天然氣加濕技術(shù)研究與應(yīng)用

摘 要

摘要：對(duì)天然氣轉(zhuǎn)換后鑄鐵管道泄漏原因進(jìn)行了分析，提出了天然氣加濕預(yù)防泄漏的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了加濕工藝，選擇粗苯和93號(hào)汽油作為加濕劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在工程實(shí)踐中選用粗苯作為
摘要：對(duì)天然氣轉(zhuǎn)換后鑄鐵管道泄漏原因進(jìn)行了分析，提出了天然氣加濕預(yù)防泄漏的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了加濕工藝，選擇粗苯和93號(hào)汽油作為加濕劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在工程實(shí)踐中選用粗苯作為加濕劑對(duì)天然氣進(jìn)行加濕處理，取得了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：燃?xì)廪D(zhuǎn)換；加濕；粗苯；加濕劑
Research and Application of Natural Gas Humidification Technology
LIU Jianjun，XUE Mei，DONG Hua，ZHANG Lingyun，ZHENG Pindi
Abstract：The reasons for gas leakage from cast-iron pipe after natural gas conversion are analyzed.The technical scheme to prevent leakage with natural gas humidification is proposed，the humidification process is designed，and the experimental research is conducted using crude benzene and 93# gas-oline as bumidizers.The humidification treatment of natural gas is performed using crude benzene as humidizer in the engineering practice.The good effect and economic benefit are achieved.
Key words：gas conversion；humidification；crude benzene；humidizer
1 概述
    我國(guó)很多城市采用鑄鐵管輸送人工煤氣，當(dāng)人工煤氣轉(zhuǎn)換成天然氣后，由于輸送介質(zhì)的性質(zhì)不同，極易出現(xiàn)天然氣泄漏問題，解決鑄鐵管天然氣泄漏問題最直接最有效的方法就是將鑄鐵管更換為適應(yīng)輸送天然氣的鋼管或PE管[1]，或者在原有管道內(nèi)穿新管。然而由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)模龐大，上述方法施工周期長(zhǎng)、投資巨大；而且對(duì)尚未到使用年限的管道過早更換也是一種極大的浪費(fèi)，很多地區(qū)不提倡這種做法[2～5]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，現(xiàn)今一些歐洲國(guó)家通過采用天然氣加濕技術(shù)，來改善這一緊迫的現(xiàn)實(shí)問題，并取得了很好的應(yīng)用效果。采用這種技術(shù)之后，可以延遲對(duì)新氣源適應(yīng)性最差的管道的維修及更新工作，甚至直至管道的壽命期，這樣可在確保安全的前提下，提高管網(wǎng)系統(tǒng)的利用率[6]。國(guó)內(nèi)個(gè)別城市也已安裝了加濕設(shè)備。加濕技術(shù)主要是在輸送介質(zhì)中添加溶劑油，對(duì)鑄鐵管道接口的橡膠圈起到溶脹作用。
    青島市現(xiàn)有地下燃?xì)夤艿烙?000km。從2004年冬季開始，由于用天然氣來替換焦?fàn)t煤氣，天然氣區(qū)域的管網(wǎng)發(fā)生泄漏次數(shù)與往年相比有明顯增加。為了有效解決青島市天然氣泄漏問題，本文提出了天然氣加濕預(yù)防泄漏的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了加濕工藝，通過加濕劑選擇及加注量的分析，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，并對(duì)加濕劑、加注量、加注點(diǎn)等進(jìn)行理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。
