大沈天然氣管道投運初期水合物“冰堵”防治實踐

代曉東，李晶淼，張　超，趙業(yè)林，孫海燕

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

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·應用技術·

大沈天然氣管道投運初期水合物“冰堵”防治實踐

代曉東1*，李晶淼2，張超3，趙業(yè)林3，孫海燕3

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

大連—沈陽天然氣管道投運初期，經常會發(fā)生水合物冰堵現象，運行管理中分別采取分輸調壓裝置電伴熱+保溫、分輸水套爐加熱、干線注醇、夏季清管方法對冰堵進行綜合治理，保障了管道的運行安全和東北地區(qū)的供氣任務。通過水露點測試分析，確定了松嵐至營口管段的天然氣具有較高的含水量，是冰堵風險管段。以動力學抑制劑KJK-1替代乙二醇，在松嵐輸氣站出站處加注試驗，完成了基礎數據采集分析，確定了KJK-1應用效果，為動力學抑制劑在長輸管道冰堵防治應用提供參考。

天然氣管道；投產初期；冰堵防治；動力學抑制劑

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)形成的外觀似冰的物質，其主體分子是水形成的籠狀結構，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，在油氣開采、加工和儲運過程中都可能存在。

水合物形成需要低溫、高壓和游離水的共同作用。對于天然氣的管道輸送技術領域，尤其是新建高壓天然氣管道在投產運行的初期，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、調壓、過濾裝置形成的節(jié)流低溫環(huán)境；3.為了提高管道的效率，天然氣管道的運行壓力不斷提高等因素導致容易出現水合物“冰堵”現象。天然氣水合物形成的“冰堵”經常在管道低洼積水區(qū)、節(jié)流效應區(qū)和分輸變徑等處造成堵塞，引起管道運行工況波動，降低管道輸量或管輸設備損壞等安全和效率問題[1-5]。因此針對投產運行初期冰堵問題，從大連—沈陽天然氣管道沿途地理和實際工況入手，分析水合物形成的具體原因，并結合其他管道冰堵防治的方法[6-8]，分析總結應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，承擔著大連LNG碼頭天然氣外輸任務，設計輸量84億m3/a，設計壓力10 MPa，包括5座工藝站場和22座閥室。大沈管道天然氣的主要物性參數：分子量17.281 g/mol，密度0.7204 kg/m3，熱值35.43 MJ/Nm3，烴露點-40℃。氣質組成見表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

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

根據大沈天然氣管道的氣質、沿途地理、運行工況等，結合運行管理部門的統(tǒng)計，綜合分析得出：

1.管道冰堵水源主要來自于試壓水；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、營口、沈陽站內工藝調壓工藝區(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，產生水合物。

2　防治措施

綜合水合物生成的條件和過程原理，借鑒天然氣管道冰堵防治經驗，大沈天然氣管道和管道站場內工藝區(qū)冰堵防治主要采用了4類方法：1.重點工藝和設備區(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，采用電加熱或燃氣加熱，使天然氣溫度高于水合物形成的溫度；3.干線管道低洼處，采用站場注入醇類(甲醇、乙二醇等)抑制劑，醇類同游離水結合，降低水合物形成溫度，使工藝運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)，清除管道內積水和雜質，但清管過程容易發(fā)生冰堵。

2.1電伴熱和保溫

對于輸氣站場的調壓、分輸工藝區(qū)關鍵設備和關鍵部位，大沈管道調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，依然會出現閥門部件凍堵，需現場淋澆熱水或暫時停輸切換至備用線。

圖1　站場電伴熱帶和保溫

2.2電加熱和燃氣加熱

大沈管道全線站場都設計了分輸加熱水套爐(圖2)，在調壓前對天然氣進行加熱，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氣和電能，不利于節(jié)能環(huán)保；同時，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注熱力學抑制劑

圖3　大沈線注醇現場

除第一個冬季，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防干線管道的冰堵發(fā)生。全線站場均配備了注醇裝置(圖3)，每個冬季乙二醇的消耗量在70～150 t。乙二醇進入管道后，經氣流夾帶，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，預防水合物形成；一部分隨氣流流動，由過濾分離裝置排污，其余進入消費終端。醇類熱力學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]

