的溫度來(lái)抑制水合物形成。動(dòng)力學(xué)抑制劑[12]并不改變熱力學(xué)平衡條件，而是干擾水合物形成的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，具有用量小(0.5%～2%)、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，是水合物防治的研究熱點(diǎn)之一?；诠艿揽萍贾行南嚓P(guān)研究成果[9]：動(dòng)力學(xué)抑制劑KJK-1阻礙水合物的形成，在低于水合物平衡溫度8 ℃時(shí)，抑制時(shí)間超過(guò)10 h，之后仍有效延緩水合物的生成過(guò)程。假設(shè)大沈線冬季運(yùn)行溫度取為3℃，天然氣組分為甲烷，結(jié)合含水量、過(guò)冷度，計(jì)算不同壓力時(shí)乙二醇和KJK-1占含水量的百分比見(jiàn)表4。在相同的過(guò)冷度和水合物形成條件下，KJK-1的用量更小。

表3　含水量和計(jì)算水露點(diǎn)

表4　乙二醇和KJK-1用量比較

根據(jù)表4和室內(nèi)相關(guān)研究成果，結(jié)合管道運(yùn)行工況制定了KJK-1替代乙二醇現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，2014年1月在大沈管道松嵐輸氣站進(jìn)行KJK-1動(dòng)力學(xué)抑制劑現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。分析相關(guān)數(shù)據(jù)表明：抑制劑可以有效地被天然氣夾帶，并同水分子結(jié)合，降低水合物形成溫度，延緩水合物形成，具有用量低，效果優(yōu)于乙二醇的特點(diǎn)，可節(jié)約40%以上的注入費(fèi)用。此次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)為動(dòng)力學(xué)抑制劑在長(zhǎng)輸管道投運(yùn)初期的水合物防治工作提供了參考和相關(guān)數(shù)據(jù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家天然氣相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量新建管道逐漸投入運(yùn)行，受試壓、氣源、氣候、管道沿途地質(zhì)等因素影響，在投產(chǎn)運(yùn)行初期經(jīng)常出現(xiàn)冰堵情況，影響管道的運(yùn)行安全和輸送效率，因此冰堵的防治一直是天然氣管道運(yùn)行部門重點(diǎn)工作和研究的熱點(diǎn)。結(jié)合其他管道的應(yīng)用成果，大沈天然氣管道分別采取了分輸調(diào)壓裝置電伴熱+保溫、分輸水套爐加熱、干線注醇、夏季清管等方法綜合治理和預(yù)防投運(yùn)初期的冰堵現(xiàn)象，完成了輸送任務(wù)，保障了東北地區(qū)的天然氣供應(yīng)。同時(shí)，結(jié)合科研項(xiàng)目，通過(guò)KJK-1動(dòng)力學(xué)抑制劑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)水露點(diǎn)和含水量的測(cè)試分析，計(jì)算抑制劑用量，試驗(yàn)期間采集了輸氣溫度、壓力、氣溫、水露點(diǎn)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)動(dòng)力學(xué)抑制劑在長(zhǎng)輸管道適應(yīng)性應(yīng)用研究提供了參考。

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一種便攜式氮?dú)獯祾邫z漏抽真空

充氣設(shè)備及使用方法

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201610330692.5

公開(kāi)(公告)日：2016-08-17

申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津栢奕容科技發(fā)展有限公司

摘要：一種便攜式氮?dú)獯祾邫z漏抽真空充氣設(shè)備，其特征在于：包括依次連接的氮?dú)庠础毫φ{(diào)節(jié)器，以及調(diào)控整個(gè)套裝的控制盒和塑料氣體管路。所述的氮?dú)庠础毫φ{(diào)節(jié)器、控制盒及兩根塑料氣體管路放置在包裝箱內(nèi)。使用時(shí)將氮?dú)庠?、壓力調(diào)節(jié)器和控制盒連接；所述控制盒上路系設(shè)有氣路接口Ⅰ和氣路接口Ⅱ，其中氣路接口Ⅰ與充氣閥通過(guò)塑料氣體管路連接，所述氣路接口Ⅱ通過(guò)塑料氣體管路與待檢測(cè)的光電裝置連接。所述控制盒還設(shè)有數(shù)字壓力表、三位氣流分配閥、智能真空泵、電源開(kāi)關(guān)、電源顯示燈。有益效果：小型化、模塊化、柔性化的組裝方式，實(shí)現(xiàn)集吹掃、抽真空、檢漏和充氮于一體的多功能；還能方便靈活地更換部件，改變和提高套裝的性能。

自動(dòng)氣瓶轉(zhuǎn)換裝置和用于

監(jiān)測(cè)氣體設(shè)備的方法

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201510031773.0

公開(kāi)(公告)日：2016-08-17

申請(qǐng)(專利權(quán))人：AIUT有限責(zé)任公司

摘要：本發(fā)明涉及一種自動(dòng)氣瓶轉(zhuǎn)換裝置(1)，包括：用于安裝氣瓶組的兩個(gè)氣體入口，即左氣體入口和右氣體入口；通過(guò)其可以將氣體排出的氣體出口；和閥，所述閥適合于將左進(jìn)氣口或者右進(jìn)氣口與氣體出口連接，并且配置用于在這兩種連接之間自動(dòng)地可逆切換，所述裝置(1)的特征在于包括：指示器，所述指示器適合于手動(dòng)地設(shè)置在兩個(gè)不同位置中的一個(gè)處，所述位置中的一個(gè)指示左進(jìn)氣口，所述位置中的另一個(gè)指示右進(jìn)氣口；和用于檢測(cè)指示器的位置的機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)包括至少一個(gè)傳感器(5)、優(yōu)選一對(duì)傳感器(5)。本發(fā)明還涉及用于監(jiān)測(cè)配有這種自動(dòng)氣瓶轉(zhuǎn)換裝置的氣體設(shè)備的方法。

Practice of The Inhibiting Ice Block by Natural Gas Hydrate for Dalian-Shenyang Natural Gas Pipeline at The Beginning of Production

DAI Xiaodong1*, LI Jingmiao2, ZHANG Chao3, ZHAO Yelin3, SUN Haiyan3

(1.ShengLi College, China University of Petroleum, Dongying 257061, China; 2.PetroChina Pipeline Company,Langfang 065000, China; 3.Dalian Branch, PetroChina Pipeline Company, Dalian 116300, China)

At the beginning of production, ice block caused by natural gas hydrate appeared frequently for Dalian-Shenyang natural gas pipeline. So, four methods were used to guarantee the throughput of northeast of China. Electric heating and insulating layer were adopted for pressure regulator, and water jacket furnace was adopted for transmission line, and ethylene glycol was injected for trunk line, and pigging operation was used in summer. Through analysis to dew point of natural gas, it was confirmed that ice block could be probably occur for pipeline between Songlan to Yingkou. Then dynamic inhibitor KJK-1 was added to trunk pipeline at the outlet of Songlan station. Basic data of experiment were collected and analyzed, good results were confirmed for KJK-1, and it would also provide consultation for dynamic inhibitor using for natural gas trunk line.

natural gas pipeline; starting operation period; inhibit of ice block; dynamic hydrate inhibitor

2016-06-27

TE832

A

1007-7804(2016)04-0037-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.011

代曉東(1980)，男，副教授，遼寧瓦房店人。2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，博士，現(xiàn)主要從事油田化學(xué)劑和納米材料方向的研究工作。地址：山東省東營(yíng)市北一路739號(hào)，郵編：257061。電話：13884920227，E-mail：xiaodongdai1980@163.com。