付先惠* 孟慶華 羅剛強 王孝剛 周怡君

（中國石油化工集團公司西南油氣分公司工程技術研究院）

輸氣管道干空氣干燥影響因素研究

付先惠* 孟慶華 羅剛強 王孝剛 周怡君

（中國石油化工集團公司西南油氣分公司工程技術研究院）

干燥作為輸氣管道投產(chǎn)試運行過程中的重要工藝環(huán)節(jié)，是一個復雜的傳熱、傳質(zhì)過程。針對輸氣管道的干燥環(huán)節(jié)，通過對比，優(yōu)選出安全高效的干燥法——干空氣干燥法。介紹了干空氣干燥的工藝原理；建立了機理模型，并編制了應用程序；通過實例對模型進行了驗證，并對影響干燥的干空氣流量、干空氣露點、環(huán)境溫度、干空氣流速及水膜厚度等因素，進行了單因素分析，給出了最優(yōu)范圍值，對干燥方案優(yōu)化具有一定的參考價值。

輸氣管道；干空氣干燥；機理模型；影響因素；流量；露點；溫度

天然氣管道的投產(chǎn)包括清管、測徑、試壓、干燥、惰性氣體置換以及引入天然氣等過程。其中，對天然氣管道的干燥處理是輸氣管道投產(chǎn)前的重要工藝環(huán)節(jié)。若干燥不完全，管道中液態(tài)水和大量的飽和水蒸氣在后期運行過程中將形成天然氣水合物，使管道的截面積變小，摩擦阻力增加，導致輸送效率下降、運營成本增加，嚴重的甚至堵塞管道。特別是含硫氣的輸氣管道，如果干燥不完全，會對管道內(nèi)壁造成嚴重腐蝕，影響輸量，甚至造成穿孔［1］，給管道的安全、平穩(wěn)運行帶來嚴重的危害。因此需要在新建管道試壓吹掃后對其進行干燥，徹底除去管道中的水蒸氣。

目前，工程上采用的干燥方法有干燥劑干燥法、真空干燥法、氮氣干燥法、干空氣干燥法及干天然氣干燥法等，其中適應范圍最廣的是真空干燥法和干空氣干燥法。真空干燥法雖然干燥效果最好，但其干燥成本比干空氣干燥法高很多，真空干燥法在海底管道及較大管徑的管道上應用較多，適用于短距離、大管徑的管道以及處理費用高的管道；而干空氣干燥法因其設備費用最低、最安全、環(huán)保、易于控制以及效果顯著等優(yōu)點被廣泛采用［2-4］。本文重點研究干空氣干燥工藝技術，并優(yōu)化干燥參數(shù)。

1 干空氣干燥原理

工程上干空氣干燥工藝通常分為初始干空氣干燥、密閉吸水、密閉穩(wěn)定后干空氣再干燥3個過程，其傳質(zhì)、傳熱過程較復雜。初始干燥階段主要是連續(xù)向管道注入低露點的干空氣，以干空氣吹掃管道，并將管內(nèi)水分帶出管外，當管道末端測量空氣露點低于干燥要求露點-20℃時，停止吹掃，然后封閉管道，轉(zhuǎn)入吸水階段。吸水過程利用管道封閉時間間隔，通過擴散過程實現(xiàn)管道內(nèi)部空氣露點的均勻一致，達到引入天然氣的干燥要求。吸水過程結(jié)束后進入第3個階段，即密閉穩(wěn)定再干燥階段，此時，再向管道注入低露點的干空氣，低壓吹掃管道，當在管道出口處檢測到空氣露點低于-20℃時即結(jié)束干燥，最終完全達到干燥合格要求。

雖然初始干燥階段和密閉穩(wěn)定再干燥階段是 2個不同的干燥階段，但是這2個干燥階段的干燥原理是一樣的，因此在建立干燥模型時，將初始干燥過程和密閉穩(wěn)定再干燥過程合為1個干燥過程。在全部過程中，干燥過程是一個瞬態(tài)過程，吸水過程是一個擴散平衡過程。

2 干空氣干燥工藝機理模型

2.1 干燥模型

由于干空氣干燥過程是瞬態(tài)過程，涉及相平衡理論、熱力學原理等諸多方法，為了建立干空氣干燥工藝數(shù)學模型，考慮到空氣和水蒸氣的混合氣流中，水蒸氣的質(zhì)量濃度很低且空氣壓力不大，環(huán)境溫度為常溫，因此對干燥過程作了如下一些合理的簡化假設：一是干空氣沿管道穩(wěn)定一維流動；二是干空氣作為理想氣體來處理；三是整個系統(tǒng)（干空氣氣流和管壁）的溫度與環(huán)境溫度一致；四是管壁液膜均勻一致［5-6］。

