加壓煤層氣集輸管道堵塞分析及防治

摘 要

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)加壓煤層氣集輸管道生產(chǎn)運(yùn)行中的堵塞問(wèn)題，分析了堵塞原因，指出影響管道堵塞的主要因素為地形、粉塵含量、氣質(zhì)組分、溫度和壓力、管徑和流速等。提出了針
摘要：結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)加壓煤層氣集輸管道生產(chǎn)運(yùn)行中的堵塞問(wèn)題，分析了堵塞原因，指出影響管道堵塞的主要因素為地形、粉塵含量、氣質(zhì)組分、溫度和壓力、管徑和流速等。提出了針對(duì)性的防治措施，為制定合理防堵方案提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：煤層氣；加壓輸送；堵塞； 防治
Analysis，Prevention and Control of Pressure Coalbed Methane Gathering Pipeline Blockage
WANG Xiao-chuan，KANG Yong，XIA Bin-wei，CHEN Jiu-fu
Abstract：Based on the analysis of blockage problem of pressure coalbed methane gathering pipeline，the blockage reasons are analyzed with an example. It is pointed out that the main factors influencing the pipeline blockage are terrain，dust content，gas composition，temperature，pressure，pipe diameter and flow rate. Targeted prevention and control measures are proposed to provide theoretic basis for establishing a reasonable blockage prevention scheme.
Key words：coalbed methane；pressure transmission；blockage：prevention and control
1 概述
    煤層氣是在煤炭開采過(guò)程中，由于煤體減壓，從煤體中釋放出的可燃性氣體，是一種混合氣體[1]，組分為CH4、N2、02及少量的H2、CO2、S02、H2S。煤層氣作為煤的一種伴生資源，屬清潔能源，而且熱效率高。與燃煤相比，煤層氣燃燒的灰分排放量為燃煤的1/148倍，SO2排放量為燃煤的1/700倍，CO2排放量為燃煤的3/5倍。由于其主要組分為CH4，與天然氣的主要組分極為相近，所以它是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實(shí)可靠的補(bǔ)充或替代能源，可以為工業(yè)和民用等提供重要的天然氣替代能源[2]。然而，在利用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析研究有利于煤層氣的推廣利用。
    隨著井下煤層氣開采利用規(guī)模不斷加大，煤層氣采用壓力管道輸送至城市利用的工程越來(lái)越多。例如，撫順礦務(wù)局至沈陽(yáng)市的煤層氣集輸管道，以及調(diào)兵山市至鐵嶺市的煤層氣長(zhǎng)距離集輸管道都已建成，并安全運(yùn)行；沁水煤田至?xí)x城市區(qū)的煤層氣集輸管道正在建設(shè)中[3，4]；此外，許多大型礦區(qū)煤層氣的中、短距離壓力管道輸送也已相當(dāng)普遍。在采用壓力管道輸送煤層氣時(shí)，由于煤層氣含雜質(zhì)較多、管道經(jīng)過(guò)地區(qū)地形復(fù)雜、運(yùn)行壓力高、冬季氣溫低等原因，使得管道頻繁堵塞，造成終端用戶供氣量不足、供氣中斷，嚴(yán)重影響了用戶的正常用氣。本文以重慶松藻礦區(qū)為例，對(duì)管道堵塞原因進(jìn)行分析并提出一些行之有效的防治措施，以求對(duì)煤層氣的廣泛利用有所幫助。
2 管道堵塞狀況
