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调压阀冰堵分析及应对工艺措施

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：武利洪陈兴平李莎冯毅王一植

[导读] 摘要：通过加热提高节流件上游的天然气温度，保证气流温度总是高于形成水化物温度，是防止水化物形成的一种常见方法。

        西南油气田分公司蜀南气矿自贡采气作业区
        摘要：通过加热提高节流件上游的天然气温度，保证气流温度总是高于形成水化物温度，是防止水化物形成的一种常见方法。文中针对冬季气温较低，部分场站调压阀易造成冰堵的现象进行了分析，并采取了增加换热器和安装涡漩加热器的方式，提高输送天然气温度，解决了冰堵问题，效果明显。
        关键词：调压阀气流温度冰堵加热
        1、前言
        近年来天然气在国民生产生活中越来越重要，工业和民用天然气销量逐年增多。冬季天气寒冷，在天然气输配气站向各个用户供气时，由于输气和使用压力的要求，均需要通过调压阀调节供气压力和流量，造成调压阀后面的气体温度急剧下降，水蒸气、烃类以及其它杂质凝结成天然气水合物，进而产生冰堵现象，调压阀失效，用户气源被截断，影响用户正常供气，在温度上升，冰块融化时调压阀瞬间开启，易引起下游超压，存在安全隐患。
        2020年底自贡采气作业区成佳配站气、双河集输末站、塔1井站调压阀均出现了冰堵现象。为保证设备正常运行和向用户正常供气，发生冰堵时，当班员工采用热水浇淋，为调压阀升温解堵，大大增加了员工劳动强度及夜间作业风险。
        2、调压阀的工作原理