運用質(zhì)量守恒定律分別推導管壁上的液膜和空氣中的水蒸氣，可以得出：

式（1）、（2）中：NA——管壁單位面積、單位時間水的蒸發(fā)率，kg/（m2·s）；W——單位長度管道的水含量，kg/m；D——管道內(nèi)徑，m；t——時間，s；A——管道橫截面積，m2；*C——干空氣中水蒸氣質(zhì)量濃度，kg（水）/kg（干空氣）；M——干空氣的質(zhì)量流量，kg/s； ——距離變量，m； ——空氣密度，kg/m3。

模型中的蒸發(fā)率為：

式中：F——傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m2·s）；Y——空氣中水蒸氣的摩爾濃度分數(shù)，mol（水）/mol（干空氣）；Ysat——空氣飽和時的水蒸氣的摩爾濃度分數(shù)，mol（水）/mol（干空氣）。

傳質(zhì)系數(shù)用Chilton-Colburn公式進行計算，得到：

式中：MWV——水蒸氣的分子量，g；MWa——空氣的分子量，g；Re——雷諾數(shù)； ——動力黏度，kg/（m·s）［7-8］。

2.2 吸水模型

當出口處空氣濕度達到規(guī)定露點溫度時，停止供氣，并封閉管道兩端。此時，雖然管道的兩端已基本干燥完畢，但中間部分仍有部分水以液態(tài)形式存在，所以，管道內(nèi)部將是一個空氣與水蒸氣之間的分子擴散平衡過程。為準確預測封閉期間干燥段內(nèi)干空氣的絕對水含量隨時間的變化，并保證其露點低于最低環(huán)境溫度，本文運用質(zhì)量守恒定律和費克定律，推導出吸水模型：

干燥模型采用限差分法和弦切法求解，吸水模型采用分離變量法求解。在此基礎上，編制干燥應用軟件來預測干燥時間、吸水時間以及密閉再干燥時間。

2.3 干燥軟件編制

軟件按圖1所示的流程進行編制。

圖1 軟件編制流程示意

2.4 實例分析

本文以川東北—川西聯(lián)絡支線（平昌分輸站—草池閥室）為例進行計算，該管道為中石化 2009年投資建設的重點管道工程項目，全線采用干空氣干燥。管道總長43.2km，管徑為610mm，所注干空氣露點為-43℃、干空氣流量為 2 640m3/h，以0.05MPa的壓力進行吹掃，環(huán)境溫度為17℃。

現(xiàn)場干燥時間為184h；經(jīng)驗公式平均干燥時間為233h；軟件預測時間為192h。

通過以上計算表明，軟件預測的干燥時間與現(xiàn)場實際干燥時間能較好地吻合，說明模型正確，能夠滿足工程需要。

3 干燥影響因素分析

管道干燥是一個同時進行的復雜的傳熱、傳質(zhì)過程，其干燥速度取決于干空氣與濕空氣水蒸氣含量的差值，差值越大，干空氣吸濕的速度就越快，干燥時間就越短。因此，對影響干空氣干燥時間的因素進行分析可以更好地控制干空氣干燥的施工過程，以達到最經(jīng)濟合理的目的?，F(xiàn)通過所編制的仿真應用軟件計算分析影響天然氣管道干燥時間的各個因素。

現(xiàn)假設要干燥一條天然氣管道，具體參數(shù)：管道長度為 150km，管徑為 1.016m，環(huán)境溫度為 10℃，管道吹掃壓力為 0.05MPa，所注干空氣露點為-40℃，管道擦拭后管壁水膜厚度為0.1mm，管道干燥后在管道出口處要求達到合格的露點為-20℃，干空氣的流量為 10 000m3/h。以下因素分析時，將在只改變其中1個單因素值、其他因素值不變的情況下進行。

3.1 干空氣流量

假設干空氣流量為4 000～14 000m3/h，在其他條件參數(shù)不變的前提下，應用軟件分別計算各個流量下干燥所需時間，變化趨勢如圖2所示。從圖 2中可以看出，干空氣的流量越大，其干燥時間越短，當干空氣流量高于12 000m3/h以后，干空氣流量的增加對縮短干燥時間的影響越來越小?？紤]到經(jīng)濟性，增加干空氣的流量也就需要增加更大壓力的空壓機以及制取干空氣的設備，其費用也越來越高。因此，干空氣的最佳流量為4 500～13 500m3/h，但在實際工程中，還是應該根據(jù)現(xiàn)場的具體情況來確定干空氣的流量。

