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燃料氣區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)隱患分析及優(yōu)化措施

文檔作者：白建雄，黃龍暉，杜晶磊，王鐵，郝振利文檔來源：中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月17日
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★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★
燃料氣區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)隱患分析及優(yōu)化措施
白建雄，黃龍暉，杜晶磊，王鐵，郝振利
(中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司，陜西西安710000)
摘要：蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)經(jīng)兩級(jí)調(diào)壓為壓縮機(jī)提供平穩(wěn)可靠的燃料氣。
天然氣經(jīng)調(diào)壓系統(tǒng)節(jié)流后溫度劇降，天然氣水合物極易在節(jié)流通道內(nèi)析出凝結(jié)，若調(diào)節(jié)系統(tǒng)
冰堵將對(duì)下游壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行形成安全隱患，所以必須保證調(diào)壓系統(tǒng)的安全性。在控制經(jīng)費(fèi)
的情況下，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施進(jìn)行優(yōu)化論證，采用渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?VPGH)，可有效
防止調(diào)節(jié)系統(tǒng)冰堵的發(fā)生，應(yīng)密切關(guān)注化學(xué)劑表面改性技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)建議在主副管線上
將手動(dòng)球閥改成氣動(dòng)球閥，加快切換速度。
關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)流防冰堵渦流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞鞅砻娓男詣?
輸氣管線高壓、密閉、節(jié)流，致使輸氣過
程中很容易生成水合物?。蘇里格第三天然氣
處理廠配氣區(qū)l號(hào)高壓配氣匯管來氣至燃料氣區(qū)高
壓燃?xì)鈪R管，經(jīng)過兩級(jí)調(diào)壓(4．8-2．4-0．55 MPa)為
壓縮機(jī)提供穩(wěn)定可靠的氣源。調(diào)壓過程可以近
似看作是一個(gè)絕熱膨脹過程，天然氣氣流經(jīng)節(jié)
流部位時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，由于節(jié)流效應(yīng)溫
度降低，天然氣水合物極易在節(jié)流通道內(nèi)析出
凝結(jié)，凍堵過程是個(gè)漸進(jìn)過程，中央控制室不
易判斷，調(diào)節(jié)系統(tǒng)冰堵會(huì)對(duì)下游壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)
行形成安全隱患，所以必須保證調(diào)壓系統(tǒng)的安
全性。
l燃料氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題分析
蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)調(diào)壓系統(tǒng)
在下游出口安裝了緊急放空系統(tǒng)和安全閥，具有
足夠的泄放能力，可快速泄壓，保證氣體壓力不
會(huì)超過氣體調(diào)壓系統(tǒng)下游最大偶然出現(xiàn)的壓力
MIPd(Maximum downstream incidental pressure)，
可以認(rèn)為是氣體調(diào)壓系統(tǒng)的第二級(jí)安全裝置。氣
