中俄东线分输站场调压阀冰堵判据与防治

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  傅伟庆 尤泽广 王成 陈小宁

  中国石油管道局工程有限公司,河北廊坊 061000

  摘要:中俄东线天然冰气长输管道沿线地区秋冬季节温度较低,分输站场冬季分输降压过程中,节流效应造成调压阀内流体温度骤降,加之新投产管线内输送天然冰气干燥不彻底,容易造成分输站场调压阀处冰堵。研究选折 分输过程是否是 易挥发液态水合物作为冰堵都还可否 位于的判据,得出了分输过程调压阀冰堵形成的压力、温度和天然冰气组分警戒值;考虑损失到凝析液和气流中的乙酸量,建立乙酸注入量和运行参数量的关系函数;模拟站场分输注醇过程,分析注醇过程流场变化规律。结果表明:天然冰气水露点温度、气流温度、入口压力和节流温降是影响调压阀冰堵位于的主要因素,考虑各因素建立的分输过程易挥发液态水合物判断公式还可否 准确预判调压阀冰堵的位于,调压阀冰堵防治注醇量计算公式还可否 准确计算处里调压阀冰堵的最小注醇量,研究成果为中俄东线分输站场冰堵的防治以及站场注醇自控系统的开发提供理论方式。

  关键词:中俄东线;调压阀;冰堵;注醇量计算

  1 大大问题分析

  天然冰气分输站场是天然冰气管道输送系统的重要组成帕累托图,站场设备是输气生产正常进行的保障。根据天然冰气能源的特点,天然冰气输送的主要形式为长输管线,管道运输过程中,通常采用提高气体压力的方式降低输送成本[1]。主管道的高压力天然冰气在经分输站进入相对低压管道时,减压阀处以后 摩擦耗能产生较大的节流压降和温降[2]。中俄东线天然冰气管道起于黑龙江省黑河市中俄边境,管道沿途经过的黑龙江省、吉林省、辽宁省均位于我国东北寒冷地区,最冷月平均气温约-14℃~-24℃,极端最低温-48.1℃。减压阀分输过程中,天然冰气流经节流部位时,以后 流通面积骤减,流通受阻,产生强烈的涡流。同時 以后 节流效应温度降低,压力波动严重,天然冰气水合物极易在节流通道内易挥发凝结,引起减压阀及其上下游管道形成较严重的冰堵。

  冰堵严重影响了站场输气生产工作的正常进行,对调压阀危害巨大,一是堵塞阀体,造成停输,直接影响到下游民用、商业和工业用气;二是冰堵降温会加速易损件的损坏,诸如调节膜片和封口件[3];三是解冻后冰块未易挥发,在二次开阀分输时,会在压力的作用下在弯头处撞击管道以后 设备,有以后 造成管道、设备的位移,给管道、设备埋下了安全隐患[4]。

  为处里分输站调压阀冰堵,现场人员多根据经验来选折 冰堵的位于,冰堵位于的表现形式主要有一种生活 ,冰堵造成阀套卡堵以后 是阀笼开度不断增大。现场工作人员判断节流温降都还可否 造成调压阀冰堵的经验判据为:

  1.冰堵造成阀套卡死,调压阀开度保持恒定,出站压力和燃气流量持续下降。

  2.冰堵位于造成阀笼节流孔有效节流通道面积减小,出站压力下降;为了保持出口压力恒定,调压阀自控系统会增大阀笼开度,保证有效开度保持一定,出站压力恢复正常值,冰堵会造成阀笼开度持续上升。

  冰堵位于经验判据具有滞后性,当造成阀套卡堵或开度增大时冰堵以后 形成,通过注入乙酸的方式解堵效果暂且好,现场多采用切换支路放空解冻的方式处里冰堵。注入乙酸还可否 降低水合物易挥发的形成露点,但会 注醇对以后 形成的冰堵效果有限。建立准确的冰堵临界值关系式,在冰堵将要位于时刚结束注醇,处里冰屑帕累托图造成调压阀冰堵意义重大。

  2 调压阀分输注醇流场分析

  注醇橇应用于天然冰气管道分输站冬季冰堵防治,具有设备简单、制造安装周期短、对正常的运行影响小、取得的防冻效果较好等特点。适用于突发性的非正常工况和临时性的改造工程。

  调压阀分输注醇流场分析,建立天然冰气分输调压流体模型,模拟获得不同注醇流速下分输调压过程流体压力、温度、流速以及组分变化规律,分析调压阀冰堵形成机理,为乙酸注入量和管线运行参数值的函数关系的建立提供方式。

