天然氣加濕技術研究與應用

摘 要

摘要：對天然氣轉換后鑄鐵管道泄漏原因進行了分析，提出了天然氣加濕預防泄漏的技術方案，設計了加濕工藝，選擇粗苯和93號汽油作為加濕劑進行了試驗研究。在工程實踐中選用粗苯作為
摘要：對天然氣轉換后鑄鐵管道泄漏原因進行了分析，提出了天然氣加濕預防泄漏的技術方案，設計了加濕工藝，選擇粗苯和93號汽油作為加濕劑進行了試驗研究。在工程實踐中選用粗苯作為加濕劑對天然氣進行加濕處理，取得了良好的效果和經濟效益。
關鍵詞：燃氣轉換；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
    我國很多城市采用鑄鐵管輸送人工煤氣，當人工煤氣轉換成天然氣后，由于輸送介質的性質不同，極易出現天然氣泄漏問題，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輸送天然氣的鋼管或PE管[1]，或者在原有管道內穿新管。然而由于城市燃氣管網規模龐大，上述方法施工周期長、投資巨大；而且對尚未到使用年限的管道過早更換也是一種極大的浪費，很多地區不提倡這種做法[2～5]。針對這一現狀，現今一些歐洲國家通過采用天然氣加濕技術，來改善這一緊迫的現實問題，并取得了很好的應用效果。采用這種技術之后，可以延遲對新氣源適應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，提高管網系統的利用率[6]。國內個別城市也已安裝了加濕設備。加濕技術主要是在輸送介質中添加溶劑油，對鑄鐵管道接口的橡膠圈起到溶脹作用。
    青島市現有地下燃氣管道逾2000km。從2004年冬季開始，由于用天然氣來替換焦爐煤氣，天然氣區域的管網發生泄漏次數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防泄漏的技術方案，設計了加濕工藝，通過加濕劑選擇及加注量的分析，進行試驗對比，并對加濕劑、加注量、加注點等進行理論研究和試驗驗證。
2 天然氣轉換后管網泄漏原因分析
    管道泄漏的原因有很多，例如：輸送介質的物理性質的差別，管道材質缺陷以及腐蝕破壞，設施老化或維護不及時，密封圈密封效果不佳，地基沉降，違章操作，安裝施工不當，自然災害等[6～7]。
    青島市早期敷設的燃氣管網中，閥門前后的法蘭連接處一般采用耐油橡膠墊片。焦爐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，對橡膠具有較強的溶解作用。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，即使有小漏氣點也會堵住[8]。當輸送介質換成天然氣后，介質中不含有苯族化合物等雜質，在輸送的過程中，滲入到墊片中的苯族化合物反而會從墊片中析出，從而導致橡膠墊片收縮變干，甚至會全部失去或局部失去橡膠的可壓縮性和回彈性。當地下燃氣管網冬季因地溫下降而收縮時，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，輸送介質的改變，致使密封圈的密封效果失效，是導致輸配管道泄漏的主要原因。青島市的地下燃氣管網大多采用的是機械接口的鑄鐵管道，對青島市頻繁出現的天然氣泄漏事件進行分析總結后發現，泄漏點大部分集中在鑄鐵管道機械接口處。
3 加濕工藝研究
3.1 加濕工藝的選擇
   結合青島市燃氣管網的實際運行情況，自行設計了噴霧加濕工藝流程，見圖1。
 

   采用噴霧加濕需要的主要設備和部件有：加濕劑儲罐、精細過濾器、高壓計量泵(電力驅動)、精細霧化噴頭、調壓器、超聲波流量計、控制箱[6]。
   加濕過程采用直接加濕方式，由高壓計量泵提供動力輸送加濕劑，由精細霧化噴頭將加濕劑霧化成細小液滴，直接噴入燃氣管道中便于燃氣的吸收。
