大沈天然气管道投运初期水合物“冰堵”防治实践

代晓东，李晶淼，张　超，赵业林，孙海燕

(1.中国石油大学 胜利学院，山东 东营 257061；2.中国石油管道分公司，河北 廊坊 065000；3.中国石油管道公司 大连分公司，辽宁 大连 116300)



·应用技术·

大沈天然气管道投运初期水合物“冰堵”防治实践

代晓东1*，李晶淼2，张超3，赵业林3，孙海燕3

(1.中国石油大学 胜利学院，山东 东营 257061；2.中国石油管道分公司，河北 廊坊 065000；3.中国石油管道公司 大连分公司，辽宁 大连 116300)

大连—沈阳天然气管道投运初期，经常会发生水合物冰堵现象，运行管理中分别采取分输调压装置电伴热+保温、分输水套炉加热、干线注醇、夏季清管方法对冰堵进行综合治理，保障了管道的运行安全和东北地区的供气任务。通过水露点测试分析，确定了松岚至营口管段的天然气具有较高的含水量，是冰堵风险管段。以动力学抑制剂KJK-1替代乙二醇，在松岚输气站出站处加注试验，完成了基础数据采集分析，确定了KJK-1应用效果，为动力学抑制剂在长输管道冰堵防治应用提供参考。

天然气管道；投产初期；冰堵防治；动力学抑制剂

气体水合物是由气体分子和水分子相互作用，在一定条件下(压力、温度、扰动)形成的外观似冰的物质，其主体分子是水形成的笼状结构，客体分子(气体)填充在其中。天然气水合物是指有天然气与水在高压和低温条件下形成的固态物质，在油气开采、加工和储运过程中都可能存在。

水合物形成需要低温、高压和游离水的共同作用。对于天然气的管道输送技术领域，尤其是新建高压天然气管道在投产运行的初期，由于：1.试压水清理不完全，在某些低洼管段有液相残留水聚集；2.管道阀门、调压、过滤装置形成的节流低温环境；3.为了提高管道的效率，天然气管道的运行压力不断提高等因素导致容易出现水合物“冰堵”现象。天然气水合物形成的“冰堵”经常在管道低洼积水区、节流效应区和分输变径等处造成堵塞，引起管道运行工况波动，降低管道输量或管输设备损坏等安全和效率问题[1-5]。因此针对投产运行初期冰堵问题，从大连—沈阳天然气管道沿途地理和实际工况入手，分析水合物形成的具体原因，并结合其他管道冰堵防治的方法[6-8]，分析总结应用于大沈管道天然气水合物多种防治方法，为新建天然气管道投运初期的冰堵防治提供参考。

1　管线概况[9]

大沈天然气管道是东北天然气管道工程的重要组成部分，承担着大连LNG码头天然气外输任务，设计输量84亿m3/a，设计压力10 MPa，包括5座工艺站场和22座阀室。大沈管道天然气的主要物性参数：分子量17.281 g/mol，密度0.7204 kg/m3，热值35.43 MJ/Nm3，烃露点-40℃。气质组成见表1[9]，气源基本不含水，从而避免了由气源携水造成的冰堵问题。

表1　大沈管道天然气气源

表2　管道沿线区域平均地温

管道所经之地为高纬度地区，寒冷期长，全年超过100 d气温低于0 ℃，极端最低气温可达-30℃，低温有利于水合物的形成，可能造成地表管道的冻堵。管道沿程的地温见表2，地温整体不高，可能引起低洼积水管段冰堵现象。大沈管道2011年11月投入运行，目前运行压力在6～9 MPa，输量4～7亿m3/a。运行压力高，有利于水合物的形成；输送任务重，不宜通过降压输送控制水合物形成。另外，从大沈管道的高程图[9]可以看出，从新港站出站开始到17#阀室，管道高程变化较大，最高点松岚站海拔157 m，阀室间海拔落差可达120 m。较大的落差和管道起伏加剧了流体的湍流，扰动剧烈，有利于水合物形成。

根据大沈天然气管道的气质、沿途地理、运行工况等，结合运行管理部门的统计，综合分析得出：

1.管道冰堵水源主要来自于试压水；2.干线管道冰堵主要发生在松岚站至17#阀室之间；3.松岚、营口、沈阳站内工艺调压工艺区和分输冬季容易发生冰堵；4.夏季清管作业，由于清管器前后节流，产生水合物。

