天然气的掺混技术及其应用 天然气的掺混技术及其应用

天然气的掺混技术及其应用

  • 期刊名字:油气储运
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  • 论文作者:曹雄,冯晓东,谭贤君,刘春杨
  • 作者单位:中国石油天然气管道工程有限公司,中国石油天然气管道局,中国石油管道研究中心,中国石油天然气股份有限公司
  • 更新时间:2020-03-24
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论文简介

10●油气储运2009年天然气的掺混技术及其应用曹雄‘(中国石油天然气管道工程有限公司) (中 国石油天然气管道局)谭贤君刘春杨(中国石油管道研究中心) (中 国石油天然气股份有限公司)曹雄冯晓东等:天然气的掺混技术及其应用,油气储运,2009,28(2) 10~13,70.摘要分析了城市天然气利用中多气源并存而产生的混用性能匹配、适应特殊用户的要求等五个方面的问题,根据分析结果,提出了利用随天然气动流量掺混方法、文丘里掺混方法等掺混技术解决管输天然气(PNG)、压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)等气体掺混问题的方案。主题词天然气液化天然气压缩天然气液化石油气掺混技术应用天然气是多种化工产品的原料气,也是优质的燃料气,使用和储运方便经济,并且清洁环保。随着二、天然气的种类(2)我国国民经济的快速发展,工业生产和居民生活对天然气的依赖程度越来越高,各地区、各城市燃气大根据开采方式天然气通常分为以下四类。规模的应用刚刚起步,能源的利用也正从单一能源(1)气田气。从气井直接开采出来的天然气。向多种能源转变,因此出现了不同类型的天然气不由于地域不同,各气井天然气的组分会有差别。能统一匹配、总体燃气供应量不足、特殊用户的要求(2)石油伴生气。伴随石油开采一起生产出来很难满足和供应不能连续等问题。分析这些问题的的天然气。成因,提出相应的解决方案,是保证燃气业健康有序(3)凝析气田气。从气井开采出来含有轻质馏发展的重要前提。分的天然气。(4)煤层矿井气。从井下煤层抽出的气体,气质- - .天然气的特性[1)随开采方式和地域有很大变化。天然气的组分主要为甲烷,同时含有少量其他三、天然气输送方式烷烃和烯烃,二氧化碳,硫化氢气体以及微量惰性气体。甲烷的物理参数如下。依据输送方式可分为以下三类。(1)分子式为CH,;(1)管输天然气(PNG)。管输天然气(PNG)通(2)无色,无味,无腐蚀性;常指在常温下使天然气以加压方式通过管道由气源(3)燃烧式为:输送至用户的天然气。管输天然气由于气源不同,CH +2O2 =CO2 +2H20+35.91 MJ/m2 ;组分也不尽相同,表1为国内主要管输天然气(4)热值为35. 91 MJ/m2 ;(PNG)的参数。(5)气态时密度为0.688kg/m2,液态时密度为(2)压缩天然气(CNG)。压缩天然气通常指在21 t/m2 ;常温下将气态天然气压缩至20 MPa以上充入特制(6)常压沸点为- 162C,高压容器中,由汽车运至用气点后再换热减压的天(7)爆炸极限范围为5%~15% V/V;然气形态及应用方式。目前国内CNG通常只有两(8)临界温度为-77C;种来源,即井口气加压或由长输管道下载加乐。(9)液态与气态体积比为1 : 600。由于加压过程中天然气无相变及无理化性能改■065000,河北省廊坊市和平路146号A座1305室电话:(0316)2074379.第28卷第2期曹雄等:天然 气的掺混技术及其应用●11.变,其特性参数与加压前的天然气基本相同。由船泊、汽车运至用气点后再加热气化的天然气形(3)液化天然气(LNG).液化天然气(LNG)是态及应用方式。我国目前市场上的LNG只有濮阳指将天然气冷却至一60C使其成为液态,在0.5中原与新疆广汇两个地方生产。此外,进口LNGMPa左右压力下充装人特制低温真空绝热容器中,也将于陆续到达中国。LNG特性参数见表2。.畏1国内主要管输天然气(PNG)的参数气源CC2C。nC. Cs 以上N:CO2HSMJ/m'陕京线天然气0.55 0.08 0. 010.01不详0.000235.2726西气东输天然气96.23 1.77 0.30 0.06 0.08 0.13 0.97 0. 