上海天然氣管網(wǎng)有限公司 陳 佳

0 引言

天然氣在經(jīng)過場站調(diào)壓裝置后將會(huì)發(fā)生焦耳—湯姆遜效應(yīng)，在節(jié)流處快速膨脹，產(chǎn)生急劇壓降并導(dǎo)致氣體溫度急劇降低。對于進(jìn)、出站壓差較大的調(diào)壓站，調(diào)壓后設(shè)備和管道在冬季時(shí)將長期處于低溫運(yùn)行工況。若地下土壤含水量較為豐富，將容易造成埋地管道周圍出現(xiàn)較厚的凍層。隨著凍脹效應(yīng)的加劇，會(huì)導(dǎo)致站內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)損壞、場站墻體出現(xiàn)裂紋、管道發(fā)生形變等危害，對場站的安全運(yùn)行帶來隱患。

為了避免凍脹現(xiàn)象的發(fā)生，必須采取有效措施，對可能出現(xiàn)天然氣管道凍脹現(xiàn)象的調(diào)壓站進(jìn)行處置。

1 凍脹產(chǎn)生的原因

目前常用調(diào)壓器均是基于節(jié)流膨脹的原理而工作的。天然氣在調(diào)壓器的流動(dòng)過程中，受到局部阻力作用，使流體壓力降低；同時(shí)由于這一過程發(fā)生極快，未能及時(shí)與外界環(huán)境進(jìn)行大量的熱交換，因此可以簡化為絕熱節(jié)流模型。

由焦耳—湯姆遜效應(yīng)可知，絕熱節(jié)流是一個(gè)強(qiáng)烈不可逆的焓值相等、壓力下降的現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒，節(jié)流前后的流體內(nèi)部總能量不變，即分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)動(dòng)能、分子相互作用的內(nèi)位能和宏觀上的動(dòng)能和勢能等能量總和在節(jié)流前后不變。節(jié)流后，天然氣體積增大，分子之間的距離增大，分子相互之間的內(nèi)位能增大；宏觀動(dòng)能和勢能變化不大，所以只能靠減小分子之間的內(nèi)動(dòng)能來轉(zhuǎn)換成內(nèi)位能；而分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)動(dòng)能與溫度有關(guān)，內(nèi)動(dòng)能減小，外在表現(xiàn)為溫度下降，因此，天然氣節(jié)流膨脹的降溫現(xiàn)象，是無法違背的客觀規(guī)律。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，管道內(nèi)氣體壓力每降低1 MPa，氣體溫度降低約4～5℃。調(diào)壓站進(jìn)、出站壓差越大，溫降也將越大，從而造成場站調(diào)壓后的設(shè)備及管道在0℃以下低溫運(yùn)行，導(dǎo)致凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。

2 凍脹的防治措施

凍脹現(xiàn)象形成的三要素包括：零度以下的低溫、充足水分以及凍脹敏感性土壤。針對這三大要素，提出如下措施以避免凍脹現(xiàn)象的發(fā)生或減輕凍脹帶來的不良影響。

2.1 加熱法

目前最有效解決天然氣管道凍脹問題的措施就是加熱，采用加熱爐直接加熱管道內(nèi)天然氣可以徹底消除凍脹問題。盡管設(shè)置加熱裝置初始投資高、運(yùn)行費(fèi)用高，且對場站現(xiàn)場用地情況有較多要求，但該方法對凍脹具有非常好的防治效果，所以仍是國內(nèi)外眾多供氣企業(yè)較為青睞的措施。

常用的加熱設(shè)備有水套爐、真空爐及電加熱器等。此外，還有利用其他能量來源對氣體進(jìn)行加熱的研究，例如地?zé)峒訜帷⑻柲芗訜岬却胧?，這些加熱法對環(huán)境依賴性較強(qiáng)，并不適用于所有情況。

