天然气调压站冻胀现象的成因分析及防治措施

上海天然气管网有限公司 陈 佳

0 引言

天然气在经过场站调压装置后将会发生焦耳—汤姆逊效应，在节流处快速膨胀，产生急剧压降并导致气体温度急剧降低。对于进、出站压差较大的调压站，调压后设备和管道在冬季时将长期处于低温运行工况。若地下土壤含水量较为丰富，将容易造成埋地管道周围出现较厚的冻层。随着冻胀效应的加剧，会导致站内设备基础损坏、场站墙体出现裂纹、管道发生形变等危害，对场站的安全运行带来隐患。

为了避免冻胀现象的发生，必须采取有效措施，对可能出现天然气管道冻胀现象的调压站进行处置。

1 冻胀产生的原因

目前常用调压器均是基于节流膨胀的原理而工作的。天然气在调压器的流动过程中，受到局部阻力作用，使流体压力降低；同时由于这一过程发生极快，未能及时与外界环境进行大量的热交换，因此可以简化为绝热节流模型。

由焦耳—汤姆逊效应可知，绝热节流是一个强烈不可逆的焓值相等、压力下降的现象。根据能量守恒，节流前后的流体内部总能量不变，即分子运动的内动能、分子相互作用的内位能和宏观上的动能和势能等能量总和在节流前后不变。节流后，天然气体积增大，分子之间的距离增大，分子相互之间的内位能增大；宏观动能和势能变化不大，所以只能靠减小分子之间的内动能来转换成内位能；而分子运动的内动能与温度有关，内动能减小，外在表现为温度下降，因此，天然气节流膨胀的降温现象，是无法违背的客观规律。

根据统计数据，管道内气体压力每降低1 MPa，气体温度降低约4～5℃。调压站进、出站压差越大，温降也将越大，从而造成场站调压后的设备及管道在0℃以下低温运行，导致冻胀现象的发生。

2 冻胀的防治措施

冻胀现象形成的三要素包括：零度以下的低温、充足水分以及冻胀敏感性土壤。针对这三大要素，提出如下措施以避免冻胀现象的发生或减轻冻胀带来的不良影响。

2.1 加热法

目前最有效解决天然气管道冻胀问题的措施就是加热，采用加热炉直接加热管道内天然气可以彻底消除冻胀问题。尽管设置加热装置初始投资高、运行费用高，且对场站现场用地情况有较多要求，但该方法对冻胀具有非常好的防治效果，所以仍是国内外众多供气企业较为青睐的措施。

常用的加热设备有水套炉、真空炉及电加热器等。此外，还有利用其他能量来源对气体进行加热的研究，例如地热加热、太阳能加热等措施，这些加热法对环境依赖性较强，并不适用于所有情况。

2.2 换土法

不同类型的土壤在不同含水量下的冻胀性不同，当管道周围发生冻胀时，可以采用冻胀敏感性很小或是没有冰冻敏感性的土来替换冻胀敏感性土壤。换土法也是有效减轻冻胀的有效措施之一。

换土法防治冻胀，需将管道周围的冻胀性土壤置换成排水性好、冻胀性小的乱石和沙土，并在管沟内设置防水层，防止地面和周围土壤的水渗入到置换土壤中，最后在管沟底部设计集水沟，将沟底积水引入竖井，再使用抽水设备将水及时排出。

2.3 其它措施

除了上述防止冻胀的措施，也可采取改变场站运行条件、管沟敷设或改变管道结构等方式来缓解冻胀造成的影响。

(1)供气企业可通过与管网上下游协调，通过管网运行调度等措施，尽量缩小调压站进、出站压差，减小温降幅度，并降低天然气小时通过量，从而缓解冻胀强度。

(2)将调压后埋地管道土壤掏空，再新建管沟，使低温管道与含水土壤进行隔离。在管道防腐层检漏合格后，采用聚氨酯泡沫对管沟进行填充，实现管道的绝热保温。

(3)增加管道的柔性以减小土壤冻胀对管道和设备带来的不利影响，如在地上管道安装补充器、在埋地管道增设弯头等措施。

此外，天然气调压站在冬季运行期间，应重点关注流量、压力和温度等实时数据，密切观察站内工艺区的变形情况，并将冻胀问题作为事件类型纳入到应急预案中，以便及早发现问题、解决问题。