470.002036. 352 8四川天然气97.291.04 0.22 0.01 0.01 不详 0.50 0. 870.020 035.836 5东海天然气87.23 4. 612.21 0.89 0.61 1.95 1.87 0. 6241.2655.冀东油田井口气84.05 9.98 1.53 0.12 0.21 不详 不详 2. 0738. 4441注所列数据均为某一标样的测试数据,仅供参考。表2 LNG 特性参数iC,nC,C,以上N2H2SMJ/m*濮阳中原95. 621.630.319 0. 1070.161 0. 1230.99.0.98336. 208 5新疆广汇82. 3011.24.60.80.540. 010.0942. 33深圳澳气.84.007.52.639.89注所列数据均为某-标样的测试数据,仅供参考。白数和燃烧势差别不大。这样,用户使用燃烧设备四.天然气利用中存在的问题的效果就不会因为气体种类存在差别而受到影响,与相应的解决方案[)也方便了燃气公司的统-计费要求,减少了运营成本,同时还满足了单-气源供应量不足的问题。1、不同类型天然气混用性能匹配统一的问题随天然气动流量掺混的流程示意图见图1..根据图1流程,高热值的天然气通常作为主动从以上参数可以看到,由于来源不同,各个地方气体,经过调压后进人流量计,流量计将经过温度压与公司处理程度不同,天然气(PNG ,CNG,LNG)之力补偿的标准体积流量信号远传致中央控制台,空间的热值存在较大的差异,例如PNG,陕京线天然气或者低热值燃气通常作为被动气体。同理,经过气与东海天然气之间热值相差约6 MJ/m3之多;而稳压后由流量计输出标准流量信号给中控台。依据LNG(广汇)与PNG(陕京)之间也相差7 MJ /m'.以上参数,中央控制台可确定掺混的比例,控制系统随着工业用气和居民用气需求的不断增长,许将调节气动调节阀的开度使空气(低热值燃气)以设多地区与燃气供应商不得不供应2种或2种以上的定的比例进入静态混合系统,静态混气机中的金属气源,这就产生了以下两方面的问题。板波纹填料及涡流发生器将使两种气体均匀混合。(1)如果几种天然气同时使用,虽然可以满足用热值仪对混合后的燃气进行连续在线检测,并且将气量的要求,也可以利用其中的一种天然气作为机信号反馈至中央控制系统,系统将根据热值的偏差动气源卡补充其他天然气的缺口,但由于天然气性随时微调气动调节阀的开度,最终将混合气热值稳能的差别,就会影响燃烧的效果。定在设定的范围内,同时热值仪与氧气分析仪等监(2)由于天然气间的性能差别,燃气公司供应的控仪表对混合气的安全范围进行监控,当参数超标各种天然气的成本也不相同,如果同时进入一条管时,系统会自动调节并且发出声光报警,而当参数突道供应,就会影响燃气公司的收费计量。破设定的上下限时,控制台会自动关闭紧急切断阀,解决方案是,因为天然气之间的差别主要在于确保运行的安全。热值,而热值的差别一般不超过土10%,所以在解决2、适应特殊用户的要求问题此类问题经常使用随动流量掺混方式,即在高热值(1)许多工业用户对热值的波动有严格的要求,天然气中混合少量空气或者低热值燃气,使高热值即燃气热值的波动应低于士2%,如果热值波动超出天然气与常规的天然气的热值相同或相近,并且华这个范围,就会降低产品品质或者增加废品率,例如●12●油气储运2009年玻璃行业、电子行业(显象管制造等)、照明产品制且污染严重的煤制气,例如水煤气、焦炉煤气等,而造、陶瓷行业、特殊的热处理等。在目前国内使用的使用天然气后就要放弃原来的煤气气源,但煤气管几种天然气当中,即使同一种天然气的热值的波动网压力低,用户灶具也是按照煤气气源配置的,如果也超过了士2% ,所以无论哪一种天然气都无法满足直接改用天然气,就要重新铺设管道(或者改造管用户的要求,几种天然气同时使用更无法满足用户道) ,同时也要改换灶具,这样需要大量的资金,这是的要求,这就要对天然气进行不同气源的掺混。燃气公司和用户难以承受的。常用的解决方案是采用随动流量掺混方法,向针对这类用户,常用的解决方案是采用文丘里天然气中加入少量空气以降低热值,同时将混合气掺混方法,即需要自吸环境中的空气,不需要加压和的热值波动控制在土2%之内;或者在天然气中加入除湿,运行费用低。同时,由于用户要求出口压力比少量液化石油气等高热值燃气使其热值升高,并且较低,其掺混方式出口压力(通常低于0. 