天然气加湿技术研究与应用

摘 要

摘要：对天然气转换后铸铁管道泄漏原因进行了分析，提出了天然气加湿预防泄漏的技术方案，设计了加湿工艺，选择粗苯和93号汽油作为加湿剂进行了试验研究。在工程实践中选用粗苯作为
摘要：对天然气转换后铸铁管道泄漏原因进行了分析，提出了天然气加湿预防泄漏的技术方案，设计了加湿工艺，选择粗苯和93号汽油作为加湿剂进行了试验研究。在工程实践中选用粗苯作为加湿剂对天然气进行加湿处理，取得了良好的效果和经济效益。
关键词：燃气转换；加湿；粗苯；加湿剂
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
    我国很多城市采用铸铁管输送人工煤气，当人工煤气转换成天然气后，由于输送介质的性质不同，极易出现天然气泄漏问题，解决铸铁管天然气泄漏问题最直接最有效的方法就是将铸铁管更换为适应输送天然气的钢管或PE管[1]，或者在原有管道内穿新管。然而由于城市燃气管网规模庞大，上述方法施工周期长、投资巨大；而且对尚未到使用年限的管道过早更换也是一种极大的浪费，很多地区不提倡这种做法[2～5]。针对这一现状，现今一些欧洲国家通过采用天然气加湿技术，来改善这一紧迫的现实问题，并取得了很好的应用效果。采用这种技术之后，可以延迟对新气源适应性最差的管道的维修及更新工作，甚至直至管道的寿命期，这样可在确保安全的前提下，提高管网系统的利用率[6]。国内个别城市也已安装了加湿设备。加湿技术主要是在输送介质中添加溶剂油，对铸铁管道接口的橡胶圈起到溶胀作用。
    青岛市现有地下燃气管道逾2000km。从2004年冬季开始，由于用天然气来替换焦炉煤气，天然气区域的管网发生泄漏次数与往年相比有明显增加。为了有效解决青岛市天然气泄漏问题，本文提出了天然气加湿预防泄漏的技术方案，设计了加湿工艺，通过加湿剂选择及加注量的分析，进行试验对比，并对加湿剂、加注量、加注点等进行理论研究和试验验证。
2 天然气转换后管网泄漏原因分析
    管道泄漏的原因有很多，例如：输送介质的物理性质的差别，管道材质缺陷以及腐蚀破坏，设施老化或维护不及时，密封圈密封效果不佳，地基沉降，违章操作，安装施工不当，自然灾害等[6～7]。
    青岛市早期敷设的燃气管网中，阀门前后的法兰连接处一般采用耐油橡胶垫片。焦炉煤气含有一定量的水、煤焦油以及苯类芳香烃等，而芳香烃尤其是苯，对橡胶具有较强的溶解作用。管道接口中的橡胶圈吸收人工煤气中的苯而饱和膨胀，增加了接口的密封性，即使有小漏气点也会堵住[8]。当输送介质换成天然气后，介质中不含有苯族化合物等杂质，在输送的过程中，渗入到垫片中的苯族化合物反而会从垫片中析出，从而导致橡胶垫片收缩变干，甚至会全部失去或局部失去橡胶的可压缩性和回弹性。当地下燃气管网冬季因地温下降而收缩时，法兰之间的间隙变大，而橡胶垫片由于干缩失去了弹性，无法跟随法兰间隙变大而回弹，或者垫片变化不均匀，导致天然气在法兰连接处外漏。
    由天然气替代人工煤气，输送介质的改变，致使密封圈的密封效果失效，是导致输配管道泄漏的主要原因。青岛市的地下燃气管网大多采用的是机械接口的铸铁管道，对青岛市频繁出现的天然气泄漏事件进行分析总结后发现，泄漏点大部分集中在铸铁管道机械接口处。
3 加湿工艺研究
3.1 加湿工艺的选择
   结合青岛市燃气管网的实际运行情况，自行设计了喷雾加湿工艺流程，见图1。
 

   采用喷雾加湿需要的主要设备和部件有：加湿剂储罐、精细过滤器、高压计量泵(电力驱动)、精细雾化喷头、调压器、超声波流量计、控制箱[6]。
   加湿过程采用直接加湿方式，由高压计量泵提供动力输送加湿剂，由精细雾化喷头将加湿剂雾化成细小液滴，直接喷入燃气管道中便于燃气的吸收。