2　防治措施

综合水合物生成的条件和过程原理，借鉴天然气管道冰堵防治经验，大沈天然气管道和管道站场内工艺区冰堵防治主要采用了4类方法：1.重点工艺和设备区，采用电伴热和保温，使局部表面的温度高于水合物形成的温度；2.分输管线，采用电加热或燃气加热，使天然气温度高于水合物形成的温度；3.干线管道低洼处，采用站场注入醇类(甲醇、乙二醇等)抑制剂，醇类同游离水结合，降低水合物形成温度，使工艺运行条件一直处于水合物生成的条件区间之外；4.干线管道清管作业，清除管道内积水和杂质，但清管过程容易发生冰堵。

2.1电伴热和保温

对于输气站场的调压、分输工艺区关键设备和关键部位，大沈管道调压输气站均采用了缠绕电伴热和覆盖保温层措施，一定程度上起到了防止阀门等部位的冻堵。但由于电伴热或保温仅限于局部，且加热效果有限，在遇到极端条件时，依然会出现阀门部件冻堵，需现场淋浇热水或暂时停输切换至备用线。

图1　站场电伴热带和保温

2.2电加热和燃气加热

大沈管道全线站场都设计了分输加热水套炉(图2)，在调压前对天然气进行加热，提高了输气温度，降低了水合物的可能性。水套炉或电加热器需要消耗燃气和电能，不利于节能环保；同时，由于输气温度提高，影响了输气效率。

图2　分输管线水套炉和电加热系统

2.3注热力学抑制剂

图3　大沈线注醇现场

除第一个冬季，大沈天然气管道在2012～2014年，每年冬季都在各站出站处注入乙二醇预防干线管道的冰堵发生。全线站场均配备了注醇装置(图3)，每个冬季乙二醇的消耗量在70～150 t。乙二醇进入管道后，经气流夹带，一部分在低洼积水处同水混合，有效地提高了水合物生成的条件，预防水合物形成；一部分随气流流动，由过滤分离装置排污，其余进入消费终端。醇类热力学抑制剂的加注量较大(占含水量的10%～60%)，而且低温条件下，乙二醇粘度较大，不易分散，影响使用效果。

2.4清管作业[10-11]

由于在投产运行初期出现了多次的冰堵现象，运行管理部分在夏季开展清管作业。从清管器运行情况和收球情况看，管道内部分管段积水较多，松岚站到营口站区间，共清出积水5m3，还有部分粉末杂质。同时，由于清管球运行过程中两端存在压差，形成节流效应，易在清管过程中形成水合物，清管球出现损坏。

图4　收球筒清管球接收情况

3　动力学抑制剂应用情况

根据MiChell露点仪测试的管输天然气的水露点计算了含水率[13-14]，结果见表3。松岚站至10#阀室管段，含水量提高，10#阀室出现最大含水量，分析这是由于该管段地势起伏大，存在低洼段积水，并由天然气夹带。13#阀室至营口站之间由于管道地势平缓，含水量较为稳定。由于管道低洼处仍有部分残留水存在，同时冬季输气温度低、输量大、压力高，具有水合物形成条件，存在冰堵风险。

醇类热力学抑制剂通过改变水和气体分子之间的热力学平衡条件，降低水合物生成的温度来抑制水合物形成。动力学抑制剂[12]并不改变热力学平衡条件，而是干扰水合物形成的动力学过程，具有用量小(0.5%～2%)、安全、环保等特点，是水合物防治的研究热点之一。基于管道科技中心相关研究成果[9]：动力学抑制剂KJK-1阻碍水合物的形成，在低于水合物平衡温度8 ℃时，抑制时间超过10 h，之后仍有效延缓水合物的生成过程。假设大沈线冬季运行温度取为3℃，天然气组分为甲烷，结合含水量、过冷度，计算不同压力时乙二醇和KJK-1占含水量的百分比见表4。在相同的过冷度和水合物形成条件下，KJK-1的用量更小。

表3　含水量和计算水露点

表4　乙二醇和KJK-1用量比较

根据表4和室内相关研究成果，结合管道运行工况制定了KJK-1替代乙二醇现场试验方案，2014年1月在大沈管道松岚输气站进行KJK-1动力学抑制剂现场试验。分析相关数据表明：抑制剂可以有效地被天然气夹带，并同水分子结合，降低水合物形成温度，延缓水合物形成，具有用量低，效果优于乙二醇的特点，可节约40%以上的注入费用。此次现场应用试验为动力学抑制剂在长输管道投运初期的水合物防治工作提供了参考和相关数据。

