输气管道干空气干燥影响因素研究

付先惠* 孟庆华 罗刚强 王孝刚 周怡君

（中国石油化工集团公司西南油气分公司工程技术研究院）

输气管道干空气干燥影响因素研究

付先惠* 孟庆华 罗刚强 王孝刚 周怡君

（中国石油化工集团公司西南油气分公司工程技术研究院）

干燥作为输气管道投产试运行过程中的重要工艺环节，是一个复杂的传热、传质过程。针对输气管道的干燥环节，通过对比，优选出安全高效的干燥法——干空气干燥法。介绍了干空气干燥的工艺原理；建立了机理模型，并编制了应用程序；通过实例对模型进行了验证，并对影响干燥的干空气流量、干空气露点、环境温度、干空气流速及水膜厚度等因素，进行了单因素分析，给出了最优范围值，对干燥方案优化具有一定的参考价值。

输气管道；干空气干燥；机理模型；影响因素；流量；露点；温度

天然气管道的投产包括清管、测径、试压、干燥、惰性气体置换以及引入天然气等过程。其中，对天然气管道的干燥处理是输气管道投产前的重要工艺环节。若干燥不完全，管道中液态水和大量的饱和水蒸气在后期运行过程中将形成天然气水合物，使管道的截面积变小，摩擦阻力增加，导致输送效率下降、运营成本增加，严重的甚至堵塞管道。特别是含硫气的输气管道，如果干燥不完全，会对管道内壁造成严重腐蚀，影响输量，甚至造成穿孔［1］，给管道的安全、平稳运行带来严重的危害。因此需要在新建管道试压吹扫后对其进行干燥，彻底除去管道中的水蒸气。

目前，工程上采用的干燥方法有干燥剂干燥法、真空干燥法、氮气干燥法、干空气干燥法及干天然气干燥法等，其中适应范围最广的是真空干燥法和干空气干燥法。真空干燥法虽然干燥效果最好，但其干燥成本比干空气干燥法高很多，真空干燥法在海底管道及较大管径的管道上应用较多，适用于短距离、大管径的管道以及处理费用高的管道；而干空气干燥法因其设备费用最低、最安全、环保、易于控制以及效果显著等优点被广泛采用［2-4］。本文重点研究干空气干燥工艺技术，并优化干燥参数。

1 干空气干燥原理

工程上干空气干燥工艺通常分为初始干空气干燥、密闭吸水、密闭稳定后干空气再干燥3个过程，其传质、传热过程较复杂。初始干燥阶段主要是连续向管道注入低露点的干空气，以干空气吹扫管道，并将管内水分带出管外，当管道末端测量空气露点低于干燥要求露点-20℃时，停止吹扫，然后封闭管道，转入吸水阶段。吸水过程利用管道封闭时间间隔，通过扩散过程实现管道内部空气露点的均匀一致，达到引入天然气的干燥要求。吸水过程结束后进入第3个阶段，即密闭稳定再干燥阶段，此时，再向管道注入低露点的干空气，低压吹扫管道，当在管道出口处检测到空气露点低于-20℃时即结束干燥，最终完全达到干燥合格要求。

虽然初始干燥阶段和密闭稳定再干燥阶段是 2个不同的干燥阶段，但是这2个干燥阶段的干燥原理是一样的，因此在建立干燥模型时，将初始干燥过程和密闭稳定再干燥过程合为1个干燥过程。在全部过程中，干燥过程是一个瞬态过程，吸水过程是一个扩散平衡过程。

2 干空气干燥工艺机理模型

2.1 干燥模型

由于干空气干燥过程是瞬态过程，涉及相平衡理论、热力学原理等诸多方法，为了建立干空气干燥工艺数学模型，考虑到空气和水蒸气的混合气流中，水蒸气的质量浓度很低且空气压力不大，环境温度为常温，因此对干燥过程作了如下一些合理的简化假设：一是干空气沿管道稳定一维流动；二是干空气作为理想气体来处理；三是整个系统（干空气气流和管壁）的温度与环境温度一致；四是管壁液膜均匀一致［5-6］。

运用质量守恒定律分别推导管壁上的液膜和空气中的水蒸气，可以得出：

式（1）、（2）中：NA——管壁单位面积、单位时间水的蒸发率，kg/（m2·s）；W——单位长度管道的水含量，kg/m；D——管道内径，m；t——时间，s；A——管道横截面积，m2；*C——干空气中水蒸气质量浓度，kg（水）/kg（干空气）；M——干空气的质量流量，kg/s； ——距离变量，m； ——空气密度，kg/m3。

模型中的蒸发率为：

式中：F——传质系数，kg/（m2·s）；Y——空气中水蒸气的摩尔浓度分数，mol（水）/mol（干空气）；Ysat——空气饱和时的水蒸气的摩尔浓度分数，mol（水）/mol（干空气）。

传质系数用Chilton-Colburn公式进行计算，得到：

式中：MWV——水蒸气的分子量，g；MWa——空气的分子量，g；Re——雷诺数； ——动力黏度，kg/（m·s）［7-8］。

2.2 吸水模型

当出口处空气湿度达到规定露点温度时，停止供气，并封闭管道两端。此时，虽然管道的两端已基本干燥完毕，但中间部分仍有部分水以液态形式存在，所以，管道内部将是一个空气与水蒸气之间的分子扩散平衡过程。为准确预测封闭期间干燥段内干空气的绝对水含量随时间的变化，并保证其露点低于最低环境温度，本文运用质量守恒定律和费克定律，推导出吸水模型：