    由于天然气的流量具有明显的高峰和低谷时段，需要根据超声波流量计来测量管道中燃气流量的变化，由控制箱传输电信号，从而控制高压计量泵的注入频率和连续性。喷雾加湿方法不需要配备复杂的控制系统，通过设计自动控制程序与高压计量泵进行配合，就能够实现加湿工艺的自动化。
    精细雾化喷头置于燃气管道中轴线处，加湿剂通过喷头雾化后直接顺燃气流动方向喷出。设计与制造良好的喷头可以起到很好的雾化作用，以保证产生较小的液滴，使其能够在天然气中很好地扩散和吸收，如果液滴直径较大，会由于重力的作用而滴落在管壁上不容易被燃气带走。影响加湿效果的主要因素之一是精细雾化喷头的性能，考虑到汽车的喷嘴比较耐用，且精度较高，可以作为加湿剂的精细雾化喷头。
3.2 加湿剂的选择
    加湿剂的作用是保证管道输送介质由人工煤气改为天然气后，橡胶密封圈仍处于湿润和膨胀状态，以确保接口的密封。橡胶制品是一种交联高分子聚合物，具有很好的化学稳定性和耐溶解性。虽然橡胶制品在多数有机溶液中不溶解，但能发生溶胀现象，一定的溶胀正是橡胶圈密封性能良好的必要条件。选择溶剂的原则是“相似相溶”。根据聚合物溶解或溶胀规律，对某种溶剂来讲，聚合物和溶剂的溶解度参数越接近，越易溶解或溶胀；反之，越难溶解或溶胀。而某些混合溶剂，因为存在协同效应，也可能出现反常现象[6]。
    根据相关加湿剂选择原则，本文选择粗苯和93号汽油作为试验加湿剂，对从转换为天然气的管网中取出的胶圈进行溶剂适应性试验，根据对比结果筛选出较优质的加湿剂。
3.3 加注量分析
    以粗苯为例进行分析。人工煤气中的粗苯质量浓度为28～42g/m3，而粗苯在天然气中存在极大的不饱和度[5]。
    控制粗苯加注量的目的是使天然气中的粗苯达到一定浓度，对橡胶圈起到溶胀作用。根据实际工程经验，并且考虑到粗苯在天然气中有极大的不饱和度，确定天然气的粗苯添加量为0.2mL/m3，即0.176g/m3。
3.4 加注点位置选择
    对于加注点的选择，主要有两种方案：在门站一个点进行加注，在各中-中压调压站进行加注。
    若在门站一个点加注，加注点比较集中，仅需要1套加湿系统，门站内有空余场地，并有人值守，便于巡检和控制。
    青岛市燃气管网的基本情况见图2。市区所使用的天然气主要来自中石化末站，经过城阳门站计量后，分别供给青岛市区、中即港华公司和东亿港华公司。中即港华公司和东亿港华公司所建管网全部采用钢管，不存在接口漏气现象，因此不需要加湿。进入市区的天然气先经过21km输气管道后分到各中-中压调压站，经调压后进入中压B管网。这21km输气管道也全部是钢管，因此也不存在接口漏气现象。
 

    由于21km输气管道和中即港华公司、东亿港华公司所建管网不需要进行加湿，因此，在门站加注加湿剂，不但会造成加湿剂的浪费，而且经过21km的输送后还会减弱加湿的效果。目前，青岛市已经运行的中-中压调压站有浮山后二站、杨家群站、天惠府站，在建的有海泊河站和闽江路站，共计5座调压站。与在门站加注加湿剂相比，在各中-中压调压站加注的作用比较明显，基本上不存在加湿剂的浪费。比较以上两种方案，在中-中压调压站加注加湿剂比较适宜，可以先对已经运行的天然气区域的中-中压站进行加注粗苯，以调节已经干缩的胶圈。
3.5 相关工程试验
    选择粗苯和93号汽油，采用液相接触(浸渍)和气相接触两种方法来测定加湿剂与橡胶圈之间的吸附溶胀作用。
   ① 液相接触(浸渍)试验[6]
   采用两个干燥皿，将从管道上拆下的已经干缩的橡胶圈作为试验样本，测出其初始胶圈宽度，做好记录。在每个干燥皿中放置试验样本，分别倒入93号汽油和粗苯，将试验橡胶圈样本全部浸泡在试验液体中。放置阴凉避光处，经过相同时间后，分别取出测量其宽度。
   ② 气相接触试验
   将从管道上拆下的已经干缩的橡胶圈做成试验样本，测出其初始胶圈宽度，做好记录。准备两个广口干燥皿，分别倒入93号汽油和粗苯，并在上面设置网格托架放置试验样本，经过相同的时间后，测量气相试验橡胶圈的宽度。