        调压器系间接作用式调压器，由皮膜、指挥阀、主阀体组成。调压皮膜将调压器的调压腔分成两部分。一部分连接下游出口压力（P2），另一部分连接到由指挥阀根据出口压力（P2）调出的负载压力（P3）。根据负载压力（P3）和出口压力（P2）之间的压差形成的力与调压主弹簧的弹力产生动态平衡，当出口压力（P2）有下降趋势即压差形成的力有变大趋势时，调压活塞与调压阀座之间的开度随之增大，通过调压器的介质就会增大对出口压力（P2）的补偿力度，使出口压力（P2）稳定，直至开度最大，形成直通；当出口压力（P2）有上升趋势即压差形成的力有减小趋势时，调压活塞与调压阀座之间的开度随之减小，通过调压器的介质就会减小对出口压力（P2）的补偿力度，使出口压力（P2）稳定，直至开度为零，形成截止。
        从调压阀工作原理可以看出，指挥器调压器工作在较大压降或低温环境时，因温降或环境产生的低温，易将气质中的水份凝结造成指挥器冰堵，从而影响调压器的正常工作。指挥器产生冰堵时，视其程度的不同，可能造成加载不够甚至调压器无法工作等故障。为解决上述问题，需要增加指挥器加热器，通过对指挥器的驱动气源进行加热，来清除因低温而产生的冰堵现象。
        3、天然气水化物是如何形成的
        3.1水化物的形成。气体水化物在外观上类似于不干净的冰，它是由某些气体分子嵌入不的晶格中所形成。天然气水化物是轻的碳氢化合物和水所形成的疏松结晶化合物。这些化合物可能以稳定的形式存在，但不能由所包含的分子形成准确化学结合物。水化物通常是当气流温度低于水化物形成的温度而生成。在高压下，这些固体可以在高于0℃而生成。人们总是不希望形成水化物，因为水化物晶体会引起流体管线、节流阀、各种阀门以及检测仪表被堵塞，降低管线的流通能力或产生物理性破坏。这些水化物尤其在节流阀和控制阀内有大的压力降和小的流通孔眼的地方容易形成，因为压力降低会引起温度降，如果形成水化物，孔眼就很容易被堵塞。水化物形成而导致流动受到限制，这就被认为是“结冰”了。
        3.2天然气水化物的形成条件。促使水化物形成的三个条件是：一是天然气的含水量处于饱和状态。天然气中的含水汽量处于饱和状态时，常有液相水的存在，或易于产生液相水。液相水的存在是产生水化物的必要条件；二是气体必须处于适当的温度和压力条件之下。当天然气处于足够高的压力和足够低的温度时，水化物才能形成。天然气中不同组分形成水化物的临界温度是该组分水化物存在的最高温度，此温度以上，不管压力多大，都不会形成水化物。三是流动条件突变。在具备上述条件时，水化物的形成，还要有一些辅助条件，如天然气压力的波动，气体因流向的突变而产生的搅动，以及晶种的存在等。对于第一个条件，一定组成的气体，给定一个压力，就相应有一个温度值，若低于这个温度值就会形成水化物，而高于这个值就不会形成水化物。当压力升高时，形成水化物的温度值也会升高。如果没有“自由水”，也不会形成水化物。第二个条件是气体的高速流动，和任何形式的搅动以及“结晶核”的存在等，都有助于水化物的形成。第二个条件几乎总是存在于工艺过程的物流管线中。
        3.3如何防止水化物的形成。防止水化物形成的方法有：一是用化学抑制剂或给气体脱水；二是提高天然气流动温度，防止水化物形成。提高节流阀前天然气的温度，保证气流温度总是高于形成水化物温度。
        4、调压阀“结冰”现象的分析
        4.1焦耳-汤姆逊效应。天然气在绝热节流膨胀过程中，由于焦耳-汤姆逊效应（天然气经过节流降压后温度降低的现象），通常会产生温降，压力每降0.2～0.3MPa，温度约降低1℃。假设天然气压力从4MPa调节到0.4MPa，天然气在调压阀出口的温度将急剧下降12℃以上，特别是在冬天，当气温为10℃以下时，调压阀出口温度将降到-2℃以下。由于调压阀指挥器的导管或阀口相对口径很小，如天然气带有水分及杂质，将极有可能在调压阀指挥器的导管处或阀口处形成冰堵，进而造成调压阀调压功能失效冰堵，对用气安全造成直接影响。
        4.2如何确定是否会在调压阀处形成水化物。
        焦耳-汤姆逊效应系数是每降低一个单位压力时对应的温度降，用℃/100kPa表示。下图是GPSA推荐的确定节流降压所引起的温度变化的曲线图。
        该曲线图是根据液态烃含量在11.3m3/106m3（GPA标准）条件下得出来的。液态烃量愈高，则温度降愈小。以11.3m3（液态烃）/106m3（GPA）为标准，每增减5.6m3（液态烃）/106m3（GPA标准），应有相应的±2.8℃的温度修正值。

对于由于压降所引起的温度变化，也可以用经验公式计算：
Di=

        式中Di——焦耳汤姆逊效应系数，℃/MPa；
        Tc——气体临界温度，K；
        Pc——气体临界压力，Pa；
        pr、Tr——对比压力，对比温度；
        cp——比定压热容，kJ/（kmol.K）。
        f（pr，Tr）用下面公式计算：
        f（pr，Tr）=2.343Tr-2.04-0.071（pr-0.8）
        cp用下面公式计算：cp=13.19+0.09224T-0.6238×10-4T2+