干燥模型采用限差分法和弦切法求解，吸水模型采用分离变量法求解。在此基础上，编制干燥应用软件来预测干燥时间、吸水时间以及密闭再干燥时间。

2.3 干燥软件编制

软件按图1所示的流程进行编制。

图1 软件编制流程示意

2.4 实例分析

本文以川东北—川西联络支线（平昌分输站—草池阀室）为例进行计算，该管道为中石化 2009年投资建设的重点管道工程项目，全线采用干空气干燥。管道总长43.2km，管径为610mm，所注干空气露点为-43℃、干空气流量为 2 640m3/h，以0.05MPa的压力进行吹扫，环境温度为17℃。

现场干燥时间为184h；经验公式平均干燥时间为233h；软件预测时间为192h。

通过以上计算表明，软件预测的干燥时间与现场实际干燥时间能较好地吻合，说明模型正确，能够满足工程需要。

3 干燥影响因素分析

管道干燥是一个同时进行的复杂的传热、传质过程，其干燥速度取决于干空气与湿空气水蒸气含量的差值，差值越大，干空气吸湿的速度就越快，干燥时间就越短。因此，对影响干空气干燥时间的因素进行分析可以更好地控制干空气干燥的施工过程，以达到最经济合理的目的。现通过所编制的仿真应用软件计算分析影响天然气管道干燥时间的各个因素。

现假设要干燥一条天然气管道，具体参数：管道长度为 150km，管径为 1.016m，环境温度为 10℃，管道吹扫压力为 0.05MPa，所注干空气露点为-40℃，管道擦拭后管壁水膜厚度为0.1mm，管道干燥后在管道出口处要求达到合格的露点为-20℃，干空气的流量为 10 000m3/h。以下因素分析时，将在只改变其中1个单因素值、其他因素值不变的情况下进行。

3.1 干空气流量

假设干空气流量为4 000～14 000m3/h，在其他条件参数不变的前提下，应用软件分别计算各个流量下干燥所需时间，变化趋势如图2所示。从图 2中可以看出，干空气的流量越大，其干燥时间越短，当干空气流量高于12 000m3/h以后，干空气流量的增加对缩短干燥时间的影响越来越小。考虑到经济性，增加干空气的流量也就需要增加更大压力的空压机以及制取干空气的设备，其费用也越来越高。因此，干空气的最佳流量为4 500～13 500m3/h，但在实际工程中，还是应该根据现场的具体情况来确定干空气的流量。

图2 干空气干燥时间与干空气流量关系曲线

3.2 干空气露点

假设干空气露点为-70～-10℃，在其他条件参数不变的前提下，应用软件分别计算各个流量下干燥所需时间，变化趋势如图3所示。由图3可以看出，干空气露点越低，所需干燥时间越短，但当所通干空气露点低于-50℃后，干燥时间斜率变化非常小，干空气对缩短干燥时间的作用越来越小，而制取干空气的费用却越来越高。因此，在实际干燥施工时，一般采用露点为-50～-35℃的干空气进行干燥，其经济性与实际效果最好。

图3 干燥时间与干空气露点关系曲线

3.3 环境温度

假设环境温度为-5～20℃，在其他条件参数不变的前提下，应用软件分别计算各个流量下干燥所需时间，变化趋势如图4所示。由图4可以看出，环境温度越高，干燥时间就越短。环境温度越高，越有利于水分的蒸发，同时干空气的吸水能力也越大，所以干燥效果也就越好。

图4 干燥时间与环境温度关系曲线

3.4 其他影响因素

影响管道干空气干燥时间的因素较多，除了以上3个主要因素以外，还有以下几点：

一是水膜厚度。管道中水的理想分布状态是一层均匀的水膜，但实际上管道中水的分布是不均匀的，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。就实际施工经验来看，水膜厚度越小，干燥时间就越短。这是因为水在管道中分布得越均匀，水与干空气的交换面积就越大，从而干燥就越快，干燥时间也就越短。因此，在管道干燥初期，首先用皮碗式清管器尽可能多地清除掉管道中的积水，然后再用泡沫清管器进行多次擦拭将管道中的水最大程度地摊开，形成一层均匀的水膜以增大与干空气的接触面积，这样干燥时间最短，干燥的效果最好、最经济。

二是管径。干燥管道的管径越大，所需要的干空气体积流量就越大，干燥所用的时间也就越多。

三是干空气的流速。干燥时间随干空气流速的增加而缩短，在合理流速范围内，干空气的流速越快，干燥时间越短，但管道中干空气的速度也不宜太快，以便气体有时间饱和。另外，由于水的快速蒸发吸热降低了管道中的温度，这样会使饱和空气的水含量下降，导致干燥效果不佳。因此，干空气的流速有一个最佳范围，干空气的流速一般应控制在2～5m/s的范围。

4 结论

本文从工程实际的角度出发，针对输气管道干空气干燥工艺特点，结合密闭稳定再干燥过程编制了干燥软件，可准确计算干燥及吸水所需时间，结果与现场实际符合度比经验公式模型符合度更高，模型正确可靠，具有较好的现场应用及参考价值。对干燥时间的各影响因素进行了分析，发现干燥时间随干空气流量增加而减小，随干空气流速的增加而缩短，最佳流速 2～5m/s；随干空气露点降低而减小，最佳干空气露点为-50～-35℃；干燥时间随环境温度的升高而降低，随管径增大而增大。

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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. 输气管道干空气干燥影响因素研究. 石油规划设计，2011（3）：21～24

TE832

A

1004-2970（2011）03-0021-04

* 付先惠，女，工程师。2008年毕业于西南石油大学油气储运专业，获硕士学位。现在中国石油化工集团公司西南油气分公司工程技术研究院从事地面管网规划、工艺设计等。地址：四川省德阳市龙泉山北路298号西南油气分公司工程技术研究院，618000。E-mail：393060756@qq.com

2010-07-12

谷风桦