2.2 換土法

不同類型的土壤在不同含水量下的凍脹性不同，當(dāng)管道周圍發(fā)生凍脹時(shí)，可以采用凍脹敏感性很小或是沒有冰凍敏感性的土來替換凍脹敏感性土壤。換土法也是有效減輕凍脹的有效措施之一。

換土法防治凍脹，需將管道周圍的凍脹性土壤置換成排水性好、凍脹性小的亂石和沙土，并在管溝內(nèi)設(shè)置防水層，防止地面和周圍土壤的水滲入到置換土壤中，最后在管溝底部設(shè)計(jì)集水溝，將溝底積水引入豎井，再使用抽水設(shè)備將水及時(shí)排出。

2.3 其它措施

除了上述防止凍脹的措施，也可采取改變場站運(yùn)行條件、管溝敷設(shè)或改變管道結(jié)構(gòu)等方式來緩解凍脹造成的影響。

(1)供氣企業(yè)可通過與管網(wǎng)上下游協(xié)調(diào)，通過管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度等措施，盡量縮小調(diào)壓站進(jìn)、出站壓差，減小溫降幅度，并降低天然氣小時(shí)通過量，從而緩解凍脹強(qiáng)度。

(2)將調(diào)壓后埋地管道土壤掏空，再新建管溝，使低溫管道與含水土壤進(jìn)行隔離。在管道防腐層檢漏合格后，采用聚氨酯泡沫對管溝進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)管道的絕熱保溫。

(3)增加管道的柔性以減小土壤凍脹對管道和設(shè)備帶來的不利影響，如在地上管道安裝補(bǔ)充器、在埋地管道增設(shè)彎頭等措施。

此外，天然氣調(diào)壓站在冬季運(yùn)行期間，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注流量、壓力和溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，密切觀察站內(nèi)工藝區(qū)的變形情況，并將凍脹問題作為事件類型納入到應(yīng)急預(yù)案中，以便及早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

3 防治凍脹的應(yīng)用實(shí)例

近年來，隨著上海天然氣市場的快速發(fā)展，主干管網(wǎng)下游用戶的用氣負(fù)荷激增，壓差大的天然氣調(diào)壓站發(fā)生凍脹問題的比例有所增長。加之上海地區(qū)土壤含水量豐富，也直接加劇了凍脹強(qiáng)度，因此為防治調(diào)壓站的凍脹問題，上海天然氣管網(wǎng)有限公司對部分供氣量相對較大、進(jìn)出站壓差大的場站進(jìn)行了技術(shù)改造。

3.1 凍脹防治方案的確定

3.1.1 凍脹防治方案的選擇原則

(1)防治措施有效實(shí)用，能達(dá)到預(yù)期的防凍脹效果。

(2)應(yīng)與場站實(shí)際情況向結(jié)合，確保方案的可行性。

(3)在凍脹防治效果相同的前提下，應(yīng)選擇投資較小、后期維護(hù)較為簡單的措施。

3.1.2 凍脹防治措施的選取

多種防治凍脹的措施雖具有一定效果，但目前使用最多的方法仍是加熱法和換土法。由于是在已建場站進(jìn)行的改造項(xiàng)目，受現(xiàn)場條件限制，僅能對調(diào)壓后部分埋地管道實(shí)施換土改造，局部位置仍存在發(fā)生凍脹的可能，因此確定改造項(xiàng)目采用直接加熱手段提高管道內(nèi)天然氣溫度。

常用的天然氣加熱設(shè)備包括天然氣水套爐、真空爐、熱媒爐及電加熱器等，幾種加熱設(shè)備特點(diǎn)見表1。

考慮到天然氣調(diào)壓站的熱負(fù)荷需求量基本處于中等水平，熱負(fù)荷需求量也會(huì)隨著供氣負(fù)荷的變化而有較大波動(dòng)，并且使用天然氣作為燃料氣屬于就地取材非常方便，因此根據(jù)上表中各類加熱設(shè)備的適用范圍，選取天然氣水套爐作為調(diào)壓站的加熱設(shè)備。天然氣水套爐產(chǎn)品較為成熟且系統(tǒng)簡單，后期運(yùn)行維護(hù)較為方便，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。

