航煤管道投產(chǎn)過(guò)程中干燥技術(shù)的應(yīng)用

紀(jì)榮亮

（中航油京津冀管道運(yùn)輸有限公司，天津 300308）

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)供油工程津京第二輸油管道起自天津?yàn)I海新區(qū)塘沽首站，經(jīng)武清站，終于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)，承擔(dān)為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)供應(yīng)航空煤油的任務(wù)。目前管道正在進(jìn)行施工過(guò)程中，2019年建成并投入使用。

航空煤油中含有的游離水，在高空飛行過(guò)程中可能結(jié)冰，冰晶會(huì)堵塞燃油系統(tǒng)管線，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)；水會(huì)引起金屬腐蝕，使設(shè)備設(shè)施強(qiáng)度、剛度降低；水環(huán)境會(huì)為微生物的滋生營(yíng)造條件，微生物的繁殖會(huì)干擾儀器儀表的正常運(yùn)行、嚴(yán)重的會(huì)引起微生物腐蝕。與其他管道相同，航煤管道投產(chǎn)前必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，也可以進(jìn)行水聯(lián)運(yùn)。水試壓或水聯(lián)運(yùn)后，通過(guò)自然排水和清管器清掃，可以去除大部分水分，但在地勢(shì)較低管段的積水和附著在管壁的水膜仍很難通過(guò)機(jī)械的方法加以清除，殘留在管道中水會(huì)與航空煤油摻混，使油品中的含水量超標(biāo)。因此，在管道投油前，可考慮增加管道掃水和干燥環(huán)節(jié)，盡量去除水分殘留，達(dá)到航煤管道運(yùn)行條件。建議投產(chǎn)流程如圖1。

圖1 投產(chǎn)流程

1 管線干燥方案分析

空氣干燥法是采用經(jīng)過(guò)除油、過(guò)濾和脫水，形成露點(diǎn)達(dá)到-40℃的干燥純凈壓縮空氣，利用泡沫清管器輔助對(duì)管線進(jìn)行吹掃干燥，使管道內(nèi)壁附著的水分及管道低洼處積存的液態(tài)水蒸發(fā)，持續(xù)不斷地使用干燥的空氣進(jìn)行置換，將管道內(nèi)的濕空氣排出管外，從而達(dá)到干燥管道的目的。

1.1 最優(yōu)干燥長(zhǎng)度確定

依據(jù)天然氣管線干燥施工的經(jīng)驗(yàn)，每段干燥長(zhǎng)度通常不超過(guò)100km。京津冀輸油管道塘沽-武清、武清-北京的站間距分別為127km和70km，塘沽-武清段需分為兩段進(jìn)行干燥，武清站后按照站間分段干燥即可。

管線干燥過(guò)程發(fā)生的費(fèi)用主要有壓縮機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的電費(fèi)和干燥空氣費(fèi)用以及設(shè)備搬運(yùn)安裝費(fèi)，可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示如下：

其中，F(xiàn)1、F2、F3分別為壓縮機(jī)電力費(fèi)用、干燥氣體費(fèi)用，以及設(shè)備搬運(yùn)安裝費(fèi)。

其中，

η為壓縮機(jī)效率；T為空氣溫度，k；P1為壓縮機(jī)出口壓力，MPa；P2為管道出口壓力，MPa；x為干燥管道的長(zhǎng)度，km；δ是干燥前管道內(nèi)壁水膜厚度，mm；H1為露點(diǎn)為-20℃時(shí)氣體的含水量，g/m3；Q是壓縮機(jī)組流量，m3/d；HS代表飽和空氣的含水量，g/m3；H0為露點(diǎn)為-40℃干空氣的含水量，g/m3；C1是電價(jià)，元/(kW·h)。

其中，t為干燥耗時(shí)，h；Q1為干燥氣體流量，m3/min；可通過(guò)下式計(jì)算得到：

設(shè)備安裝搬運(yùn)費(fèi)與搬運(yùn)距離、設(shè)備安裝費(fèi)用有關(guān)：

其中，L為管道總長(zhǎng)度，km；Y為設(shè)備安裝費(fèi)，元；C是運(yùn)費(fèi)，元。

因此可建立最數(shù)學(xué)模型如下：

該式的最優(yōu)解即為最優(yōu)干燥長(zhǎng)度。

1.2 管道干燥費(fèi)用的影響因素

管道干燥的成本，除電費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、安裝費(fèi)等固定費(fèi)用外，還受清管后殘留水膜厚度、干燥過(guò)程中管道出口壓力等因素的影響。本部分以京津冀管道參數(shù)為例進(jìn)行分析。計(jì)算中假定環(huán)境溫度下飽和空氣含水量為9.309g/m3，露點(diǎn)為-40℃干空氣的含水量0.1192g/m3，壓縮機(jī)效率為48%，電費(fèi)0.6元/(kw·h)，干燥空氣費(fèi)用0.4元/m3，安裝費(fèi)用每臺(tái)套10000元。對(duì)各因素進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）殘留水膜厚度的影響。通過(guò)使用清管器，可以使管道內(nèi)大部分殘留水排出至管外，清管器的作用效果將直接影響管線干燥成本，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)比，分析了不同水膜厚度對(duì)干燥成本的影響趨勢(shì)，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同水膜厚度下的干燥成本

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)水膜厚度越小，干空氣吹掃干燥成本就越小，但在工程實(shí)際中大幅降低水膜厚度不易實(shí)現(xiàn)，通常水膜厚度為0.08～0.1mm。

（2）干燥管段末端出口壓力下的影響。管道干燥時(shí)通常采取微正壓吹掃的方式，末端出口壓力通常不高于0.25MPa，不同壓力下管道干燥成本分析如圖2。

管道出口壓力越大干燥總成本越小。出口壓力在0.1MPa以下時(shí)，升高壓力對(duì)于成本有明顯影響，超過(guò)0.1MPa后，成本降低有限。因此，建議干燥過(guò)程中，選用0.1MPa為適宜出口壓力。

1.3 干燥時(shí)間估算

在確定水膜厚度、管道出口壓力及空壓機(jī)排量后可通過(guò)下面公式計(jì)算管道干燥所花費(fèi)的時(shí)間。

圖2 不同出口壓力下的成本變化

式中，m為管道內(nèi)殘留水的質(zhì)量，單位kg；ω為干空氣的除水能力,單位kg/h；ΔH為質(zhì)量傳輸勢(shì)差，單位kg/h。

當(dāng)水膜厚度在0.08mm的情況下，管道內(nèi)含水量為24864kg。在管道首站及武清站放置干燥設(shè)備，干燥管段長(zhǎng)度分別為127km和70km，計(jì)算干燥時(shí)間如表2。

表2 干燥時(shí)間

2 結(jié)語(yǔ)

以京津冀航煤管道為例，分析了液體管道干燥的初步方案，分析了影響干燥成本的因素。在管道內(nèi)壁殘留水膜厚度為0.08mm，干燥管段末端出口壓力設(shè)定為0.1MPa情況下。外管線干燥成本為約為35萬(wàn)元，干燥時(shí)間約為87小時(shí)。