2 天然氣轉(zhuǎn)換后管網(wǎng)泄漏原因分析
    管道泄漏的原因有很多，例如：輸送介質(zhì)的物理性質(zhì)的差別，管道材質(zhì)缺陷以及腐蝕破壞，設(shè)施老化或維護(hù)不及時(shí)，密封圈密封效果不佳，地基沉降，違章操作，安裝施工不當(dāng)，自然災(zāi)害等[6～7]。
    青島市早期敷設(shè)的燃?xì)夤芫W(wǎng)中，閥門前后的法蘭連接處一般采用耐油橡膠墊片。焦?fàn)t煤氣含有一定量的水、煤焦油以及苯類芳香烴等，而芳香烴尤其是苯，對(duì)橡膠具有較強(qiáng)的溶解作用。管道接口中的橡膠圈吸收人工煤氣中的苯而飽和膨脹，增加了接口的密封性，即使有小漏氣點(diǎn)也會(huì)堵住[8]。當(dāng)輸送介質(zhì)換成天然氣后，介質(zhì)中不含有苯族化合物等雜質(zhì)，在輸送的過程中，滲入到墊片中的苯族化合物反而會(huì)從墊片中析出，從而導(dǎo)致橡膠墊片收縮變干，甚至?xí)渴セ蚓植渴ハ鹉z的可壓縮性和回彈性。當(dāng)?shù)叵氯細(xì)夤芫W(wǎng)冬季因地溫下降而收縮時(shí)，法蘭之間的間隙變大，而橡膠墊片由于干縮失去了彈性，無法跟隨法蘭間隙變大而回彈，或者墊片變化不均勻，導(dǎo)致天然氣在法蘭連接處外漏。
    由天然氣替代人工煤氣，輸送介質(zhì)的改變，致使密封圈的密封效果失效，是導(dǎo)致輸配管道泄漏的主要原因。青島市的地下燃?xì)夤芫W(wǎng)大多采用的是機(jī)械接口的鑄鐵管道，對(duì)青島市頻繁出現(xiàn)的天然氣泄漏事件進(jìn)行分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)大部分集中在鑄鐵管道機(jī)械接口處。
3 加濕工藝研究
3.1 加濕工藝的選擇
   結(jié)合青島市燃?xì)夤芫W(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，自行設(shè)計(jì)了噴霧加濕工藝流程，見圖1。
 

   采用噴霧加濕需要的主要設(shè)備和部件有：加濕劑儲(chǔ)罐、精細(xì)過濾器、高壓計(jì)量泵(電力驅(qū)動(dòng))、精細(xì)霧化噴頭、調(diào)壓器、超聲波流量計(jì)、控制箱[6]。
   加濕過程采用直接加濕方式，由高壓計(jì)量泵提供動(dòng)力輸送加濕劑，由精細(xì)霧化噴頭將加濕劑霧化成細(xì)小液滴，直接噴入燃?xì)夤艿乐斜阌谌細(xì)獾奈铡?/span>
    由于天然氣的流量具有明顯的高峰和低谷時(shí)段，需要根據(jù)超聲波流量計(jì)來測(cè)量管道中燃?xì)饬髁康淖兓?，由控制箱傳輸電信?hào)，從而控制高壓計(jì)量泵的注入頻率和連續(xù)性。噴霧加濕方法不需要配備復(fù)雜的控制系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)自動(dòng)控制程序與高壓計(jì)量泵進(jìn)行配合，就能夠?qū)崿F(xiàn)加濕工藝的自動(dòng)化。
    精細(xì)霧化噴頭置于燃?xì)夤艿乐休S線處，加濕劑通過噴頭霧化后直接順燃?xì)饬鲃?dòng)方向噴出。設(shè)計(jì)與制造良好的噴頭可以起到很好的霧化作用，以保證產(chǎn)生較小的液滴，使其能夠在天然氣中很好地?cái)U(kuò)散和吸收，如果液滴直徑較大，會(huì)由于重力的作用而滴落在管壁上不容易被燃?xì)鈳ё?。影響加濕效果的主要因素之一是精?xì)霧化噴頭的性能，考慮到汽車的噴嘴比較耐用，且精度較高，可以作為加濕劑的精細(xì)霧化噴頭。
3.2 加濕劑的選擇
    加濕劑的作用是保證管道輸送介質(zhì)由人工煤氣改為天然氣后，橡膠密封圈仍處于濕潤(rùn)和膨脹狀態(tài)，以確保接口的密封。橡膠制品是一種交聯(lián)高分子聚合物，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐溶解性。雖然橡膠制品在多數(shù)有機(jī)溶液中不溶解，但能發(fā)生溶脹現(xiàn)象，一定的溶脹正是橡膠圈密封性能良好的必要條件。選擇溶劑的原則是“相似相溶”。根據(jù)聚合物溶解或溶脹規(guī)律，對(duì)某種溶劑來講，聚合物和溶劑的溶解度參數(shù)越接近，越易溶解或溶脹；反之，越難溶解或溶脹。而某些混合溶劑，因?yàn)榇嬖趨f(xié)同效應(yīng)，也可能出現(xiàn)反?，F(xiàn)象[6]。
    根據(jù)相關(guān)加濕劑選擇原則，本文選擇粗苯和93號(hào)汽油作為試驗(yàn)加濕劑，對(duì)從轉(zhuǎn)換為天然氣的管網(wǎng)中取出的膠圈進(jìn)行溶劑適應(yīng)性試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)比結(jié)果篩選出較優(yōu)質(zhì)的加濕劑。