04 MPa)较将混合气热值波动控制在土2%之内,以满足用户工低的缺点反倒成为了优点。另外,文丘里掺混方法艺的要求。具有本安特性,运行安全可靠。文丘里掺混方法流(2)也有一些中小城市的用户原来使用成本高程示意图见图2。-23-pρ一两一0一空气或低热值天然气流最计(带温度压力补偿)调压器混合气混合器紧急切断阀氧分仪热值仪中央控制台流量计(带温度压力补偿)贸299↑混合器999?高热值天然气防爆电动调节阀流量计图1 随天然气动流量掺混的流程示意图文丘里混气机不能保证连续性,例如PNG,如果以油井口气作为气源,每间隔1~2年就必须进行15~20天的管道混合气出口检修。如果以海上气井作为气源,在台风到来时就(LNG)t四需要停气。在西气东输工程沿线的城市中,由于各地区季节用气量的不均衡,加之对下游燃气公司采用照付不议协议,燃气公司很难保证冬季的最大用气量,所以在冬季会出现燃气供应的峰值缺口。CNG现已大量应用于华北地区,如果冬季用气量骤图2文丘里據混方法流程示意图增,以西气东输管道为依托下载的CNG母站因气较高压力的天然气经过门站减压后进入文丘里量紧张,常常陷入无米为炊的境况。依赖井口气压混气机,在文丘里管中形成负压吸人环境中的空气,缩的母站,也会因为冬季运途中恶劣的雨雪天气而混合后进入管网或者原来的煤气气柜,再供应用户●大大影响向外输送的能力,CNG橇车因无法准时到3、备用气源与调峰气源的问题达而造成暂停供气,使主要利用CNG的用户陷人近年来,无论PNG、CNG还是LNG,供气中都困境。国内生产的LNG目前只能由汽车运输,最第28卷第2期.曹雄等:天然气的掺混技术及其应用远的子站有时在几千公里之外。运力与运途中的问混方式不能持续满足喷射压力,因此适宜利用层叠题很难解决,而气候的影响最为严重,即使进口的涡旋风机提供空气气源的移动掺混方式。因为需要LNG已经到达,也不可能完全解决运输问题。如果移动,所以掺混系统在设计时考虑了使用简单、方便因为这些原因而发生停止供气或者供应量不足的问的原则,通常采用三个单元组成,即气源单元、气化题,居民生活受将受到严重影响,工业用户可能面临混气单元和控制单元,各单元相互独立,方便运输,停产或者减产的局面。解决这些问题有两个方案可各单元间的联络电缆、连接软管均预制成快装方式,供选择,一是建设地下储气库,但是投资巨大,中小设备运抵现场后应能在30分钟内连接完毕向用户燃气公司或者工业用户都很难承受;二是以液化气供气。混空站作为备用气源,该方案的可行性较强,首先,该系统无需对液化气进行增压,即可提供中压液化石油气来源广泛,存储便利,并且液化气混空站(0.3~0.4 MPa)代天然气,气源供应采用液相钢瓶投资相对较小。对于用气量较小的用户,可选择移供应,设2组电磁阀,根据液相出口的管道压力而自动掺混方式,见图3。动切换瓶组。气化器通常采用电加热,也可以用热液相钢瓶安全阀电热水浴水式气化器,方便移动和提供加热能源。层叠涡旋风机供气压力稳定,风量控制容易,同时总功率也比A组面面直气化器去用户较小。对于用气量相对较大而用气压力要求较低的用B组自有名高压比例发防爆气泵 .户,可以选择文丘里掺混方式;对于用气量较大而压混气机力要求也较高的用户,可以选择高压比例掺混方式。图3移动掺混方式流程示意图该方式技术上成熟,操作简单,供气量大,非常适合由于液化气钢瓶的压力不能持续保持较高的压作为中小城市备用气源或调峰气源。高压比例掺混力.瓶组加压比较困难,也比较麻烦,采用文丘里掺流程示意图见图4. .温水循环气化器。比例式混气机流景计稳压泵汽车槽车装卸号储謐回'缦冲罐氧分仪合2冷干机中央控制台热水泵-g Jpodare一级调压器畔二级调压器空气缓冲罐抽液罐空气压縮机图4高压比例掺混流程示意图液化气和压缩空气由比例混气机的两个进口各孔尺寸。混气阀中的活塞既可左右旋转改变两种气自进人混气机本体上的调压器,其中空气调压器作体的进口孔的面积,从而改变混合气中两种气体的为主动阀,其设定压力即为混气机的工作压力,液化比例,又可随着用气量的变化而上下浮动,自动跟踪气调压器为随动阀,其设定压力与空气压力相同并用气量的变化调节混气机的流量。实时跟踪气压力的波动,以确保两种气体以基本相4、管网故障的不间断供气问题同的压力进入混气机内。