由于輸送天然氣水露點較高，達到了生成天然氣水合物的條件，致使天然氣管道站場生產(chǎn)運行過程中發(fā)生了冰堵現(xiàn)象，嚴重影響管道的安全運行。通過分析天然氣水合物的形成，給出了天然氣管道運行過程中冰堵的預防措施及其實際應用技術條件。根據(jù)天然氣水合物的生成機理，得出分輸站場冰堵的解堵過程。通過典型案例分析，進一步說明天然氣管道冰堵的發(fā)生過程和解堵 措施的應用，為天然氣管道運行中冰堵現(xiàn)象的預防和解除提供理論指導和技術支持。
由于進入管道天然氣水露點較高或者新建管道內(nèi)工程遺留積水較多，致使天然氣管道在清管作業(yè)及站場調(diào)壓分輸?shù)冗\行過程中發(fā)生了冰堵現(xiàn)象，嚴重影響管道的
安全運行。結(jié)合西氣東輸二線管道工程投產(chǎn)初期站場調(diào)壓分輸冰堵和清管作業(yè)冰堵的現(xiàn)場處置過程，通過分析冰堵發(fā)生的原因和天然氣水合物的生成機理，給出了冰堵的預防措施及其實際應用技術條件，得出分輸站場冰堵的解堵過程。通過西氣東輸二線管道運行過程中的典型案例分析，進一步說明冰堵的發(fā)生過程和解堵措施的應用，為天然氣管道運行中冰堵現(xiàn)象的預防和解除提供理論指導和技術支持。
1冰堵發(fā)生原因
1.1 天然氣水露點
天然氣的水露點指標是其飽和水汽含量的反映。天然氣水露點高，其水汽含量必然高。因此，降低天然氣水露點，無論對于其管道輸送或是符合商品氣質(zhì)要求，都具有重要意義。GB 50251-2003《輸氣管道工程設計 規(guī)范》中規(guī)定:進入輸氣管道的氣體水露點應比輸送條件下最低環(huán)境溫度低 5°C。此處的輸送條件是指觀測點管道天然氣的運行工況條件，在所輸送的天然氣中含水量不變的情況下，隨著壓力的升高，水露點值也會升高，隨著壓力的降低，水露點值降低。天然氣水露點的測量、計算和分析主要是確定是否有游離水的存在，以進一步判斷管道內(nèi)部是否存在形成水合物的條件。
1.2 天然氣水合物的形成
天然氣水合物是水與小分子氣體如 CH4、C2H6、 C3H8 等形成的一種固態(tài)結(jié)晶，其外觀像雪沫或碎冰，會堵塞管道、設備、儀表等，形成冰堵。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 的水合物結(jié)構有三種:I型、II型和 H 型。水合物生成需滿足組分條件和熱力學條件[3]:組分條件是系統(tǒng)中應有一定的水分和低分子量的氣體或揮發(fā)性液體; 熱力學條件是指一定的溫度、壓力條件。水合物生成還與外部條件有關，當氣體處于紊流脈動等劇烈擾動中，或有結(jié)晶微粒存在時，更易生成和長大。
2冰堵預防措施
2.1 氣質(zhì)符合標準要求
從根本上而言，避免管道發(fā)生冰堵的最直接辦法是降低管道輸送天然氣的水露點，保證管道輸送的是清潔、干燥天然氣，管道內(nèi)無工程遺留積水。只要運行壓力下管道內(nèi)天然氣水露點達標，無游離水析出，便不具備生 成水合物發(fā)生冰堵的條件。但新建管道投產(chǎn)初期或因特殊原因，管道內(nèi)工程遺留積水較多，管道接收的天然氣 水露點不達標，在下游都不可避免冰堵問題的發(fā)生。由 此必須加強管道建設工程期間水試壓后的清管、干燥質(zhì)量監(jiān)管，在管道置換投產(chǎn)過程中增加站內(nèi)設備和閥室球閥的排污、吹掃作業(yè)。
2.2 加抑制劑
