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燃料氣區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)隱患分析及優(yōu)化措施

文檔作者：白建雄，黃龍暉，杜晶磊，王鐵，郝振利文檔來源：中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月17日
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★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★
燃料氣區(qū)調(diào)節(jié)系統(tǒng)隱患分析及優(yōu)化措施
白建雄，黃龍暉，杜晶磊，王鐵，郝振利
(中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司，陜西西安710000)
摘要：蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)經(jīng)兩級調(diào)壓為壓縮機提供平穩(wěn)可靠的燃料氣。
天然氣經(jīng)調(diào)壓系統(tǒng)節(jié)流后溫度劇降，天然氣水合物極易在節(jié)流通道內(nèi)析出凝結(jié)，若調(diào)節(jié)系統(tǒng)
冰堵將對下游壓縮機平穩(wěn)運行形成安全隱患，所以必須保證調(diào)壓系統(tǒng)的安全性。在控制經(jīng)費
的情況下，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施進行優(yōu)化論證，采用渦流先導(dǎo)燃氣加熱器(VPGH)，可有效
防止調(diào)節(jié)系統(tǒng)冰堵的發(fā)生，應(yīng)密切關(guān)注化學(xué)劑表面改性技術(shù)的發(fā)展，同時建議在主副管線上
將手動球閥改成氣動球閥，加快切換速度。
關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)流防冰堵渦流先導(dǎo)燃氣加熱器表面改性劑
輸氣管線高壓、密閉、節(jié)流，致使輸氣過
程中很容易生成水合物?。蘇里格第三天然氣
處理廠配氣區(qū)l號高壓配氣匯管來氣至燃料氣區(qū)高
壓燃氣匯管，經(jīng)過兩級調(diào)壓(4．8-2．4-0．55 MPa)為
壓縮機提供穩(wěn)定可靠的氣源。調(diào)壓過程可以近
似看作是一個絕熱膨脹過程，天然氣氣流經(jīng)節(jié)
流部位時，產(chǎn)生強烈的渦流，由于節(jié)流效應(yīng)溫
度降低，天然氣水合物極易在節(jié)流通道內(nèi)析出
凝結(jié)，凍堵過程是個漸進過程，中央控制室不
易判斷，調(diào)節(jié)系統(tǒng)冰堵會對下游壓縮機平穩(wěn)運
行形成安全隱患，所以必須保證調(diào)壓系統(tǒng)的安
全性。
l燃料氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題分析
蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)調(diào)壓系統(tǒng)
在下游出口安裝了緊急放空系統(tǒng)和安全閥，具有
足夠的泄放能力，可快速泄壓，保證氣體壓力不
會超過氣體調(diào)壓系統(tǒng)下游最大偶然出現(xiàn)的壓力
MIPd(Maximum downstream incidental pressure)，
可以認為是氣體調(diào)壓系統(tǒng)的第二級安全裝置。氣
體調(diào)壓系統(tǒng)則只設(shè)置一個安全保護裝置，即安全
截斷閥(SSV)，未設(shè)置第一級安全裝置監(jiān)控調(diào)節(jié)
閥(PVC)，因此蘇里格第三天然氣處理廠壓力控