體調(diào)壓系統(tǒng)則只設(shè)置一個(gè)安全保護(hù)裝置，即安全
截?cái)嚅y(SSV)，未設(shè)置第一級(jí)安全裝置監(jiān)控調(diào)節(jié)
閥(PVC)，因此蘇里格第三天然氣處理廠壓力控
制系統(tǒng)采用安全截?cái)嚅y(SSV)+工作調(diào)壓閥
(PV)，為二級(jí)調(diào)壓提供了空間并保證了調(diào)壓系
統(tǒng)超壓時(shí)的安全性，但調(diào)壓系統(tǒng)缺少低壓保護(hù)，
在調(diào)壓節(jié)流降溫時(shí)，天然氣水合物極易在節(jié)流
通道內(nèi)析出，凝結(jié)冰堵，冰堵是個(gè)漸進(jìn)過程，
中央控制室很難發(fā)現(xiàn)。蘇里格第三天然氣處理
廠燃料氣至增壓站氣量為3 390 Nm3／h，高壓燃
料氣匯管容積不大，主副管線都采用手動(dòng)球閥，
調(diào)節(jié)閥嚴(yán)重凍堵時(shí)，切換備用管線明顯滯后，
致使管線停輸，給壓縮機(jī)安全運(yùn)行埋下安全
隱患。
2存在問題分析
2．1調(diào)節(jié)系統(tǒng)凍堵形成機(jī)理
2．1．1調(diào)節(jié)壓系統(tǒng)節(jié)流效應(yīng)簡(jiǎn)介
天然氣在調(diào)節(jié)閥流通通道中經(jīng)過突然縮小的
斷面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，使壓力下降，這種現(xiàn)象
稱為節(jié)流。氣體通過閥籠縮孔時(shí)流速很高與外界
熱交換一般很小(可忽略)，節(jié)流過程視為絕熱過
程舊J。節(jié)流膨脹是氣體通過多孑L塞或閥門從高壓
到低壓做不可逆絕熱膨脹時(shí)溫度發(fā)生變化的
現(xiàn)象‘3|。
收稿日期：2017-04—18
作者簡(jiǎn)介：白建雄，男，2004年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大
學(xué)動(dòng)物科學(xué)專業(yè)，學(xué)士，主要從事天然氣工藝和質(zhì)
量培訓(xùn)工作，已發(fā)表論文多篇，工程師。電話：
17704874691，E．mail：15008602489@163．tom
萬方數(shù)據(jù)
2．1．2節(jié)流降溫原理
節(jié)流效應(yīng)的大小用山(絕熱節(jié)流系數(shù))表示，
當(dāng)節(jié)流后溫度降低時(shí)，山>0，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)；
當(dāng)節(jié)流后溫度升高時(shí)，山<0，產(chǎn)生節(jié)流熱效應(yīng)；
對(duì)于理想氣體，節(jié)流前后溫度不變，山=0，產(chǎn)生
零效應(yīng)。天然氣不是理想氣體，所以排除零效
應(yīng)。天然氣流經(jīng)調(diào)節(jié)閥閥籠時(shí)，產(chǎn)生摩擦，同時(shí)
調(diào)節(jié)后壓力減小，分子間距增大，位能增加，根
據(jù)能量守恒，外界無能量供給，分子動(dòng)能減少，
溫度降低，山>0，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)。
2．1．3溫降的計(jì)算
蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)調(diào)壓前天然
氣溫度不等于環(huán)境溫度，但是因?yàn)楣芫€經(jīng)地埋一高
架一地埋一露出地面段，與環(huán)境溫度換熱明顯。在
環(huán)境溫度為273 K時(shí)，配氣區(qū)外輸燃料氣區(qū)溫度為
306 K，用紅外線測(cè)溫槍估測(cè)值299 K，至燃料氣區(qū)
天然氣在電伴熱纏繞下估測(cè)為280 K，和環(huán)境溫度
相近，并且蘇里格第三天然氣處理廠極端天氣頻發(fā)
(見表1)，這個(gè)時(shí)候管線天然氣與外部交換熱更加
明顯，因此可以視環(huán)境溫度為調(diào)壓閥前溫度。設(shè)
調(diào)節(jié)閥絕熱減壓后的天然氣溫度為他，
，，． 、譬咒=僅I峰巳I T。(1)
L P ／『
一卜疋硝卜(學(xué))譬】(2)
式中：T1，他——天然氣經(jīng)減壓閥前后的溫度，
K，Tl等于環(huán)境溫度；
A——修正系數(shù)，一般為0．8一O．9；
p1，p2——天然氣經(jīng)減壓閥前后的絕對(duì)壓