可將化學抑制劑(如甲醇、乙二醇、二甘醇等)噴 注到管輸氣流中以吸收氣體中的水分，從而降低水露點，降低水合物的形成溫度。最常用的抑制劑為甲醇[4]，甲醇易氣化，能與天然氣均勻混合，不需要霧化設備，注入系統(tǒng)簡單。注入的甲醇在壓力下降、溫度回升后將重新氣化，不易在管道中形成積液。注醇量根據(jù)水溶液中最低抑制劑的計算和甲醇氣相蒸發(fā)量的計算得到。注醇裝置的安裝位置:若向主干線管道注醇，裝在出站閥后壓力表接口處;若向分輸管道注醇，安裝在計量橇后調(diào)壓橇前的壓力表接口處，可選擇臨時拆除儀表接口，連接注醇裝置接口。
2.3 提高輸送溫度
2.3.1 使用加熱裝置
通過使用電加熱器、水套爐等裝置加熱所輸送的天然氣，提高輸送天然氣的溫度，使調(diào)壓節(jié)流后天然氣的溫度仍高于水合物生成溫度，從而防止水合物生 成。這種方法也通常作為天然氣管道凍漲的預防和治 理措施。在管輸天然氣水露點不確定的情況下，加熱 裝置的投用功率以調(diào)壓后天然氣溫度仍能達到 5°C為宜。通常，天然氣壓力每升高 1 MPa，溫度升高 10°C 左右;壓力每降低 1 MPa，溫度降低 4.5°C左右。電加熱器和水套爐都屬于大能耗設備，從經(jīng)濟上考慮，需 求加熱功率低于 300 kW 時選用電加熱器，高于300 kW 時選用水套爐。
2.3.2 纏繞電伴熱帶
在天然氣站場分離器、調(diào)壓橇及其后管段、引壓管、排污集液包等位置纏繞電伴熱帶并做保溫，可在一定 程度上緩解冰堵或凍結(jié)問題的發(fā)生，但對天然氣流動 量較大的分離器、調(diào)壓橇及其后管段的作用不大。在 發(fā)生冰堵后，及時關斷冰堵設備兩端閥門，通過電伴熱 帶的加熱可作為解堵措施。電伴熱帶的選用功率一般 為 30~60 W/m，對所需伴熱部位做螺旋包裹纏繞，必須 采用安全保溫材料以做到有效保溫，長時間投用，需安 裝溫控裝置。
2.3.3 利用高溫氣進行調(diào)壓分輸
對于分輸壓氣站，如果流程上許可，利用壓縮機出 口近 50°C、10 MPa 的高溫高壓天然氣進行分輸，即使 調(diào)壓至 4 MPa，溫度仍能保持 20°C以上。在流程滿足的 情況下，該方法也可做為解堵吹掃措施使用。
2.4 減少調(diào)壓閥前后壓差
由于分輸站場調(diào)壓橇上的工作調(diào)壓閥多是軸流式 調(diào)節(jié)閥，籠筒是閥門的關鍵部件，壁面上有許多孔眼， 活塞通過活塞桿的導引在籠筒內(nèi)前后運動，可精確調(diào) 節(jié)流量，但此結(jié)構也容易在籠壁上發(fā)生冰堵，且水合 物一但生成，很快就會堵塞流量調(diào)節(jié)的孔眼，節(jié)流進 一步加大，閥前后壓差增大，閥后天然氣溫度持續(xù)下降， 游離水在閥門和閥后管段內(nèi)凍結(jié)，進一步加劇冰堵， 直至完全堵塞。 在允許的運行工作壓力下，提高分輸站場調(diào)壓閥 后運行壓力，減少調(diào)壓閥前后壓差。此方法有兩個使 用前提:一是不可超過調(diào)壓閥后許可的運行工作壓力; 二是有充足的氣量允許，需先加大閥后向下游的供氣 量，提高管存量，使閥后的下游管道在較高的壓力下 運行。 降低分輸站場調(diào)壓閥前的運行工作壓力，減少調(diào)壓 閥前后壓差。在管道水露點升高，開始出現(xiàn)冰堵跡象時， 及時通過關閉分輸站進站閥或上游閥室截斷閥，利用旁 通線旋塞閥進行調(diào)節(jié)，降低工作調(diào)壓閥前壓力，可起到 降低工作調(diào)壓閥發(fā)生冰堵的風險。此方法也可作為冰堵 發(fā)生時解堵的措施之一。
此兩種方法都是盡量減少向分輸站場下游用戶分輸 的工作調(diào)壓閥前后壓差，最佳效果是保持工作調(diào)壓閥前 后無壓差。
2.5 清管