    由于天然氣的流量具有明顯的高峰和低谷時段，需要根據超聲波流量計來測量管道中燃氣流量的變化，由控制箱傳輸電信號，從而控制高壓計量泵的注入頻率和連續性。噴霧加濕方法不需要配備復雜的控制系統，通過設計自動控制程序與高壓計量泵進行配合，就能夠實現加濕工藝的自動化。
    精細霧化噴頭置于燃氣管道中軸線處，加濕劑通過噴頭霧化后直接順燃氣流動方向噴出。設計與制造良好的噴頭可以起到很好的霧化作用，以保證產生較小的液滴，使其能夠在天然氣中很好地擴散和吸收，如果液滴直徑較大，會由于重力的作用而滴落在管壁上不容易被燃氣帶走。影響加濕效果的主要因素之一是精細霧化噴頭的性能，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由人工煤氣改為天然氣后，橡膠密封圈仍處于濕潤和膨脹狀態，以確保接口的密封。橡膠制品是一種交聯高分子聚合物，具有很好的化學穩定性和耐溶解性。雖然橡膠制品在多數有機溶液中不溶解，但能發生溶脹現象，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”。根據聚合物溶解或溶脹規律，對某種溶劑來講，聚合物和溶劑的溶解度參數越接近，越易溶解或溶脹；反之，越難溶解或溶脹。而某些混合溶劑，因為存在協同效應，也可能出現反常現象[6]。
    根據相關加濕劑選擇原則，本文選擇粗苯和93號汽油作為試驗加濕劑，對從轉換為天然氣的管網中取出的膠圈進行溶劑適應性試驗，根據對比結果篩選出較優質的加濕劑。
3.3 加注量分析
    以粗苯為例進行分析。人工煤氣中的粗苯質量濃度為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到一定濃度，對橡膠圈起到溶脹作用。根據實際工程經驗，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 加注點位置選擇
    對于加注點的選擇，主要有兩種方案：在門站一個點進行加注，在各中-中壓調壓站進行加注。
    若在門站一個點加注，加注點比較集中，僅需要1套加濕系統，門站內有空余場地，并有人值守，便于巡檢和控制。
    青島市燃氣管網的基本情況見圖2。市區所使用的天然氣主要來自中石化末站，經過城陽門站計量后，分別供給青島市區、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全部采用鋼管，不存在接口漏氣現象，因此不需要加濕。進入市區的天然氣先經過21km輸氣管道后分到各中-中壓調壓站，經調壓后進入中壓B管網。這21km輸氣管道也全部是鋼管，因此也不存在接口漏氣現象。
 

    由于21km輸氣管道和中即港華公司、東億港華公司所建管網不需要進行加濕，因此，在門站加注加濕劑，不但會造成加濕劑的浪費，而且經過21km的輸送后還會減弱加濕的效果。目前，青島市已經運行的中-中壓調壓站有浮山后二站、楊家群站、天惠府站，在建的有海泊河站和閩江路站，共計5座調壓站。與在門站加注加濕劑相比，在各中-中壓調壓站加注的作用比較明顯，基本上不存在加濕劑的浪費。比較以上兩種方案，在中-中壓調壓站加注加濕劑比較適宜，可以先對已經運行的天然氣區域的中-中壓站進行加注粗苯，以調節已經干縮的膠圈。
3.5 相關工程試驗
    選擇粗苯和93號汽油，采用液相接觸(浸漬)和氣相接觸兩種方法來測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[6]
   采用兩個干燥皿，將從管道上拆下的已經干縮的橡膠圈作為試驗樣本，測出其初始膠圈寬度，做好記錄。在每個干燥皿中放置試驗樣本，分別倒入93號汽油和粗苯，將試驗橡膠圈樣本全部浸泡在試驗液體中。放置陰涼避光處，經過相同時間后，分別取出測量其寬度。
   ② 氣相接觸試驗