在两种气体的物理特性及国内许多城市的燃气管网为多年前铺设,以钢双气差压基本确定后,决定流量的只有混气阀的开(下转第70页)由气储运2009年201MPa,仅为管材屈服强度(360MPa)的56%,满规范或标准指导管道缺陷的复合材料维修补强,建足了管道修复补强的技术要求。由此可见,碳纤维议使用有限元数值模拟方法辅助复合材料补强复合材料补强层能够有效地降低管道缺陷的应力水设计。.平,控制管道的径向膨胀,保证管道修复补强后恢复(3)加强碳纤维复合材料维修补强应用范围和正常的运行压力。实践证明,鄯善输气站站内管道应用条件的进一步研究,以便更好地指导复合材料缺陷设计的复合材料补强方案是安全可行的。维修补强作业。鄯善输气站站内管道多处大面积外腐蚀缺陷经风险评估后,采用了碳纤维复合材料进行修复补强参考文献后,管道均恢复了正常的运行压力。1,路民旭陈迎锋等:管遘维 修补强技术及其发展趋势,油气储运,2005,24(1).2,Stephens D R and Kilinski T J ; Field validation of composite四、结论repair of gas transmission pipelines, Final Report to the GasResearch Institute Chicagollinois .GRI-98/0032,April 1998.(1)随着管道完整性管理理念在我国的逐步推3, Chris Alexander, Bob Francini, State of the aet asessment ofcompoaite systems uset to repair transmissione, Proceeding of广,对油气输送管道维修过程的安全性和经济性的Icp 2006 , 6th International Pipeline Conference,September 25~要求也越来越高。碳纤维复合材料修复补强技术是29 ,Calgary ,Alberta,Canada.一种快速、安全而经济的缺陷管道修复技术,将在我国油气输送管道维修补强中得到越来越多的应用。(收藊8期,2008-01-31)(2)针对现阶段没有成熟的复合材料补强设计(上接第13页)管居多,在严重腐蚀的情况下,很容易发生泄漏,加为能源,如果选择其他能源管输天然气,又需要更改之近年来城市处于飞速发展状态,在建设中也非常设备,给供求双方都带来一定的损失。容易造成地下管道破损漏气的事故。由于燃气的易解决方案是,采用移动式中压比例掺混系统先燃易爆特性,检修时需要停止下游燃气供应,这样一行向用户供应代天然气。当管网铺设到达后移动掺方面给下游的居民带来生活不便,或给工业用户造混系统可作为抢险设备,也可运至更远区城用作用成损失,燃气供应商也由于违反供气合同而蒙受经户拓展。相对于建设固定混气站,该方式大大降低济损失;另一方面恢复供气时必然导致不安全因素了建设时间与投资成本。的增加。采用移动式中压比例掺混系统,即可向下游提供1 000 m'/h以下流量的代天然气。该混气五、结束语;装置可由汽车运至事故点下游,在30分钟内投入使用,由钢瓶内的液化石油气混制代天然气(也可混制随着我国长输管道的建设,城市天然气利用工代油制气与代焦炉气)。装置按户外型设计,并配有程不断兴起,各类燃气用户的要求不断提高,多种气独立控制室,安全可靠,使用便捷,待漏点修复,恢复源并存的格局中也将会产生更多应用上的问题,通供气后即可用汽车运走。过业界的共同努力,将会有更合适的解决方案。5、管道暂时无法到达区域的用户拓展问题居民用户尤其是大型工业用户的供气拓展对任何燃气公司都是至关重要的。当用户在管输天然气即将到来但未到来时,或者管输天然气无法到达,同1,项友谦:燃气熱力工程常 用数据手册,中国建筑工业出版社(北时这些用户用气量相对较大或者属于知名企业,这京)1999.对燃气公司而言是一一个技术难题。如果建立CNG2,段常贵 t燃气输配,中国建筑工业出版社(北京) .2001.3,刘新哲章崎平;天然气应用中 的问题及解决方案,煤气与热供应站,但经常是气源不易确定,投资也相对较大;力.2005(7).如果建设LNG站,但投资相对CNG站更高。在这种情况下,用户或是等待,或是转而选择电能或油作(收稿8期:2008-03-12)

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