清管的目的是清除管道內(nèi)積物、積液，只有在 不能生成水合物的壓力和溫度下，管道清管作業(yè)才是安 全的。若在管道運行壓力溫度高于水合物生成條件下清 管，清出積物、積水較少。但這并不能表明管道內(nèi)無積 液，可以說明管道的水量不是非常大，不足以在管道內(nèi) 形成比較大的水段塞。由于長輸管道長、管徑大，在管 道的彎頭和起伏段會產(chǎn)生側(cè)漏及管道焊接處積水，同時， 管壁會有附著的水膜，所以，在高于水合物溫度壓力下 清管就很難清除管道內(nèi)的全部積水。
3分輸站場冰堵解堵過程
3.1 判斷站場發(fā)生冰堵位置
現(xiàn)場通過局部分段截斷放空，觀察放空情況來判斷 冰堵的具體位置。分輸站場可從計量橇開始放空，截斷計量橇出口閥門進行計量橇放空點火，若火炬一直比較穩(wěn)定說明未有冰堵，若火炬很快變小，說明計量橇存在冰堵;依次關斷調(diào)壓橇出口閥進行調(diào)壓橇的放空，關閉出站閥放空調(diào)壓橇至出站間管段，觀察放空火炬情況判斷是否存在冰堵。
3.2 截斷發(fā)生冰堵管段并放空
截斷發(fā)生冰堵管段，放空降低壓力，破壞水合物的 平衡狀態(tài)，使水合物開始分解。
3.3 加熱冰堵管段
3.3.1 纏繞電伴熱帶
在發(fā)生冰堵管段纏繞大功率電伴熱帶，并進行整體 保溫，發(fā)生冰堵后及時關閉上下游閥門，切換至備用路， 開啟電伴熱加熱，以加速水合物分解。
3.3.2 蒸汽車加熱
利用蒸汽車對冰堵管段進行充分加熱，以加速水合 物分解。蒸汽車的加熱可采用高溫蒸汽噴射管道外壁，同時對加熱管段做封閉空間進行保溫的方式。
3.4 高溫氣反吹冰堵管段
對于聯(lián)絡站或分輸壓氣站可通過調(diào)整工藝，利用高溫氣反吹冰堵管段，加速水合物分解。
3.5 反向充填易發(fā)生冰堵管段 對于易發(fā)生冰堵管段，如分輸站場調(diào)壓橇和調(diào)壓橇 后出站管段，在冰堵解除后充壓時，應先關閉進站閥門， 將站內(nèi)壓力降至與調(diào)壓后分輸壓力相平衡，全開調(diào)壓閥，再打開進站閥門的旁通閥進行調(diào)壓，避免了再次通過調(diào)壓閥調(diào)壓節(jié)流發(fā)生冰堵。如果進站閥門旁通不能滿足分 輸量，可將站場上游閥室截斷，平衡上游閥室至站場管 段內(nèi)壓力，待站場分輸壓力與干線管道內(nèi)壓力相平衡后打開上游閥室旁通進行調(diào)壓并向下游分輸。
4案例分析
4.1 西二線黃陂站冰堵的發(fā)生
4.1.1 冰堵發(fā)生過程
西氣東輸二線黃陂聯(lián)絡壓氣站(以下簡稱“黃陂站”) 負責接收西二線西段中衛(wèi)站方向來氣計量調(diào)壓后向淮武 線供氣。2011 年 1 月 1 日黃陂站向淮武線供氣第一路調(diào)壓管路發(fā)生冰堵，隨即開始切換到第二路調(diào)壓進行供氣，但第二路調(diào)壓橇又發(fā)生冰堵，停止向淮武線供氣，通過進行流程關斷和緊急放空等措施解堵，恢復對淮武 線輸氣，但冰堵問題未能解決，再次停輸。
4.1.2 冰堵后采取的緊急措施 先對調(diào)壓橇及其后管道澆淋熱水進行解堵，分別進 行放空吹掃(包括用淮武線天然氣進行反吹)，均無法有效解堵。
4.1.3 解堵過程
判斷發(fā)生冰堵的具體位置。通過站內(nèi)分段放空、正向和反向吹掃，判定冰堵發(fā)生在黃陂站調(diào)壓橇工作調(diào)壓閥至出站閥門之間的管段內(nèi)。截斷發(fā)生冰堵管段并放空。關閉調(diào)壓橇進口閥門和出站閥門進行放空，降低冰堵管段壓力，水合物開始分解。
加熱發(fā)生冰堵的閥門和管段。利用兩臺蒸汽車對第 二路調(diào)壓橇和調(diào)壓橇至出站閥間管段進行充分加熱，加 速水合物分解。在用蒸汽車產(chǎn)生的高溫蒸汽對調(diào)壓閥、 閥后發(fā)生冰堵的管段和彎頭處進行加熱的過程中，對所 需加熱部位進行了保溫，提高加熱效率和保證加熱效果 是使用高溫蒸汽進行解堵的關鍵。