制系統(tǒng)采用安全截斷閥(SSV)+工作調(diào)壓閥
(PV)，為二級調(diào)壓提供了空間并保證了調(diào)壓系
統(tǒng)超壓時的安全性，但調(diào)壓系統(tǒng)缺少低壓保護，
在調(diào)壓節(jié)流降溫時，天然氣水合物極易在節(jié)流
通道內(nèi)析出，凝結(jié)冰堵，冰堵是個漸進過程，
中央控制室很難發(fā)現(xiàn)。蘇里格第三天然氣處理
廠燃料氣至增壓站氣量為3 390 Nm3／h，高壓燃
料氣匯管容積不大，主副管線都采用手動球閥，
調(diào)節(jié)閥嚴(yán)重凍堵時，切換備用管線明顯滯后，
致使管線停輸，給壓縮機安全運行埋下安全
隱患。
2存在問題分析
2．1調(diào)節(jié)系統(tǒng)凍堵形成機理
2．1．1調(diào)節(jié)壓系統(tǒng)節(jié)流效應(yīng)簡介
天然氣在調(diào)節(jié)閥流通通道中經(jīng)過突然縮小的
斷面，產(chǎn)生強烈的渦流，使壓力下降，這種現(xiàn)象
稱為節(jié)流。氣體通過閥籠縮孔時流速很高與外界
熱交換一般很小(可忽略)，節(jié)流過程視為絕熱過
程舊J。節(jié)流膨脹是氣體通過多孑L塞或閥門從高壓
到低壓做不可逆絕熱膨脹時溫度發(fā)生變化的
現(xiàn)象‘3|。
收稿日期：2017-04—18
作者簡介：白建雄，男，2004年畢業(yè)于南京農(nóng)業(yè)大
學(xué)動物科學(xué)專業(yè)，學(xué)士，主要從事天然氣工藝和質(zhì)
量培訓(xùn)工作，已發(fā)表論文多篇，工程師。電話：
17704874691，E．mail：15008602489@163．tom
萬方數(shù)據(jù)
2．1．2節(jié)流降溫原理
節(jié)流效應(yīng)的大小用山(絕熱節(jié)流系數(shù))表示，
當(dāng)節(jié)流后溫度降低時，山>0，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)；
當(dāng)節(jié)流后溫度升高時，山<0，產(chǎn)生節(jié)流熱效應(yīng)；
對于理想氣體，節(jié)流前后溫度不變，山=0，產(chǎn)生
零效應(yīng)。天然氣不是理想氣體，所以排除零效
應(yīng)。天然氣流經(jīng)調(diào)節(jié)閥閥籠時，產(chǎn)生摩擦，同時
調(diào)節(jié)后壓力減小，分子間距增大，位能增加，根
據(jù)能量守恒，外界無能量供給，分子動能減少，
溫度降低，山>0，產(chǎn)生節(jié)流冷效應(yīng)。
2．1．3溫降的計算
蘇里格第三天然氣處理廠燃料氣區(qū)調(diào)壓前天然
氣溫度不等于環(huán)境溫度，但是因為管線經(jīng)地埋一高
架一地埋一露出地面段，與環(huán)境溫度換熱明顯。在
環(huán)境溫度為273 K時，配氣區(qū)外輸燃料氣區(qū)溫度為
306 K，用紅外線測溫槍估測值299 K，至燃料氣區(qū)
天然氣在電伴熱纏繞下估測為280 K，和環(huán)境溫度
相近，并且蘇里格第三天然氣處理廠極端天氣頻發(fā)
(見表1)，這個時候管線天然氣與外部交換熱更加
明顯，因此可以視環(huán)境溫度為調(diào)壓閥前溫度。設(shè)
調(diào)節(jié)閥絕熱減壓后的天然氣溫度為他，
，，． 、譬咒=僅I峰巳I T。(1)
L P ／『
一卜疋硝卜(學(xué))譬】(2)
式中：T1，他——天然氣經(jīng)減壓閥前后的溫度，
K，Tl等于環(huán)境溫度；
A——修正系數(shù)，一般為0．8一O．9；
p1，p2——天然氣經(jīng)減壓閥前后的絕對壓
力(MPa)；
K——天然氣的等熵指數(shù)；
△p——節(jié)流壓差，MPa；
△T——節(jié)流過程的溫度降，K。
表1 蘇里格第三天然氣處理廠極端氣溫統(tǒng)計
時間溫度／℃ 時間溫度／"C 時間溫度／℃