        式中T——节流前后温度平均值，K；
        M——气体平均相对分子质量；
        p——节流前后压力平均值，Pa。
        5、解堵设备及工艺的应用及优劣分析
        在冬季气温降低时节产生冰堵现象。采取有效的预防措施及良好的处理方法，是输气场站安全运行的重要保障。
        5.1常用的解决方法
        目前常用的解决冰堵的常用方式有：
        5.1.1管道电伴热法
        电伴热是通过伴热电缆用电能弥补管道燃气在使用过程中的热损失或提高管道燃气局部的温度，使管道燃气局部的温度维持在一定的范围。
        其优缺点很明显，优点是装置较简单、发热均匀、响应快捷；缺点是如果管道流量较大时，加热所耗费的电能较大，运行成本过高，并且要专门配备大功率变配电设备才能满足用电需求，另外其加热方式属于局部加热，如果加热量不足，调压器出口气流温度可能过低，不能保障调压器下游管道用气设备的安全。
        5.1.2换热器法
        通过循环热水作为热源对天然气进行加热，以提高调压器入口天然气温度，从而避免调压器结冰。
        优点是对进入调压器所有天然气进行加热，能确保调压器及调压器下游管段的运行安全，并且配套产品生产技术较为成熟。
        缺点是占地面积大，成本高，需增加循环水泵、热水锅炉、热水管道、控制仪表等设备才能完成加热循环，需要消耗大量热能及电能，且运行管理有一定的技术要求，需专职人员值守。
        5.2新型解堵方式
        5.2.1指挥器加热器法
        结合传统解堵方式的优缺点，作业区采取了增加调压阀指挥器加热器的方式，通过对指挥器进气进行加热，从根本上解决了调压阀指挥器冰堵的隐患。
        其主要由加热部件、恒温控制器和继电器三部分组成，通过导线对加热部件进行连接，加热部件通过配件安装在调压器指挥器上游信号管中，通过加热部件中的加热元件对指挥器信号管的燃气进行加热。
        其相比较于传统的加热方式具有安装简单、加热效率高、能有效解决调压器结冰问题等优点，同时可根据设定的温度实现自动工作，无需专人值守，仅需较少的电量。
        缺点是现场必须有稳定的电力供应，需要破坏现场的基础埋设电缆；不适合无电力系统或用电高峰期经常停电的场站。
        5.2.2安装新型涡漩加热器。涡漩加热器是专门解决燃气输配中调压器指挥器的加热问题。其动力源来自调压器上游管道内天然气，无需任何外来热源，即可对指挥器进行加热，从而保证调压器的正常、平稳运行。
        涡漩加热器的核心是涡流热，在燃气存在压差时工作，它将燃气减压产生的能量转化为高温热气流，利用这个热气流，就可将需进入指挥器的燃气经加热后再进入指挥器，这样可解决燃气的冰堵问题，确保调压器正常运行。
        安装新型涡漩加热器，安全可靠。设备全封闭运行，无任何泄漏，设备耐压、耐温、耐腐蚀性好，无需担心过热；热效率高。热量损失少，加热效率高，只要调压器工作时，加热器就开始加热，调压器停止工作时，加热随之停止；无需维护。设备内无运动部件，无需维护；节能性好。利用燃气产生的涡流热，无需电源、热水等其它任何外来热旁源；安装方便。安装简单，同时可对老设备改造；适用性强。可用于任何型号的调压器；可作旁通。在流量波动或场站先期流量较小的场合，可作旁通使用。
        不足之处是涡漩加热器在用气高峰期和低峰期时由于气流速度不同，温度有较小的波动，无法保持恒温。
        6、解堵措施产生的效益
        1.消除安全隐患，管控生产现场风险。解决了调压阀等设备设施冬季冰堵问题，消除调压阀冰堵失效造成用户不能用气以及设备超压安全隐患，保证了装置的平稳运行；
        2.降低劳动强度，凝聚员工向心力。通过工艺流程和设备设施的改造，利用科技手段降低了场站员工劳动强度，不但减少场站员工非技术性工作量，而且可以让员工体验到科技的力量，激发员工学习了解新技术的兴趣，从而提高业务技术水平；
        3.响应提质增效，创新解堵措施。因地制宜，采用不同的解堵方法，以最小的投入，产生最大的效益；
        4.供气连续性得到保障，提高了企业形象，赢得了用户的好评；
        5.先行先试，为其他兄弟单位提供冬季平稳保供新方式；
        7、结论
        目前作业区在四个场站安装了五套解堵装置（指挥器加热器和涡漩加热器），以指挥器加热器（四套）为主，目前两种解堵设备和工艺运行良好，安装后从未发生“结冰”现象，有效地解决了调压阀冰堵现象。值得同行业其他输配气站借鉴使用。
        在无外接电源、经常停电、无法停气的重要用户等场站适宜采用新型涡漩加热器加热装置防止水化物形成；
        在供电系统稳定的场站宜采用指挥器加热器的方式防止水化物形成。
        参考文献：
        1 苏建华，许可方，宋德琦，等，天然气矿场集输与处理.石油工业出版社，2004
        2 杨川东，采气工程。北京工业出版社，1997