   重慶松藻礦區(qū)位于渝、黔兩省交界的綦江縣趕水、打通、石壕、安穩(wěn)境內(nèi)，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為二疊系樂(lè)平煤系龍?zhí)睹航M，共含煤9～12層，屬中灰-高灰、富硫-高硫、低磷的無(wú)煙煤，各礦井煤層氣含量均很高，涌出量大，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了重大安全隱患。礦區(qū)煤層氣的抽采始于1969年，2008年抽采量達(dá)到2.23×108m3，2009年達(dá)2.40×108m3；2014年礦區(qū)達(dá)到擴(kuò)建生產(chǎn)能力后，煤層氣抽采量將達(dá)到4.32×108m3以上。每年約有50%左右的煤層氣通過(guò)壓力管道輸送至電廠及附近村鎮(zhèn)使用，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。目前我國(guó)煤層氣加壓輸送工程實(shí)例中，一般壓力不是很高，距離也較短。重慶松藻礦區(qū)煤層氣集輸管道，設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，運(yùn)行壓力為0.8MPa，煤層氣中CH4體積分?jǐn)?shù)大于30%。自投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)以來(lái)，每年都要花大量的人力物力進(jìn)行管道的疏通工作。2009年6月—2010年5月，松藻礦區(qū)有逾10條集輸氣支(干)管發(fā)生多次不同程度的水堵、灰堵、水合物堵塞現(xiàn)象。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，水合物的堵塞最為嚴(yán)重，堵塞也最頻繁，特別在冬季堵塞現(xiàn)象尤為突出。表1為重慶松藻礦區(qū)某集輸氣支管堵塞情況統(tǒng)計(jì)。
表1 重慶松藻礦區(qū)某集輸氣支管堵塞情況統(tǒng)計(jì)
時(shí)間
運(yùn)行壓力/MPa
大氣溫度/℃
地溫/℃
堵塞次數(shù)/次
解決措施
2009年6月
0.7
28
17
1
放空
2009年7月
0.9
34
19
0
放空
2009年8月
0.6
36
20
2
放空
2009年9月
0.7
30
17
0
放空
2009年10月
0.7
29
15
1
放空
2009年11月
0.8
18
14
2
放空
2009年12月
0.8
10
12
2
放空及通球
2010年1月
0.6
4
11
4
放空及通球
2010年2月
0.7
3
11
3
放空及通球
2010年3月
0.8
11
12
1
放空
2010年4月
0.8
19
15
2
放空
2010年5月
0.9
24
16
0
放空
3 管道堵塞原因分析
   ① 地形的影響
   松藻礦區(qū)所在位置處于高山地區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢(shì)復(fù)雜，地形崎嶇，集輸管道極不平直，具有高差大、轉(zhuǎn)彎多的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)及敷設(shè)管道時(shí)不可避免形成U形谷，在這種地形特征的環(huán)境中，煤層氣攜帶的液體和管道中的凝析液很容易在管道U形谷低洼處或者在針形閥處聚集，造成水堵。
    ② 粉塵顆粒的影響
    由于煤層氣中含有大量的粉塵顆粒，在管道內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中，遇到轉(zhuǎn)角或管道的斷面變化流速銳減，顆粒會(huì)慢慢沉積下來(lái)，久而久之造成管道堵塞。此外，煤層氣內(nèi)含有的大量粉塵會(huì)加速其所含水蒸氣的凝結(jié)，特別是經(jīng)過(guò)溫差較大地段時(shí)，煤層氣內(nèi)的粉塵就成了最好的凝結(jié)核，促使水蒸氣凝結(jié)吸附在管道內(nèi)壁，凝結(jié)的液滴又會(huì)去吸附煤層氣中的粉塵，使大量的粉塵黏結(jié)在管子內(nèi)壁，周而復(fù)始造成管道堵塞。管道內(nèi)流速的變化還容易產(chǎn)生局部節(jié)流降溫，為水合物的形成提供了便利條件，水合物一旦開始形成，就會(huì)減少管道的過(guò)流面積、產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，進(jìn)一步加速水合物的形成，最終可能堵塞管道，造成管道憋壓引發(fā)事故。
    ③ 煤層氣組分的影響