2012年2月7日一24 2013年1月2日一26 2014年2月10日一23
2012年12月23日一26 2013年1月3日一30 2014年12月1日
2013年1月1日一26 2014年2月9日一23
孵蚓髓蛹圈嬲鼴鞴睡露霧露譬疊暖疆霹襄
Z 1．4高壓天然氣節(jié)液壓差與溫降的關(guān)系
環(huán)境溫度、入口壓力和節(jié)流壓降是影響節(jié)流
溫降過程的主要因素。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，天然
氣節(jié)流溫降規(guī)律具有一致性：當(dāng)入口壓力和壓降
條件一定時，環(huán)境溫度越小，節(jié)流溫降越大。降
低環(huán)境溫度增加天然氣水合物的析出，環(huán)境溫度
降低，閥內(nèi)整體溫度降低，相同壓降條件下水合
物的露點不變，水合物開始析出的位置距節(jié)流孔
出口越近，析出時間越長，水合物的析出量越
大，這是閥芯、導(dǎo)壓管凍堵的原因所在。依據(jù)算
式計算制出高壓天然氣節(jié)流前壓力pl、節(jié)流壓差
△p與溫降△T的關(guān)系曲線(圖1)可知：水合物析
出在節(jié)流孑L內(nèi)完成，環(huán)境溫度的升高和節(jié)流壓降
的降低會減緩節(jié)流溫降，進而縮短水合物凝聚析
出時間，減少節(jié)流過程水合物的析出量。相同壓
降條件下入口壓力越低，節(jié)流溫降越大；在相同
的人口壓力下，節(jié)流壓降越大，節(jié)流溫降越大。圖1 高壓天然氣節(jié)流壓差與溫降的關(guān)系曲線‘4
萬方數(shù)據(jù)
★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★ 2017年第33卷第5期
3調(diào)節(jié)系統(tǒng)防止冰堵措施優(yōu)化
調(diào)節(jié)系統(tǒng)雖然有節(jié)流效應(yīng)，但調(diào)節(jié)閥一般開
度大，存在巨大壓差和強烈氣流沖擊，管線雖有
降溫但不至于凍堵，調(diào)節(jié)閥就不一樣，壓差大，
調(diào)節(jié)閥閥籠和引壓管管徑較細，氣流量相對較
小，節(jié)流效應(yīng)的存在，容易造成冰堵。蘇里格第
三天然氣處理廠燃料氣區(qū)目前采用電伴熱帶拆繞
保溫。電伴熱帶長期置于空氣中，很容易產(chǎn)生潮
濕和積水的現(xiàn)象。電伴熱帶分為恒功率電伴熱帶
和自控溫電伴熱帶的保溫措施。恒功率電伴熱帶
需要溫控器調(diào)節(jié)溫度，溫控器出現(xiàn)故障后，易造
成電伴熱帶過熱現(xiàn)象，不利于管線的安全運行；
國產(chǎn)自控溫電伴熱帶使用壽命較短(約3～4年)壚J，
實踐表明：第3年時突發(fā)故障率高，雖然加強巡
檢，仍然有疏漏發(fā)生。有些地區(qū)使用蒸汽加熱，
流程改造難，占地大，耗費高，易出故障。這兩
種方式加熱效率低，耗能大，加大員工工作強
度，在極冷溫度下不能根本解決天然氣冷凝冰堵
問題，所以不適合重要調(diào)壓設(shè)備保溫。也有人建
議增加保溫房，但主副管線距離近，空間小，增
加保溫房，不僅影響作業(yè)，而且不美觀。因此上
述三種方案被否定。
3．1調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施第一種方案
應(yīng)用渦流分離技術(shù)，采用成熟的渦流先導(dǎo)燃氣
加熱器(VPGH)，利用天然氣自身調(diào)壓過程產(chǎn)生的
渦流熱，無需外加任何熱源，即可完成對指揮器的
加熱，從而保證燃氣調(diào)壓器指揮器的平穩(wěn)運行。渦
流先導(dǎo)燃氣加熱器(VPGH)的核心部件是渦流加熱
器(見圖2)，它在燃氣存在壓差時工作。它將燃氣
減壓產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成高溫?zé)釟饬?，這個高溫?zé)釟?