   ③ 试验记录
   试验进行到第11天时，橡胶圈的宽度都基本趋于稳定，试验数据列于表1。
表1 橡胶圈的宽度   mm
试验时间/d
采用液相
粗苯
采用液相
93号汽油
采用气相
粗苯
采用气相
93号汽油
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 试验结果分析
    ① 无论汽油还是粗苯，液相试验中样本的变化速度和变化量明显高于气相试验中样本。
    ② 无论汽油还是粗苯，浸渍在液相中的试验样本前期变化较大，后期变化较小，前期变化明显强于后期变化。而气相中的试验样本，虽然前期变化较后期变化要快，但变化速度相对液相来讲比较均匀，只是后期接近饱和后变化速度变小。
    ③ 液相试验证明，燃气管网所使用的橡胶圈，无论在粗苯中，还是在93号汽油中溶胀性表现良好，经浸泡不会溶解，呈固体状。粗苯、汽油对橡胶高分子交联聚合物有较好的溶胀作用，在天然气中添加上述2种物质可以对天然气管道接口处的橡胶圈回弹性起到良好的作用，使干燥的橡胶圈重新回弹起到密封作用。即使加湿剂加注不均匀，个别部位的橡胶圈吸收较多的加湿剂，也不会使橡胶圈过度膨胀，更不会使橡胶圈变黏或溶解。
    ④ 粗苯对橡胶圈的吸附速度和吸附膨胀作用要明显强于汽油，无论是浸渍试验，还是气相接触试验都证实粗苯对于橡胶圈的吸附溶胀作用都非常强烈。粗苯试验结果显示：液相浸渍一定时间后，橡胶圈体积变化率大于40%；气相接触一定时间后，橡胶圈体积变化率大于20%。93号汽油试验结果显示：液相浸渍一定时间后，橡胶圈体积变化率不大于10%；而气相接触一定时间后，体积变化非常均匀，变化率不大于10%。因此，选择粗苯作为青岛市天然气的加湿剂较为合适。
4 经济性分析
   ① 设备造价
   喷雾加湿工艺流程及所需设备简单，青岛泰能集团根据设计，自行配置，每套设备处理天然气量为1×104m3/h。初步投资估算如下：高压计量泵10×104元，加湿剂储罐和精细过滤器1×104元，超声波流量计5×104元，精细雾化喷头和连接管道1×104元，控制箱3×104元，安装费用2×104元，共计22×104元。
    该工艺的设备造价远远低于其他城市采用的同规模的英国P&L公司设备的造价，P&L公司1台3kW复合型加湿机的价格在160×104元左右。
   ② 运行费用估算
   加湿剂的添加量按0.176g/m3计算，年供气量按1.2×108m3/a计算，每年的粗苯添加量为21.12t。粗苯的价格按5000元/t计，每年加湿剂(粗苯)的费用为10.48×104元/a，单位体积燃气的加湿剂费用为8.75×104元/m3。若采用英国P&L公司工艺，每1×104m3燃气的加湿剂添加量为4.2L，每年加湿剂(200号溶油剂)的添加量为50.4m3，即40.32t。加湿剂(200号溶剂油)的价格按15000元/t计算，每年加湿剂的费用为60.48×104元/a，单位体积燃气的加湿剂费用为5.04×10-3元/m3。可见，采用粗苯作为加湿剂，具有明显的经济优势。
5 加湿效果
    青岛泰能集团将加湿设备安装在中-中调压站内，向天然气管道进行加注，通过运行约1年时间，加湿区域的管网机械接口的泄漏次数明显少于未加湿区域。
    向天然气中添加粗苯能够解决转换后出现的铸铁管道接口泄漏问题，设计的喷雾加湿工艺简单、经济，运行成本低，实际运行收到了很好的效果。
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(本文作者：刘建军1、2 薛梅1 董华1 张凌云1 郑品迪1 1.青岛理工大学 环境与市政工程学院 山东青岛 266033；2.青岛泰能集团 山东青岛 266041)