在第一路調(diào)壓橇及其后段 10 m 長管段上纏繞安裝 特制電伴熱帶，此電伴熱帶為特殊工藝制作，具有單位 功率大、加熱快的特點，加快第一路水合物的分解。反向充填發(fā)生冰堵管段，恢復時避免再次通過調(diào)壓 閥節(jié)流。關閉黃陂站進站閥，將黃陂站內(nèi)降壓至與向淮 武線供氣壓力相平衡，利用黃陂站進站閥門旁通線(管 徑 114 mm)進行壓力調(diào)節(jié)供氣，調(diào)壓橇上工作調(diào)壓閥 保持全開，前后無壓差，同時保證注醇裝置正常投用，恢復向淮武線供氣。
關斷黃陂站上游閥室干線截斷閥，降低閥室至黃陂 站管段壓力。當黃陂站站內(nèi)外壓力平衡，隨即打開進站閥門，關閉黃陂站進站旁通管線，轉(zhuǎn)為走站內(nèi)正輸流程， 利用閥室旁通線(管徑 406 mm)進行壓力調(diào)節(jié)，向淮 武線保持穩(wěn)定供氣。通過黃陂站進站閥門的旁通調(diào)壓供氣和上游閥室旁通線的調(diào)壓，避免了再次在易發(fā)生冰堵 的調(diào)壓橇進行壓力調(diào)節(jié)。
4.1.4 避免再次發(fā)生冰堵的措施
鑒于目前西氣東輸二線水露點較高，黃陂站保持注醇裝置投運。
在黃陂站兩路調(diào)壓橇及橇后管段纏繞大功率特制電伴熱帶，并對調(diào)壓橇及其后段 5 m 左右管道增加了保溫 措施。
降低黃陂站調(diào)壓橇前后壓差(不大于 1 MPa)，在干線管道上進行壓力調(diào)節(jié)。先期利用上游閥室旁通線、 然后利用上游站場南陽站越站旁通線閥門進行調(diào)節(jié)，最 后利用中衛(wèi)聯(lián)絡站調(diào)壓橇調(diào)節(jié)，降低西二線東段運行壓 力至 7 MPa。 為避免黃陂站輸量大而引起過大的壓降，可協(xié)調(diào)黃 陂站向淮武線的分輸量下調(diào)。
4.2 西二線清管過程中冰堵的發(fā)生
西氣東輸二線張掖至永昌段 2010 年 5 月 27 日至 6月 1 日進行了清管作業(yè)。張掖出站壓力 6.07 MPa、溫度 12.8 °C;永昌站進站壓力 5.66 MPa、溫度 4.9 °C。清管 器運行至里程樁 KP 1 939km 處，出現(xiàn)長時間停球、憋 壓現(xiàn)象，清管器前后最大壓差 1.25 MPa。及時準確地確 定清管器位置，挖開停球點。發(fā)現(xiàn)管道無變形，地表溫 度 11 °C，開挖后管道表面溫度 8 °C。用蒸汽車對停球 點加熱，而后反推清管器至 KP 1 938 km 處，上游閥室 憋壓至 1.25 MPa，開啟上游閥室閥門，清管器通過停球 點。分析清管器停滯原因為冰堵停球。
永昌站收球筒盲板打開后，水合物充滿收球筒，清出的水合物十分堅硬，體積為 3.38 m3 的冰柱。
5結(jié)論
由于進入管道天然氣水露點較高或者新建管道內(nèi)工程遺留積水較多，達到了生成天然氣水合物的條件，致使天然氣管道站場發(fā)生冰堵問題，嚴重影響管道的安全運行。冰堵的預防措施有:保證管輸天然氣的氣質(zhì)符合標準要求;加水合物抑制劑;提高輸送天然氣溫度;減少易發(fā)生冰堵的調(diào)壓閥前后壓差;清管排出管道內(nèi)積水等。根據(jù)天然氣水合物生成的條件，給出冰堵的解堵過程:判斷站場發(fā)生冰堵的位置;截斷發(fā)生冰堵管段并放空;加熱冰堵管段，加快水合物分解;高溫氣反吹冰堵管段;反向充填易發(fā)生冰堵管段，恢復時避免再次通過調(diào)壓閥節(jié)流。通過案例分析，進一步說明了冰堵的發(fā)生過程和解堵措施的應用。
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