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

圖4　收球筒清管球接收情況

3　動力學抑制劑應用情況

根據MiChell露點儀測試的管輸天然氣的水露點計算了含水率[13-14]，結果見表3。松嵐站至10#閥室管段，含水量提高，10#閥室出現最大含水量，分析這是由于該管段地勢起伏大，存在低洼段積水，并由天然氣夾帶。13#閥室至營口站之間由于管道地勢平緩，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，存在冰堵風險。

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

表3　含水量和計算水露點

表4　乙二醇和KJK-1用量比較

根據表4和室內相關研究成果，結合管道運行工況制定了KJK-1替代乙二醇現場試驗方案，2014年1月在大沈管道松嵐輸氣站進行KJK-1動力學抑制劑現場試驗。分析相關數據表明：抑制劑可以有效地被天然氣夾帶，并同水分子結合，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，可節(jié)約40%以上的注入費用。此次現場應用試驗為動力學抑制劑在長輸管道投運初期的水合物防治工作提供了參考和相關數據。

4　結束語

隨著國家天然氣相關產業(yè)的發(fā)展，大量新建管道逐漸投入運行，受試壓、氣源、氣候、管道沿途地質等因素影響，在投產運行初期經常出現冰堵情況，影響管道的運行安全和輸送效率，因此冰堵的防治一直是天然氣管道運行部門重點工作和研究的熱點。結合其他管道的應用成果，大沈天然氣管道分別采取了分輸調壓裝置電伴熱+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防投運初期的冰堵現象，完成了輸送任務，保障了東北地區(qū)的天然氣供應。同時，結合科研項目，通過KJK-1動力學抑制劑進行了現場試驗，通過水露點和含水量的測試分析，計算抑制劑用量，試驗期間采集了輸氣溫度、壓力、氣溫、水露點等基礎數據，對動力學抑制劑在長輸管道適應性應用研究提供了參考。

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一種便攜式氮氣吹掃檢漏抽真空

充氣設備及使用方法

申請(專利)號：201610330692.5

公開(公告)日：2016-08-17

申請(專利權)人：天津栢奕容科技發(fā)展有限公司

摘要：一種便攜式氮氣吹掃檢漏抽真空充氣設備，其特征在于：包括依次連接的氮氣源、壓力調節(jié)器，以及調控整個套裝的控制盒和塑料氣體管路。所述的氮氣源、壓力調節(jié)器、控制盒及兩根塑料氣體管路放置在包裝箱內。使用時將氮氣源、壓力調節(jié)器和控制盒連接；所述控制盒上路系設有氣路接口Ⅰ和氣路接口Ⅱ，其中氣路接口Ⅰ與充氣閥通過塑料氣體管路連接，所述氣路接口Ⅱ通過塑料氣體管路與待檢測的光電裝置連接。所述控制盒還設有數字壓力表、三位氣流分配閥、智能真空泵、電源開關、電源顯示燈。有益效果：小型化、模塊化、柔性化的組裝方式，實現集吹掃、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。

自動氣瓶轉換裝置和用于

監(jiān)測氣體設備的方法

申請(專利)號：201510031773.0

公開(公告)日：2016-08-17

申請(專利權)人：AIUT有限責任公司

摘要：本發(fā)明涉及一種自動氣瓶轉換裝置(1)，包括：用于安裝氣瓶組的兩個氣體入口，即左氣體入口和右氣體入口；通過其可以將氣體排出的氣體出口；和閥，所述閥適合于將左進氣口或者右進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地設置在兩個不同位置中的一個處，所述位置中的一個指示左進氣口，所述位置中的另一個指示右進氣口；和用于檢測指示器的位置的機構，所述機構包括至少一個傳感器(5)、優(yōu)選一對傳感器(5)。本發(fā)明還涉及用于監(jiān)測配有這種自動氣瓶轉換裝置的氣體設備的方法。

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)于中國石油大學(華東)化學工程與技術專業(yè)，博士，現主要從事油田化學劑和納米材料方向的研究工作。地址：山東省東營市北一路739號，郵編：257061。電話：13884920227，E-mail：xiaodongdai1980@163.com。