    松藻礦區(qū)的煤質(zhì)硫分普遍較高，煤層氣中含有大量的酸性氣體如S02、H2S、HCN、CO2、HSCN，煤層氣中的水蒸氣在流動(dòng)中隨著流態(tài)和環(huán)境溫度的變化會(huì)在管道內(nèi)壁凝析成一層親水膜，形成類似于原電池腐蝕條件，這些酸性氣體在管道上冷凝的水溶液中發(fā)生電離，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式為：
    S02+H20→H2S03→H++HSO3-
    C02+H20→H2C03→H++HCO3-
    H2S→H++HS-
    HCN→H++CN-
    HSCN→H++SCN-
    Fe+2H+→Fe2++H2
    在這種情況下鐵極易氧化成鐵銹，不但腐蝕了管道，降低了管道的使用壽命，還可能堵塞管道。
   ④ 溫度和輸送壓力的影響
   在煤層氣的輸送過(guò)程中，溫度是決定是否形成水及水合物的關(guān)鍵因素。從目前礦區(qū)煤層氣管道堵塞的嚴(yán)重程度和堵塞部位來(lái)看，水合物的形成主要是因?yàn)樘烊粴廨斔蜏囟却蟠蟮陀谳斔蛪毫l件下的水合物形成溫度，這種現(xiàn)象在冬季表現(xiàn)得尤為突出。松藻礦區(qū)位于云貴高原與四川盆地的結(jié)合部，冬季氣溫一般在-3～10℃，地溫一般在3～7℃，遠(yuǎn)低于煤層氣集輸管道內(nèi)水合物的形成溫度11～13℃，這就為水合物的形成創(chuàng)造了條件，增大了集輸管道堵塞的可能性。此外，根據(jù)水合物形成的平衡曲線可知[5]，壓力越高，水合物生成溫度也越高，對(duì)于壓力煤層氣集輸管道來(lái)說(shuō)，這是極為不利的。對(duì)于給定的氣質(zhì)，在輸送溫度一定的情況下，壓力越高，越容易發(fā)生堵塞；對(duì)于給定輸送壓力的氣質(zhì)，輸送起點(diǎn)溫度越低，不發(fā)生堵塞的輸送距離也就越短；也就是說(shuō)在直線距離給定的條件下，管道越長(zhǎng)，發(fā)生堵塞的概率越高。
    ⑤ 煤層氣管道管徑、流速的影響
    研究表明，水合物的形成和存在主要取決于兩個(gè)條件：一是氣體中有足夠的水蒸氣并有液滴存在；二是氣體處于適宜的溫度和壓力[5]。此外，在氣流的速度和方向改變的區(qū)域(即氣流的停滯區(qū))容易使氣體產(chǎn)生節(jié)流現(xiàn)象，這些氣體產(chǎn)生節(jié)流的區(qū)域因節(jié)流效應(yīng)導(dǎo)致氣體溫度急劇下降，可促使水合物形成。例如：彎頭、閥門及其他局部阻力大的位置，高速湍流和脈動(dòng)均是形成水合物的輔助條件[6]。因此管徑的大小、氣體的流速對(duì)水合物形成的影響也較為重要。根據(jù)流體力學(xué)理論，在相同的流量、溫度下，管徑越大，氣體的流速就越低，輸氣攜帶的灰分就越容易沉積，造成灰堵；由于過(guò)流面積大，節(jié)流效應(yīng)相對(duì)較弱，管道的負(fù)荷壓力也較小，但投資較高。在輸送量不變的條件下，管徑小，流速較大，灰堵現(xiàn)象的概率較低，但管道容易產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，溫度變化較大，容易造成水堵及水合物的堵塞，清理堵塞維護(hù)費(fèi)用較高，管道的負(fù)荷壓力較高，但投資相對(duì)較低。所以在管徑設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)流量、壓力、攜液能力等綜合考慮，優(yōu)化選擇。
4 防治措施
    目前煤層氣大規(guī)模工業(yè)化利用程度還不高，該領(lǐng)域的探索研究還在進(jìn)行，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的煤層氣管道也不多，對(duì)于煤層氣加壓輸送管道堵塞問(wèn)題的防治措施，多數(shù)是借鑒天然氣管道的處理方法，在煤層氣集輸管道領(lǐng)域還沒(méi)有形成較成熟、較完善的處理措施，深入研究煤層氣管道堵塞原因，制定合理的解決措施，對(duì)保證煤層氣大規(guī)模開發(fā)、高效連續(xù)供應(yīng)有十分重要的意義。
    ① 提高煤層氣的凈化程度