3.2 加熱裝置的熱負(fù)荷計(jì)算

以某調(diào)壓站為例，計(jì)算加熱裝置的熱負(fù)荷量。

3.2.1 天然氣介質(zhì)溫度的確定

(1)計(jì)算公式

管輸天然氣中，當(dāng)甲烷的體積含量大于 85%時(shí)，焦耳—湯姆遜系數(shù)及調(diào)壓后天然氣溫度，可按下式計(jì)算：

式中：μJ——焦耳—湯姆遜系數(shù)，K/MPa；

cp——調(diào)壓前天然氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；

T1——調(diào)壓前天然氣的溫度，K；

T2——調(diào)壓后天然氣的溫度，K；

p1——調(diào)壓前天然氣的壓力，MPa；

p2——調(diào)壓后天然氣的壓力，MPa。

(2)天然氣介質(zhì)溫度的確定

通過對調(diào)壓站歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的整理分析，確定p1=5.0 MPa、p2=1.3 MPa、T1=283 K(10 ℃)，計(jì)算T2=265.2K即-8 ℃。為實(shí)現(xiàn)調(diào)壓站內(nèi)調(diào)壓后天然氣溫度不小于0 ℃，調(diào)壓前天然氣溫度應(yīng)達(dá)到18 ℃，即調(diào)壓前、后所需溫升Δt=8 ℃。

3.2.2 熱負(fù)荷計(jì)算

理論換熱量q計(jì)算按照穩(wěn)態(tài)流動(dòng)焓變熱計(jì)算：

式中：W——天然氣質(zhì)量流量，kg/h；

cp——p1狀態(tài)下的定壓質(zhì)量比熱，J/(kg·℃)；

q——所需加熱量，kJ/h或kW；

Q——天然氣體積流量，m3/h；

ρ——天然氣的密度，kg/m3。

調(diào)壓站設(shè)計(jì)規(guī)模為60萬m3/h，計(jì)算得出所需理論加熱量為2160 kW，但由于實(shí)際節(jié)流過程為非穩(wěn)態(tài)不可逆過程，存在能耗，故實(shí)際加熱量在理論加熱量的基礎(chǔ)上又乘以了1.2系數(shù)，得出60萬m3/h設(shè)計(jì)規(guī)模的調(diào)壓站所需實(shí)際加熱量約為2 600 kW。

鑒于各類加熱裝置存在不同的換熱效率，故加熱裝置的額定熱負(fù)荷需在計(jì)算出的加熱量的基礎(chǔ)上，另外考慮加熱裝置的換熱效率方可確定。

3.3 天然氣調(diào)壓站新增加熱裝置的應(yīng)用

天然氣調(diào)壓站改造選取的天然氣水套爐由爐本體、燃燒系統(tǒng)、受熱盤管及其他附件所組成。其工作過程為燃燒系統(tǒng)加熱爐本體內(nèi)的水，并把熱量傳遞給受熱盤管，輸配管道中的天然氣從受熱盤管中通過進(jìn)行換熱，加熱后再回到輸配管道中。

冬季低溫時(shí)，當(dāng)調(diào)壓站調(diào)壓后溫度低于0℃時(shí)，天然氣水套爐開啟。溫度控制器把爐本體內(nèi)水的水溫控制在設(shè)定溫度上，并按要求啟動(dòng)或關(guān)斷燃燒系統(tǒng)來加熱水。場站加熱裝置通過一段時(shí)間的使用，現(xiàn)場均未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，達(dá)到預(yù)期防治凍脹的效果。

4 結(jié)語

天然氣供應(yīng)關(guān)系民生，安全穩(wěn)定的供氣是第一要?jiǎng)?wù)。通過對天然氣調(diào)壓站的加熱改造，有效避免了凍脹的發(fā)生，大大提高場站的運(yùn)行安全，為上海全市的天然氣供應(yīng)做好保障。