   將從管道上拆下的已經干縮的橡膠圈做成試驗樣本，測出其初始膠圈寬度，做好記錄。準備兩個廣口干燥皿，分別倒入93號汽油和粗苯，并在上面設置網格托架放置試驗樣本，經過相同的時間后，測量氣相試驗橡膠圈的寬度。
   ③ 試驗記錄
   試驗進行到第11天時，橡膠圈的寬度都基本趨于穩定，試驗數據列于表1。
表1 橡膠圈的寬度   mm
試驗時間/d
采用液相
粗苯
采用液相
93號汽油
采用氣相
粗苯
采用氣相
93號汽油
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 試驗結果分析
    ① 無論汽油還是粗苯，液相試驗中樣本的變化速度和變化量明顯高于氣相試驗中樣本。
    ② 無論汽油還是粗苯，浸漬在液相中的試驗樣本前期變化較大，后期變化較小，前期變化明顯強于后期變化。而氣相中的試驗樣本，雖然前期變化較后期變化要快，但變化速度相對液相來講比較均勻，只是后期接近飽和后變化速度變小。
    ③ 液相試驗證明，燃氣管網所使用的橡膠圈，無論在粗苯中，還是在93號汽油中溶脹性表現良好，經浸泡不會溶解，呈固體狀。粗苯、汽油對橡膠高分子交聯聚合物有較好的溶脹作用，在天然氣中添加上述2種物質可以對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，個別部位的橡膠圈吸收較多的加濕劑，也不會使橡膠圈過度膨脹，更不會使橡膠圈變黏或溶解。
    ④ 粗苯對橡膠圈的吸附速度和吸附膨脹作用要明顯強于汽油，無論是浸漬試驗，還是氣相接觸試驗都證實粗苯對于橡膠圈的吸附溶脹作用都非常強烈。粗苯試驗結果顯示：液相浸漬一定時間后，橡膠圈體積變化率大于40%；氣相接觸一定時間后，橡膠圈體積變化率大于20%。93號汽油試驗結果顯示：液相浸漬一定時間后，橡膠圈體積變化率不大于10%；而氣相接觸一定時間后，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 經濟性分析
   ① 設備造價
   噴霧加濕工藝流程及所需設備簡單，青島泰能集團根據設計，自行配置，每套設備處理天然氣量為1×104m3/h。初步投資估算如下：高壓計量泵10×104元，加濕劑儲罐和精細過濾器1×104元，超聲波流量計5×104元，精細霧化噴頭和連接管道1×104元，控制箱3×104元，安裝費用2×104元，共計22×104元。
    該工藝的設備造價遠遠低于其他城市采用的同規模的英國P&L公司設備的造價，P&L公司1臺3kW復合型加濕機的價格在160×104元左右。
   ② 運行費用估算
   加濕劑的添加量按0.176g/m3計算，年供氣量按1.2×108m3/a計算，每年的粗苯添加量為21.12t。粗苯的價格按5000元/t計，每年加濕劑(粗苯)的費用為10.48×104元/a，單位體積燃氣的加濕劑費用為8.75×104元/m3。若采用英國P&L公司工藝，每1×104m3燃氣的加濕劑添加量為4.2L，每年加濕劑(200號溶油劑)的添加量為50.4m3，即40.32t。加濕劑(200號溶劑油)的價格按15000元/t計算，每年加濕劑的費用為60.48×104元/a，單位體積燃氣的加濕劑費用為5.04×10-3元/m3。可見，采用粗苯作為加濕劑，具有明顯的經濟優勢。
5 加濕效果
    青島泰能集團將加濕設備安裝在中-中調壓站內，向天然氣管道進行加注，通過運行約1年時間，加濕區域的管網機械接口的泄漏次數明顯少于未加濕區域。
    向天然氣中添加粗苯能夠解決轉換后出現的鑄鐵管道接口泄漏問題，設計的噴霧加濕工藝簡單、經濟，運行成本低，實際運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 環境與市政工程學院 山東青島 266033；2.青島泰能集團 山東青島 266041)