3 防治冻胀的应用实例

近年来，随着上海天然气市场的快速发展，主干管网下游用户的用气负荷激增，压差大的天然气调压站发生冻胀问题的比例有所增长。加之上海地区土壤含水量丰富，也直接加剧了冻胀强度，因此为防治调压站的冻胀问题，上海天然气管网有限公司对部分供气量相对较大、进出站压差大的场站进行了技术改造。

3.1 冻胀防治方案的确定

3.1.1 冻胀防治方案的选择原则

(1)防治措施有效实用，能达到预期的防冻胀效果。

(2)应与场站实际情况向结合，确保方案的可行性。

(3)在冻胀防治效果相同的前提下，应选择投资较小、后期维护较为简单的措施。

3.1.2 冻胀防治措施的选取

多种防治冻胀的措施虽具有一定效果，但目前使用最多的方法仍是加热法和换土法。由于是在已建场站进行的改造项目，受现场条件限制，仅能对调压后部分埋地管道实施换土改造，局部位置仍存在发生冻胀的可能，因此确定改造项目采用直接加热手段提高管道内天然气温度。

常用的天然气加热设备包括天然气水套炉、真空炉、热媒炉及电加热器等，几种加热设备特点见表1。

考虑到天然气调压站的热负荷需求量基本处于中等水平，热负荷需求量也会随着供气负荷的变化而有较大波动，并且使用天然气作为燃料气属于就地取材非常方便，因此根据上表中各类加热设备的适用范围，选取天然气水套炉作为调压站的加热设备。天然气水套炉产品较为成熟且系统简单，后期运行维护较为方便，被广泛应用于各领域。

3.2 加热装置的热负荷计算

以某调压站为例，计算加热装置的热负荷量。

3.2.1 天然气介质温度的确定

(1)计算公式

管输天然气中，当甲烷的体积含量大于 85%时，焦耳—汤姆逊系数及调压后天然气温度，可按下式计算：

式中：μJ——焦耳—汤姆逊系数，K/MPa；

cp——调压前天然气的定压比热容，kJ/(kg·K)；

T1——调压前天然气的温度，K；

T2——调压后天然气的温度，K；

p1——调压前天然气的压力，MPa；

p2——调压后天然气的压力，MPa。

(2)天然气介质温度的确定

通过对调压站历史运行数据的整理分析，确定p1=5.0 MPa、p2=1.3 MPa、T1=283 K(10 ℃)，计算T2=265.2K即-8 ℃。为实现调压站内调压后天然气温度不小于0 ℃，调压前天然气温度应达到18 ℃，即调压前、后所需温升Δt=8 ℃。

3.2.2 热负荷计算

理论换热量q计算按照稳态流动焓变热计算：

式中：W——天然气质量流量，kg/h；

cp——p1状态下的定压质量比热，J/(kg·℃)；

q——所需加热量，kJ/h或kW；

Q——天然气体积流量，m3/h；

ρ——天然气的密度，kg/m3。

调压站设计规模为60万m3/h，计算得出所需理论加热量为2160 kW，但由于实际节流过程为非稳态不可逆过程，存在能耗，故实际加热量在理论加热量的基础上又乘以了1.2系数，得出60万m3/h设计规模的调压站所需实际加热量约为2 600 kW。

鉴于各类加热装置存在不同的换热效率，故加热装置的额定热负荷需在计算出的加热量的基础上，另外考虑加热装置的换热效率方可确定。

3.3 天然气调压站新增加热装置的应用

天然气调压站改造选取的天然气水套炉由炉本体、燃烧系统、受热盘管及其他附件所组成。其工作过程为燃烧系统加热炉本体内的水，并把热量传递给受热盘管，输配管道中的天然气从受热盘管中通过进行换热，加热后再回到输配管道中。

冬季低温时，当调压站调压后温度低于0℃时，天然气水套炉开启。温度控制器把炉本体内水的水温控制在设定温度上，并按要求启动或关断燃烧系统来加热水。场站加热装置通过一段时间的使用，现场均未出现变形现象，达到预期防治冻胀的效果。

4 结语

天然气供应关系民生，安全稳定的供气是第一要务。通过对天然气调压站的加热改造，有效避免了冻胀的发生，大大提高场站的运行安全，为上海全市的天然气供应做好保障。