3.3 加注量分析
    以粗苯為例進(jìn)行分析。人工煤氣中的粗苯質(zhì)量濃度為28～42g/m3，而粗苯在天然氣中存在極大的不飽和度[5]。
    控制粗苯加注量的目的是使天然氣中的粗苯達(dá)到一定濃度，對(duì)橡膠圈起到溶脹作用。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，并且考慮到粗苯在天然氣中有極大的不飽和度，確定天然氣的粗苯添加量為0.2mL/m3，即0.176g/m3。
3.4 加注點(diǎn)位置選擇
    對(duì)于加注點(diǎn)的選擇，主要有兩種方案：在門站一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行加注，在各中-中壓調(diào)壓站進(jìn)行加注。
    若在門站一個(gè)點(diǎn)加注，加注點(diǎn)比較集中，僅需要1套加濕系統(tǒng)，門站內(nèi)有空余場(chǎng)地，并有人值守，便于巡檢和控制。
    青島市燃?xì)夤芫W(wǎng)的基本情況見圖2。市區(qū)所使用的天然氣主要來自中石化末站，經(jīng)過城陽(yáng)門站計(jì)量后，分別供給青島市區(qū)、中即港華公司和東億港華公司。中即港華公司和東億港華公司所建管網(wǎng)全部采用鋼管，不存在接口漏氣現(xiàn)象，因此不需要加濕。進(jìn)入市區(qū)的天然氣先經(jīng)過21km輸氣管道后分到各中-中壓調(diào)壓站，經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入中壓B管網(wǎng)。這21km輸氣管道也全部是鋼管，因此也不存在接口漏氣現(xiàn)象。
 

    由于21km輸氣管道和中即港華公司、東億港華公司所建管網(wǎng)不需要進(jìn)行加濕，因此，在門站加注加濕劑，不但會(huì)造成加濕劑的浪費(fèi)，而且經(jīng)過21km的輸送后還會(huì)減弱加濕的效果。目前，青島市已經(jīng)運(yùn)行的中-中壓調(diào)壓站有浮山后二站、楊家群站、天惠府站，在建的有海泊河站和閩江路站，共計(jì)5座調(diào)壓站。與在門站加注加濕劑相比，在各中-中壓調(diào)壓站加注的作用比較明顯，基本上不存在加濕劑的浪費(fèi)。比較以上兩種方案，在中-中壓調(diào)壓站加注加濕劑比較適宜，可以先對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的天然氣區(qū)域的中-中壓站進(jìn)行加注粗苯，以調(diào)節(jié)已經(jīng)干縮的膠圈。
3.5 相關(guān)工程試驗(yàn)
    選擇粗苯和93號(hào)汽油，采用液相接觸(浸漬)和氣相接觸兩種方法來測(cè)定加濕劑與橡膠圈之間的吸附溶脹作用。
   ① 液相接觸(浸漬)試驗(yàn)[6]
   采用兩個(gè)干燥皿，將從管道上拆下的已經(jīng)干縮的橡膠圈作為試驗(yàn)樣本，測(cè)出其初始膠圈寬度，做好記錄。在每個(gè)干燥皿中放置試驗(yàn)樣本，分別倒入93號(hào)汽油和粗苯，將試驗(yàn)橡膠圈樣本全部浸泡在試驗(yàn)液體中。放置陰涼避光處，經(jīng)過相同時(shí)間后，分別取出測(cè)量其寬度。
   ② 氣相接觸試驗(yàn)
   將從管道上拆下的已經(jīng)干縮的橡膠圈做成試驗(yàn)樣本，測(cè)出其初始膠圈寬度，做好記錄。準(zhǔn)備兩個(gè)廣口干燥皿，分別倒入93號(hào)汽油和粗苯，并在上面設(shè)置網(wǎng)格托架放置試驗(yàn)樣本，經(jīng)過相同的時(shí)間后，測(cè)量氣相試驗(yàn)橡膠圈的寬度。
   ③ 試驗(yàn)記錄
   試驗(yàn)進(jìn)行到第11天時(shí)，橡膠圈的寬度都基本趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。
表1 橡膠圈的寬度   mm
試驗(yàn)時(shí)間/d
采用液相
粗苯
采用液相
93號(hào)汽油
采用氣相
粗苯
采用氣相
93號(hào)汽油
O
2.9
3.1
2.8
2.8
1
3.4
3.4
3.O
2.9
2
3.8
3.6
3.2
3.1
3
4.4
3.8
3.4
3.3
4
4.8
4.O
3.5
3.4
5
5.1
4.0
3.6
3.5
6
5.3
4.1
3.7
3.5
7
5.5
4.2
3.8
3.5
8
5.6
4.3
3.9
3.5
9
5.7
4.4
4.0
3.5
10
5.7
4.4
4.0
3.5
11
5.7
4.4
4.0
3.5