力(MPa)；
K——天然氣的等熵指數(shù)；
△p——節(jié)流壓差，MPa；
△T——節(jié)流過程的溫度降，K。
表1 蘇里格第三天然氣處理廠極端氣溫統(tǒng)計(jì)
時(shí)間溫度／℃ 時(shí)間溫度／"C 時(shí)間溫度／℃
2012年2月7日一24 2013年1月2日一26 2014年2月10日一23
2012年12月23日一26 2013年1月3日一30 2014年12月1日
2013年1月1日一26 2014年2月9日一23
孵蚓髓蛹圈嬲鼴鞴睡露霧露譬疊暖疆霹襄
Z 1．4高壓天然氣節(jié)液壓差與溫降的關(guān)系
環(huán)境溫度、入口壓力和節(jié)流壓降是影響節(jié)流
溫降過程的主要因素。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，天然
氣節(jié)流溫降規(guī)律具有一致性：當(dāng)入口壓力和壓降
條件一定時(shí)，環(huán)境溫度越小，節(jié)流溫降越大。降
低環(huán)境溫度增加天然氣水合物的析出，環(huán)境溫度
降低，閥內(nèi)整體溫度降低，相同壓降條件下水合
物的露點(diǎn)不變，水合物開始析出的位置距節(jié)流孔
出口越近，析出時(shí)間越長(zhǎng)，水合物的析出量越
大，這是閥芯、導(dǎo)壓管凍堵的原因所在。依據(jù)算
式計(jì)算制出高壓天然氣節(jié)流前壓力pl、節(jié)流壓差
△p與溫降△T的關(guān)系曲線(圖1)可知：水合物析
出在節(jié)流孑L內(nèi)完成，環(huán)境溫度的升高和節(jié)流壓降
的降低會(huì)減緩節(jié)流溫降，進(jìn)而縮短水合物凝聚析
出時(shí)間，減少節(jié)流過程水合物的析出量。相同壓
降條件下入口壓力越低，節(jié)流溫降越大；在相同
的人口壓力下，節(jié)流壓降越大，節(jié)流溫降越大。圖1 高壓天然氣節(jié)流壓差與溫降的關(guān)系曲線‘4
萬方數(shù)據(jù)
★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★ 2017年第33卷第5期
3調(diào)節(jié)系統(tǒng)防止冰堵措施優(yōu)化
調(diào)節(jié)系統(tǒng)雖然有節(jié)流效應(yīng)，但調(diào)節(jié)閥一般開
度大，存在巨大壓差和強(qiáng)烈氣流沖擊，管線雖有
降溫但不至于凍堵，調(diào)節(jié)閥就不一樣，壓差大，
調(diào)節(jié)閥閥籠和引壓管管徑較細(xì)，氣流量相對(duì)較
小，節(jié)流效應(yīng)的存在，容易造成冰堵。蘇里格第
三天然氣處理廠燃料氣區(qū)目前采用電伴熱帶拆繞
保溫。電伴熱帶長(zhǎng)期置于空氣中，很容易產(chǎn)生潮
濕和積水的現(xiàn)象。電伴熱帶分為恒功率電伴熱帶
和自控溫電伴熱帶的保溫措施。恒功率電伴熱帶
需要溫控器調(diào)節(jié)溫度，溫控器出現(xiàn)故障后，易造
成電伴熱帶過熱現(xiàn)象，不利于管線的安全運(yùn)行；
國(guó)產(chǎn)自控溫電伴熱帶使用壽命較短(約3～4年)壚J，
實(shí)踐表明：第3年時(shí)突發(fā)故障率高，雖然加強(qiáng)巡
檢，仍然有疏漏發(fā)生。有些地區(qū)使用蒸汽加熱，
流程改造難，占地大，耗費(fèi)高，易出故障。這兩
種方式加熱效率低，耗能大，加大員工工作強(qiáng)
度，在極冷溫度下不能根本解決天然氣冷凝冰堵
問題，所以不適合重要調(diào)壓設(shè)備保溫。也有人建
議增加保溫房，但主副管線距離近，空間小，增
加保溫房，不僅影響作業(yè)，而且不美觀。因此上
述三種方案被否定。
3．1調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施第一種方案
應(yīng)用渦流分離技術(shù)，采用成熟的渦流先導(dǎo)燃?xì)?
加熱器(VPGH)，利用天然氣自身調(diào)壓過程產(chǎn)生的
渦流熱，無需外加任何熱源，即可完成對(duì)指揮器的
加熱，從而保證燃?xì)庹{(diào)壓器指揮器的平穩(wěn)運(yùn)行。渦
流先導(dǎo)燃?xì)饧訜崞?VPGH)的核心部件是渦流加熱
器(見圖2)，它在燃?xì)獯嬖趬翰顣r(shí)工作。它將燃?xì)?
減壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫?zé)釟饬?，這個(gè)高溫?zé)釟?