4　结束语

随着国家天然气相关产业的发展，大量新建管道逐渐投入运行，受试压、气源、气候、管道沿途地质等因素影响，在投产运行初期经常出现冰堵情况，影响管道的运行安全和输送效率，因此冰堵的防治一直是天然气管道运行部门重点工作和研究的热点。结合其他管道的应用成果，大沈天然气管道分别采取了分输调压装置电伴热+保温、分输水套炉加热、干线注醇、夏季清管等方法综合治理和预防投运初期的冰堵现象，完成了输送任务，保障了东北地区的天然气供应。同时，结合科研项目，通过KJK-1动力学抑制剂进行了现场试验，通过水露点和含水量的测试分析，计算抑制剂用量，试验期间采集了输气温度、压力、气温、水露点等基础数据，对动力学抑制剂在长输管道适应性应用研究提供了参考。

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一种便携式氮气吹扫检漏抽真空

充气设备及使用方法

申请(专利)号：201610330692.5

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：天津栢奕容科技发展有限公司

摘要：一种便携式氮气吹扫检漏抽真空充气设备，其特征在于：包括依次连接的氮气源、压力调节器，以及调控整个套装的控制盒和塑料气体管路。所述的氮气源、压力调节器、控制盒及两根塑料气体管路放置在包装箱内。使用时将氮气源、压力调节器和控制盒连接；所述控制盒上路系设有气路接口Ⅰ和气路接口Ⅱ，其中气路接口Ⅰ与充气阀通过塑料气体管路连接，所述气路接口Ⅱ通过塑料气体管路与待检测的光电装置连接。所述控制盒还设有数字压力表、三位气流分配阀、智能真空泵、电源开关、电源显示灯。有益效果：小型化、模块化、柔性化的组装方式，实现集吹扫、抽真空、检漏和充氮于一体的多功能；还能方便灵活地更换部件，改变和提高套装的性能。

自动气瓶转换装置和用于

监测气体设备的方法

申请(专利)号：201510031773.0

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：AIUT有限责任公司

摘要：本发明涉及一种自动气瓶转换装置(1)，包括：用于安装气瓶组的两个气体入口，即左气体入口和右气体入口；通过其可以将气体排出的气体出口；和阀，所述阀适合于将左进气口或者右进气口与气体出口连接，并且配置用于在这两种连接之间自动地可逆切换，所述装置(1)的特征在于包括：指示器，所述指示器适合于手动地设置在两个不同位置中的一个处，所述位置中的一个指示左进气口，所述位置中的另一个指示右进气口；和用于检测指示器的位置的机构，所述机构包括至少一个传感器(5)、优选一对传感器(5)。本发明还涉及用于监测配有这种自动气瓶转换装置的气体设备的方法。

Practice of The Inhibiting Ice Block by Natural Gas Hydrate for Dalian-Shenyang Natural Gas Pipeline at The Beginning of Production

DAI Xiaodong1*, LI Jingmiao2, ZHANG Chao3, ZHAO Yelin3, SUN Haiyan3

(1.ShengLi College, China University of Petroleum, Dongying 257061, China; 2.PetroChina Pipeline Company,Langfang 065000, China; 3.Dalian Branch, PetroChina Pipeline Company, Dalian 116300, China)

At the beginning of production, ice block caused by natural gas hydrate appeared frequently for Dalian-Shenyang natural gas pipeline. So, four methods were used to guarantee the throughput of northeast of China. Electric heating and insulating layer were adopted for pressure regulator, and water jacket furnace was adopted for transmission line, and ethylene glycol was injected for trunk line, and pigging operation was used in summer. Through analysis to dew point of natural gas, it was confirmed that ice block could be probably occur for pipeline between Songlan to Yingkou. Then dynamic inhibitor KJK-1 was added to trunk pipeline at the outlet of Songlan station. Basic data of experiment were collected and analyzed, good results were confirmed for KJK-1, and it would also provide consultation for dynamic inhibitor using for natural gas trunk line.

natural gas pipeline; starting operation period; inhibit of ice block; dynamic hydrate inhibitor

2016-06-27

TE832

A

1007-7804(2016)04-0037-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.011

代晓东(1980)，男，副教授，辽宁瓦房店人。2009年毕业于中国石油大学(华东)化学工程与技术专业，博士，现主要从事油田化学剂和纳米材料方向的研究工作。地址：山东省东营市北一路739号，邮编：257061。电话：13884920227，E-mail：xiaodongdai1980@163.com。