3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析
    ① 無論汽油還是粗苯，液相試驗(yàn)中樣本的變化速度和變化量明顯高于氣相試驗(yàn)中樣本。
    ② 無論汽油還是粗苯，浸漬在液相中的試驗(yàn)樣本前期變化較大，后期變化較小，前期變化明顯強(qiáng)于后期變化。而氣相中的試驗(yàn)樣本，雖然前期變化較后期變化要快，但變化速度相對(duì)液相來講比較均勻，只是后期接近飽和后變化速度變小。
    ③ 液相試驗(yàn)證明，燃?xì)夤芫W(wǎng)所使用的橡膠圈，無論在粗苯中，還是在93號(hào)汽油中溶脹性表現(xiàn)良好，經(jīng)浸泡不會(huì)溶解，呈固體狀。粗苯、汽油對(duì)橡膠高分子交聯(lián)聚合物有較好的溶脹作用，在天然氣中添加上述2種物質(zhì)可以對(duì)天然氣管道接口處的橡膠圈回彈性起到良好的作用，使干燥的橡膠圈重新回彈起到密封作用。即使加濕劑加注不均勻，個(gè)別部位的橡膠圈吸收較多的加濕劑，也不會(huì)使橡膠圈過度膨脹，更不會(huì)使橡膠圈變黏或溶解。
    ④ 粗苯對(duì)橡膠圈的吸附速度和吸附膨脹作用要明顯強(qiáng)于汽油，無論是浸漬試驗(yàn)，還是氣相接觸試驗(yàn)都證實(shí)粗苯對(duì)于橡膠圈的吸附溶脹作用都非常強(qiáng)烈。粗苯試驗(yàn)結(jié)果顯示：液相浸漬一定時(shí)間后，橡膠圈體積變化率大于40%；氣相接觸一定時(shí)間后，橡膠圈體積變化率大于20%。93號(hào)汽油試驗(yàn)結(jié)果顯示：液相浸漬一定時(shí)間后，橡膠圈體積變化率不大于10%；而氣相接觸一定時(shí)間后，體積變化非常均勻，變化率不大于10%。因此，選擇粗苯作為青島市天然氣的加濕劑較為合適。
4 經(jīng)濟(jì)性分析
   ① 設(shè)備造價(jià)
   噴霧加濕工藝流程及所需設(shè)備簡(jiǎn)單，青島泰能集團(tuán)根據(jù)設(shè)計(jì)，自行配置，每套設(shè)備處理天然氣量為1×104m3/h。初步投資估算如下：高壓計(jì)量泵10×104元，加濕劑儲(chǔ)罐和精細(xì)過濾器1×104元，超聲波流量計(jì)5×104元，精細(xì)霧化噴頭和連接管道1×104元，控制箱3×104元，安裝費(fèi)用2×104元，共計(jì)22×104元。
    該工藝的設(shè)備造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他城市采用的同規(guī)模的英國(guó)P&L公司設(shè)備的造價(jià)，P&L公司1臺(tái)3kW復(fù)合型加濕機(jī)的價(jià)格在160×104元左右。
   ② 運(yùn)行費(fèi)用估算
   加濕劑的添加量按0.176g/m3計(jì)算，年供氣量按1.2×108m3/a計(jì)算，每年的粗苯添加量為21.12t。粗苯的價(jià)格按5000元/t計(jì)，每年加濕劑(粗苯)的費(fèi)用為10.48×104元/a，單位體積燃?xì)獾募訚駝┵M(fèi)用為8.75×104元/m3。若采用英國(guó)P&L公司工藝，每1×104m3燃?xì)獾募訚駝┨砑恿繛?.2L，每年加濕劑(200號(hào)溶油劑)的添加量為50.4m3，即40.32t。加濕劑(200號(hào)溶劑油)的價(jià)格按15000元/t計(jì)算，每年加濕劑的費(fèi)用為60.48×104元/a，單位體積燃?xì)獾募訚駝┵M(fèi)用為5.04×10-3元/m3。可見，采用粗苯作為加濕劑，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
5 加濕效果
    青島泰能集團(tuán)將加濕設(shè)備安裝在中-中調(diào)壓站內(nèi)，向天然氣管道進(jìn)行加注，通過運(yùn)行約1年時(shí)間，加濕區(qū)域的管網(wǎng)機(jī)械接口的泄漏次數(shù)明顯少于未加濕區(qū)域。
    向天然氣中添加粗苯能夠解決轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的鑄鐵管道接口泄漏問題，設(shè)計(jì)的噴霧加濕工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行成本低，實(shí)際運(yùn)行收到了很好的效果。
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(本文作者：劉建軍1、2 薛梅1 董華1 張凌云1 鄭品迪1 1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 山東青島 266033；2.青島泰能集團(tuán) 山東青島 266041)