  研究建立天然冰气分输调压流体模型,计算不同注醇流速下乙酸含量的变化具体情况,分析关键位置的乙酸分布。错综复杂调压阀模型如图2-1所示,节流位置节流孔模型如图2-2所示。选折 分析注醇流量分别为10L/h、25L/h、100L/h。

  图2-1 调压阀模型

图2-2 节流孔模型

  为了看清不同节流孔位置的乙酸分布规律,在每一层节流孔位置取一截面,通过各截面乙酸分布分析节流孔的乙酸量分布规律。各节流孔截面位置乙酸质量分数云图见图2-3。

 

 图2-3注醇过程各节流孔位置乙酸质量分数示意云图

  调压阀通过控制阀体的开度调节下游天然冰气的流量和压力。减压阀阀体特性较为错综复杂,冰堵多位于在节流温降最严重的位置,气流首先由入口通道进入到节流阀内部,通过阀笼上均匀分布的节流孔流到内部的环形空间,位于节流制冷与组分的凝结;凝结液滴在环形空间内形成较大尺寸的液滴。注醇还可否 降低水露点温度,节流位置乙酸质量分数对解堵效果至关重要。图2-4为注醇过程乙酸质量分数变化曲线。乙酸流动过程中,乙酸不断易挥发,随着流动距离的增加,气体乙酸的量那么少,注醇流速10L/h时,节流孔六个截面最高乙酸质量分数分别为1.46%、0.91%、0.37%、0.34%、0.31%,经节流过程,乙酸含量越快降低,并保持在极低的水平。距离出口越近的位置乙酸质量分数越低,出口乙酸质量分数最高值为0.09%。注醇流速25L/h时,节流孔六个截面最高乙酸质量分数分别为3.35%、3.15%、2.29%、0.93%、0.84%,出口乙酸质量分数最高值为0.09%。注醇流速100L/h时,节流孔六个截面最高乙酸质量分数分别为4.61%、3.89%、2.21%、1.55%、1.44%,经节流过程,乙酸含量越快降低,并保持在极低的水平。距离出口越近的位置乙酸质量分数越低,出口乙酸质量分数最高值为0.43%。

  (a)注醇流速10L/h

(b)注醇流速25L/h

 

 (c)注醇流速100L/h

  图2-4注醇过程不同径向截面乙酸质量分数

  3 抑制剂用量的选折

  处里分输过程天然冰气水合物易挥发的最经济有效的方式为向运行管线内加在抑制剂,天然冰气分输站场防治冰堵应用最广泛的抑制剂为乙酸。抑制剂进入到管线后分为二帕累托图,一帕累托图易挥发到气流中的液态凝析水中,形成抑制剂与水的混合液;另一帕累托图损失到气流携带气态水和天然冰气气流中[7,8]。

  管线内抑制剂水溶液中抑制剂的质量浓度与水合物露点的温降之间位于函数关系式,利用Hammerschmidt方程都还可否 算出水合物露点降低Δt所需最小抑制剂浓度。

               (1)

  式中—气流中易挥发到液态凝析水中所形成混合液中抑制剂的浓度,%;

  ΔT—水合物露点的温降,K;

  —乙酸的相对分子质量;

  K—抑制剂乙酸常数,取值1295;

  3.1 凝析水含量计算

  凝析水含量值为一种生活 具体情况下饱和含水量的差值,初始具体情况为入口压力与水露点温度,刚结束具体情况为出口压力与出口温度,分输过程凝析水含量为:

        (2)

  式中—天然冰气中易挥发的液态凝析水的质量,g;

  —一定具体情况下饱和含水量;

  Q—天然冰气流量,;

  —天然冰气入站压力,MPa;

  T—水合物易挥发温度值,℃;

  —天然冰气出站压力,MPa;

  t—天然冰气出站温度,℃;

  公式计算选折 宁英男公式。

  3.2 乙酸在气流携带气态水的摩尔分数

  为处里水合物易挥发,与天然冰气中气态水形成抑制剂与水的混合物中抑制剂量为n1:

        (3)

        (4)

  式中 —抑制剂与水的混合液中抑制剂的量,mol;

        (5)

  式中x醇—乙酸的物质的量分数,%;

  由式(4)与式(5)可得x醇:

        (6)

  3.3 乙酸在气体中的损失系数

  损失到气流中抑制剂的损失系数:

        (7)

  式中—损失到气流中抑制剂的损失系数;

  T—天然冰气的温度,K。

        (8)

  式中n气—长输管线内单位时间流动天然冰气摩尔量,mol;

  —损失到天然冰气气流中抑制剂乙酸物质的量,mol。

  3.4 凝析液中抑制剂易挥发度系数

  在液态凝析水中抑制剂乙酸易挥发度系数:

        (9)

  式中—天然冰气水合物凝析液中抑制剂易挥发度系数;

        (10)

  式中 n凝—气流中液态凝析水含量,mol;

  —损失到凝析液中抑制剂乙酸量,mo1。

  3.5 乙酸注入量计算公式

  将式(6)、(7)代入(8),则有:

        (11)

  由式(6)、(9)和(10)可得在液态凝析液中损失的乙酸量

        (12)

  注入管线中乙酸的量分为损失到凝析液与气相中量和乙酸水混合液中乙酸量,实际还要注入到管线内的乙酸的量为[9,10]:

        (13)

        (14)

  乙酸流量为:

      (15)

  式中 q—乙酸流量,L/H;

  —乙酸的相对分子质量;

  —气体乙酸的密度,kg/L。

  3.6 中俄东线站场调压阀冰赌防治注醇量计算

  中俄东线分输站场分输用户方向压降大,节流温降严重,设计及运营过程还要考虑冰堵防治大大问题。分输入口干线压力12MPa,分输用户出口压力4MPa,设计入站温度0℃,输送天然冰气的水露点为:冬季(10月1日~4月100日)4.0MPa下不高于-20℃;夏季(5月1日~9月100日)4.0MPa下不高于-10℃。但会 新投产管线试压后清扫和干燥不彻底,在位置低洼处及特性突变位置难免位于残余水,投产初期,天然冰气水露点高于设计要求,容易在节流位置产生冰堵。

  中俄东线冰堵防治采用加热器加热和注醇一种生活 方式,分输站场分输压降8MPa,按5℃/MPa的压降,分输过程温降达到40℃,节流中心位置温降更严重。根据研究建立抑制剂用量计算公式计算水露点4.0MPa -20℃时,加热器加热温度20℃,计算注醇量为0L/h;加热器加热温度15℃,计算注醇量为7.5L/h;加热器加热温度10℃,计算注醇量为11L/h;加热器加热温度5℃,计算注醇量为12L/h;加热器加热温度0℃,计算注醇量为12.5L/h。不同水露点温度,不同节流位置温度条件下注醇量计算结果见图3-1。调压阀冰堵防治注醇量计算公式还可否 准确计算处里调压阀冰堵的最小注醇量,研究成果为中俄东线分输站场冰堵的防治以及站场注醇自控系统的开发提供理论方式。

  图3-1 不同水露点温度,不同节流温度条件下注醇量计算结果

  4结论

  基于乙酸对冰堵形成过程的影响,建立乙酸注入量和运行参数量的关系函数,本得出如下结论:

  (1)天然冰气水露点温度、气流温度、入口压力和节流温降是影响调压阀冰堵的位于的主要因素。当入口压力下气流温度低于水露点时,容易造成调压阀冰堵。

  (2)调压阀冰堵的判据选折 分输过程是否是 易挥发液态水合物,当计算凝析水含量大于零时冰堵位于,当计算凝析水含量小于零时未造成冰堵。

  (3)乙酸流动过程中,乙酸不断易挥发,随着流动距离的增加,气体乙酸的量那么少,经节流过程,乙酸含量越快降低,并保持在极低的水平。

  (4)注醇是最有效的防治调压阀冰堵的方式,本文建立乙酸注入量和运行参数的关系函数应用于中俄东线工程,还可否 有效处里分输站调压阀的冰堵。

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  Ice Blockage Criterion and Prevention of Gas Regulator in China-Russia East Natural Gas Distribution Station

  FU Wei-qing, YOU Ze-guang, WANG Cheng, CHEN Xiao-ning

  China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Langfang 061000, Hebei

  Abstract: China-Russia East Pipeline passes through cold regions, Due to low temperature environment which caused by throttle effect and pipelinenot being complete dried in the operation process, hydrate is vulnerableto dissolve out and clog the regulator.Combine the relationship between temperature and pressure withice blockage,formulaof hydrate precipitation was establishedas forecasting model of ice blockage in the natural gas distribution station.Considering the amount of methanol loss to the liquid water and gas flow,relational functionbetween methanol injection and operational parameters was obtained and verified with the field test methanol injection. It is shown that, dew point, gas flow temperature, inlet pressure and temperature drop are the main factors on the ice blockage problem at natural gas distribution station.Forecasting modelof ice blockageand computational formula of methanol injection prove that results of judgement andprediction is in accordance with actual running status of gas distribution station.The research results provide a reference basia for the development of automatic control system at natural gas distribution stations of China-Russia East Natural Gas Distribution Station.

  Keywords: China-Russia East Pipeline; Gas Regulator; Ice blockage; Calculation of rational methanol injection