流加熱安裝在渦流加熱器壁上的熱交換器，先導(dǎo)燃
氣通過熱交換器時被加熱。部分熱氣流也用來加熱
渦流管入口的減壓噴嘴以防止冷凝。
高胍‘i體入口
低壓氣體出口
被加熱氣體出
渦流加熱器
被加熱氣體入
3．2調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵措施第二種方案
利用短烷基三甲氧基硅烷及短烷基和長烷基
三甲氧基硅烷有機溶液浸泡調(diào)壓設(shè)備，改變調(diào)壓
閥表面水的接觸角，也可以有效降低冰堵。天然
氣站場設(shè)備內(nèi)表面水的接觸角通常為30一400，
如果將設(shè)備內(nèi)表面改性成為疏水性表面(0=90—
120。)或超疏水性表面(0=150—1700)，水在改
性后內(nèi)表面結(jié)晶成的形核功將大大增加，水無法
形核結(jié)晶形成冰凍∞J，見圖3。
兩種混合物能與天然氣管道內(nèi)壁以化學(xué)鍵結(jié)
合，調(diào)壓閥內(nèi)表面形成一層致密、穩(wěn)定的疏水和
超疏水分子膜。這層防冰堵膜的厚度僅為幾納米
到數(shù)十納米，不會改變調(diào)壓閥內(nèi)孔尺寸和形狀，
也不會影響設(shè)備的正常工作表面改性，用于調(diào)壓
閥冰堵具有一定的應(yīng)用前景。
(a)接觸角0=30。
(b)接觸角0=900
(c)接觸角0=150。
圈3水在不同接觸角表面形核結(jié)晶示袁
3．3調(diào)節(jié)系統(tǒng)防冰堵優(yōu)化方案選擇
方案二簡單易行，但目前還屬于前沿研究，
數(shù)據(jù)多為實驗室提供，設(shè)備上應(yīng)用還沒有大數(shù)據(jù)
支持，不過如果技術(shù)成熟，應(yīng)用前景廣泛。
方案一技術(shù)成熟，其特點是：
1)節(jié)能環(huán)保：利用燃氣減壓產(chǎn)生的渦流熱加
熱先導(dǎo)燃氣?？蓪⑾葘?dǎo)燃氣溫度提高32℃，無需
使用電伴熱帶及熱蒸汽等外來熱源。
2)安全可靠：整個系統(tǒng)全封閉運行，無任何
泄漏，設(shè)備耐壓、抗腐蝕程度高，無任何安全隱
患，自適應(yīng)運行無需擔(dān)心過熱。
3)免維護：系統(tǒng)無運動部件，無需維護。
(下轉(zhuǎn)第62頁)
萬方數(shù)據(jù)
★ 石油化_T-安全環(huán)保技術(shù)★ 2017年第33卷第5期
間，應(yīng)避開效果不理想的l：4：3～4；從技術(shù)經(jīng)濟
角度考慮，最佳反應(yīng)時間可取30～45 min；控制
好Fenton藥劑投加比和反應(yīng)時間，均能使出水
COD降低至80 mg／L以下。
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(1)：1～3．
(上接第30頁)
4)適用性強：當(dāng)戶外環(huán)境溫度在一42℃的條
件下均可正常運行。
5)安裝方便：對現(xiàn)有系統(tǒng)稍加改造即可。
6)熱效率高：加熱效率高，因為不同于外敷
式電加熱帶，VPGH自動跟蹤先導(dǎo)氣回路的湯焦
效應(yīng)直接加熱管路中的天然氣，熱量散失少，加
熱效率高，而且是自適應(yīng)跟蹤式動態(tài)加熱。
4結(jié)論
1)采用方案一，使用成熟的渦流先導(dǎo)燃氣加
熱器(VPGH)，為調(diào)壓系統(tǒng)保溫，可有效防止調(diào)
壓系統(tǒng)冰堵。
2)密切關(guān)注方案二的前沿技術(shù)，即化學(xué)劑表
面改性技術(shù)，該技術(shù)可能會是未來調(diào)壓系統(tǒng)防止
冰堵的趨勢。
3)建議將主副管線手動球閥更換成氣動球
閥，加快切換速度。
4)如果有可能，增加一條管線，形成2用1
備的分輸管線，增加分輸?shù)陌踩浴?
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1J
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