圖2 干空氣干燥時間與干空氣流量關系曲線

3.2 干空氣露點

假設干空氣露點為-70～-10℃，在其他條件參數(shù)不變的前提下，應用軟件分別計算各個流量下干燥所需時間，變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出，干空氣露點越低，所需干燥時間越短，但當所通干空氣露點低于-50℃后，干燥時間斜率變化非常小，干空氣對縮短干燥時間的作用越來越小，而制取干空氣的費用卻越來越高。因此，在實際干燥施工時，一般采用露點為-50～-35℃的干空氣進行干燥，其經(jīng)濟性與實際效果最好。

圖3 干燥時間與干空氣露點關系曲線

3.3 環(huán)境溫度

假設環(huán)境溫度為-5～20℃，在其他條件參數(shù)不變的前提下，應用軟件分別計算各個流量下干燥所需時間，變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，環(huán)境溫度越高，干燥時間就越短。環(huán)境溫度越高，越有利于水分的蒸發(fā)，同時干空氣的吸水能力也越大，所以干燥效果也就越好。

圖4 干燥時間與環(huán)境溫度關系曲線

3.4 其他影響因素

影響管道干空氣干燥時間的因素較多，除了以上3個主要因素以外，還有以下幾點：

一是水膜厚度。管道中水的理想分布狀態(tài)是一層均勻的水膜，但實際上管道中水的分布是不均勻的，管道底部的水要多一些，管道低洼地段的水量也比水平地段多。就實際施工經(jīng)驗來看，水膜厚度越小，干燥時間就越短。這是因為水在管道中分布得越均勻，水與干空氣的交換面積就越大，從而干燥就越快，干燥時間也就越短。因此，在管道干燥初期，首先用皮碗式清管器盡可能多地清除掉管道中的積水，然后再用泡沫清管器進行多次擦拭將管道中的水最大程度地攤開，形成一層均勻的水膜以增大與干空氣的接觸面積，這樣干燥時間最短，干燥的效果最好、最經(jīng)濟。

二是管徑。干燥管道的管徑越大，所需要的干空氣體積流量就越大，干燥所用的時間也就越多。

三是干空氣的流速。干燥時間隨干空氣流速的增加而縮短，在合理流速范圍內(nèi)，干空氣的流速越快，干燥時間越短，但管道中干空氣的速度也不宜太快，以便氣體有時間飽和。另外，由于水的快速蒸發(fā)吸熱降低了管道中的溫度，這樣會使飽和空氣的水含量下降，導致干燥效果不佳。因此，干空氣的流速有一個最佳范圍，干空氣的流速一般應控制在2～5m/s的范圍。

4 結(jié)論

本文從工程實際的角度出發(fā)，針對輸氣管道干空氣干燥工藝特點，結(jié)合密閉穩(wěn)定再干燥過程編制了干燥軟件，可準確計算干燥及吸水所需時間，結(jié)果與現(xiàn)場實際符合度比經(jīng)驗公式模型符合度更高，模型正確可靠，具有較好的現(xiàn)場應用及參考價值。對干燥時間的各影響因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)干燥時間隨干空氣流量增加而減小，隨干空氣流速的增加而縮短，最佳流速 2～5m/s；隨干空氣露點降低而減小，最佳干空氣露點為-50～-35℃；干燥時間隨環(huán)境溫度的升高而降低，隨管徑增大而增大。

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As an important technical procedure during the trial run for the gas transmission line，drying is a complex heat and mass transfer process. For the drying procedure，the safe and efficient drying method，namely dry air drying method，was selected through comparison. The theory of drying was introduced，the mechanism model was established，and the application program was developed. The accuracy of the model was verified by the actual drying case. The optimal range of values was proposed through single factor analysis on dry air flow rate，dry air dew point，environment temperature，dry air flow velocity，and thickness of water film. It would provide reference for the optimization of the drying process.

Drying Factors of Dry Air in the Gas Transmission Line

Fu Xianhui，et al.

付先惠等. 輸氣管道干空氣干燥影響因素研究. 石油規(guī)劃設計，2011（3）：21～24

TE832

A

1004-2970（2011）03-0021-04

* 付先惠，女，工程師。2008年畢業(yè)于西南石油大學油氣儲運專業(yè)，獲碩士學位。現(xiàn)在中國石油化工集團公司西南油氣分公司工程技術研究院從事地面管網(wǎng)規(guī)劃、工藝設計等。地址：四川省德陽市龍泉山北路298號西南油氣分公司工程技術研究院，618000。E-mail：393060756@qq.com

2010-07-12

谷風樺