    煤層氣是一種伴生資源，其主要組分與天然氣相近，但不等同于天然氣，它在抽采的過(guò)程中混入了大量的雜質(zhì)、灰分及有害氣體，特別是小粉塵顆粒在管道輸送中很容易沉淀，造成堵塞，有必要在輸送之前對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行處理。但就現(xiàn)有技術(shù)和條件看，還不可能徹底清除煤層氣中的雜質(zhì)和有害氣體，只能逐步提高標(biāo)準(zhǔn)，加大技術(shù)改造的投入，這樣做雖然增加了一部分造價(jià)，卻能減少維修的成本，符合長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。事實(shí)證明在集輸管道上適當(dāng)增加過(guò)濾裝置，能有效降低灰堵的次數(shù)。
   ② 加注水合物抑制劑
   煤層氣集輸管道堵塞最大的危害是水合物，也是最不容易處理的堵塞問(wèn)題，加注水合物抑制劑是目前防治水合物形成的主要措施之一，也是比較行之有效的方法之一。水合物的防治效果與煤層氣輸送溫度、抑制劑的種類、藥劑投加量、加注時(shí)間和加注方式密切相關(guān)[7]。因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)，必須針對(duì)不同的工況條件，選擇適宜的水合物抑制劑和加注方法，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種方法在天然氣管道的堵塞處理上應(yīng)用已比較成熟，特別是冬季堵塞問(wèn)題非常嚴(yán)重時(shí)，在礦區(qū)內(nèi)各集輸管道上加注乙二醇水合物抑制劑后，水合物造成的堵塞次數(shù)明顯減少。
    ③ 制定適宜的綜合防堵措施
    目前，在天然氣輸送領(lǐng)域防治水合物的方法主要有加抑制劑法、加熱法、降壓解堵法、清管通球法等[8]。這些方法雖然都能有效地解決清堵問(wèn)題，但有效脫水才是防治管道水堵及水合物堵塞最根本的方法[9]。無(wú)論是水堵還是水合物堵塞，歸根到底都是由于煤層氣中的水凝析造成的，以目前的技術(shù)手段來(lái)讓煤層氣完全脫水是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的，但可以將凝析出來(lái)的水及時(shí)排掉，這樣做的好處是不僅能及早地解決水堵，同時(shí)也破壞了水合物生成的環(huán)境，所以水合物防治不能單純依靠加注抑制劑解決問(wèn)題，必須是防與治相結(jié)合。
   眾所周知，管道中無(wú)論是水堵、灰堵、水合物堵塞都不是在瞬間形成并堵塞全部管道的，如果發(fā)現(xiàn)及時(shí)并處理迅速、得當(dāng)，是不會(huì)嚴(yán)重影響下游用戶的，否則，發(fā)展到管道全堵引發(fā)管道爆裂漏氣，其后果十分嚴(yán)重。所以，建議在集輸管道的u形谷低洼處設(shè)置排水管道附件，不定期放水，并對(duì)長(zhǎng)距離的集輸管道定期進(jìn)行清掃，認(rèn)真執(zhí)行排污和清管通球制度是很有必要的，以防污水帶入下游管道。根據(jù)管輸效率和壓差變化制定合理的清管周期，并結(jié)合每次清管排出的污物、污水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，建立完善的監(jiān)控措施，保證管道的流通順暢。
   ④ 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)
   針對(duì)目前煤層氣集輸管道出現(xiàn)的問(wèn)題，成立專門的課題研究小組，負(fù)責(zé)收集、整理相關(guān)資料，加強(qiáng)理論研究工作，使設(shè)計(jì)管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)、保溫系統(tǒng)參數(shù)等更加優(yōu)化[10]，降低管道發(fā)生堵塞的概率。這樣做不僅能為以后管道改造、新建工程設(shè)計(jì)提供理論支持，也為同類工程提供寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)資料，不僅節(jié)約了物力、財(cái)力，也實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
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(本文作者：王曉川1 康勇1 夏彬偉1 陳久福2 1.重慶大學(xué) 復(fù)雜煤氣層瓦斯開采國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044；2.重慶松藻煤電公司瓦斯地質(zhì)研究院 重慶 401445)