流加熱安裝在渦流加熱器壁上的熱交換器，先導(dǎo)燃
氣通過熱交換器時(shí)被加熱。部分熱氣流也用來加熱
渦流管入口的減壓噴嘴以防止冷凝。
高胍‘i體入口
低壓氣體出口
被加熱氣體出
渦流加熱器
被加熱氣體入
3．2調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施第二種方案
利用短烷基三甲氧基硅烷及短烷基和長(zhǎng)烷基
三甲氧基硅烷有機(jī)溶液浸泡調(diào)壓設(shè)備，改變調(diào)壓
閥表面水的接觸角，也可以有效降低冰堵。天然
氣站場(chǎng)設(shè)備內(nèi)表面水的接觸角通常為30一400，
如果將設(shè)備內(nèi)表面改性成為疏水性表面(0=90—
120。)或超疏水性表面(0=150—1700)，水在改
性后內(nèi)表面結(jié)晶成的形核功將大大增加，水無法
形核結(jié)晶形成冰凍∞J，見圖3。
兩種混合物能與天然氣管道內(nèi)壁以化學(xué)鍵結(jié)
合，調(diào)壓閥內(nèi)表面形成一層致密、穩(wěn)定的疏水和
超疏水分子膜。這層防冰堵膜的厚度僅為幾納米
到數(shù)十納米，不會(huì)改變調(diào)壓閥內(nèi)孔尺寸和形狀，
也不會(huì)影響設(shè)備的正常工作表面改性，用于調(diào)壓
閥冰堵具有一定的應(yīng)用前景。
(a)接觸角0=30。
(b)接觸角0=900
(c)接觸角0=150。
圈3水在不同接觸角表面形核結(jié)晶示袁
3．3調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵優(yōu)化方案選擇
方案二簡(jiǎn)單易行，但目前還屬于前沿研究，
數(shù)據(jù)多為實(shí)驗(yàn)室提供，設(shè)備上應(yīng)用還沒有大數(shù)據(jù)
支持，不過如果技術(shù)成熟，應(yīng)用前景廣泛。
方案一技術(shù)成熟，其特點(diǎn)是：
1)節(jié)能環(huán)保：利用燃?xì)鉁p壓產(chǎn)生的渦流熱加
熱先導(dǎo)燃?xì)?。可將先?dǎo)燃?xì)鉁囟忍岣?2℃，無需
使用電伴熱帶及熱蒸汽等外來熱源。
2)安全可靠：整個(gè)系統(tǒng)全封閉運(yùn)行，無任何
泄漏，設(shè)備耐壓、抗腐蝕程度高，無任何安全隱
患，自適應(yīng)運(yùn)行無需擔(dān)心過熱。
3)免維護(hù)：系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件，無需維護(hù)。
(下轉(zhuǎn)第62頁)
萬方數(shù)據(jù)
★ 石油化_T-安全環(huán)保技術(shù)★ 2017年第33卷第5期
間，應(yīng)避開效果不理想的l：4：3～4；從技術(shù)經(jīng)濟(jì)
角度考慮，最佳反應(yīng)時(shí)間可取30～45 min；控制
好Fenton藥劑投加比和反應(yīng)時(shí)間，均能使出水
COD降低至80 mg／L以下。
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(上接第30頁)
4)適用性強(qiáng)：當(dāng)戶外環(huán)境溫度在一42℃的條
件下均可正常運(yùn)行。
5)安裝方便：對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)稍加改造即可。
6)熱效率高：加熱效率高，因?yàn)椴煌谕夥?
式電加熱帶，VPGH自動(dòng)跟蹤先導(dǎo)氣回路的湯焦
效應(yīng)直接加熱管路中的天然氣，熱量散失少，加
熱效率高，而且是自適應(yīng)跟蹤式動(dòng)態(tài)加熱。
4結(jié)論
1)采用方案一，使用成熟的渦流先導(dǎo)燃?xì)饧?
熱器(VPGH)，為調(diào)壓系統(tǒng)保溫，可有效防止調(diào)
壓系統(tǒng)冰堵。
2)密切關(guān)注方案二的前沿技術(shù)，即化學(xué)劑表
面改性技術(shù)，該技術(shù)可能會(huì)是未來調(diào)壓系統(tǒng)防止
冰堵的趨勢(shì)。
3)建議將主副管線手動(dòng)球閥更換成氣動(dòng)球
閥，加快切換速度。
4)如果有可能，增加一條管線，形成2用1
備的分輸管線，增加分輸?shù)陌踩浴?
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1J
1J
1J
1l-1J
1J
1
2
3
4
5
6
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P．．L-．．L
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