真空干燥法在城市天然气管网施工中应用

薄振刚 李庆合 希玉辉 张守金 张博

摘 要：

天然气作为一种重要的清洁能源，在中国城市的能源结构比例中日益增加，城市天然气管网建设在城市发展过程中也就显得尤为重要。天然气管网在投入使用前需要进行管网干燥，减少管道网内液态水及游离态水，消除管道投产以后可能产生冰堵对管道输送效率、天然气品质及运营安全的影响。与以往传统的干燥方法如干空气干燥、氮气干燥、甲醇干燥等工艺相比，真空干燥法具有干燥更加彻底、更加节能、更加安全的特点，本文就对真空干燥的基本工艺方法及在城市天然气管网始终中的应用进行初步的探讨和研究。

关键词：城市燃气天然燃气管网真空干燥管道施工

0 引言

从干燥发展的新态势可以看出，天然管网干燥不仅需要宏观领域里的新设备、新工艺、新技术及关于能源、产品等方面的研究，还要从微观上加强对干燥过程的认识，深入到复杂系统的内部，更科学、更准确地研究干燥现象。有了微观领域的研究，相信应当为宏观领域的研究做出贡献的。在管道行业的干燥施工中，干空气干燥工艺是国内外的干燥工艺中比较先进、比较成熟的干燥工艺，干空气干燥适合长距离的管道干燥施工，但在体积小、工艺管线相对比较复杂的城市管网中，存在这他的弊端。在此我们在广东天然气管网一期项目的站场施工中引进了真空干燥工艺，并取得了预期的效果，本文将对真空干燥法在站场干燥中的理论与应用即真空干燥的原理、干燥过程、影响因素、验收方法研究进行了研究与分析

1、真空干燥和干空气干燥的定义和比较

1.1真空干燥和干空气干燥的定义

真空干燥：利用真空泵机组，持续对密闭天然气管网进行抽真空作業，在真空的状态下，使管网内中的水份进行蒸发，从而达到对管网干燥的效果。

干空气干燥：利用露点在-40℃以下的干空气发送大量的泡沫清管器，对管道进行吹扫擦拭，在清管器运行过程中充分利用干空气的解析现象和吹扫能力，达到管道干燥的目的。

1.2 真空干燥和干空气干燥的比较

1.2.1适合的干燥容器：真空干燥适合比较复杂、管径变化多、汇管比较多，存在“盲区”的容器；干空气干燥适合比较简单，管径没有变化、容积比较大的容器，能应用清管器的擦拭，增长干空气在容器中停留的时间，使干空气能和管道中的水充分的解析。

1.2.2 外界的影响因素：真空干燥由于容器与外界隔断，只是在施工中吸收外界的热量，只收到外界的热平衡影响；干空气干燥，由于干燥机的能力受外界大气的湿度有一定的影响，但是影响变化不大。

1.2.3干燥的成本和工期的比较：对于站场干燥，真空干燥的成本比干空气干燥的成本低一些，工期相对于有保证；对与管线干燥施工中，干空气干成本比真空干燥的成本低一些，干空气的工期也比较短。

因此，建议在站场干燥施工中采用真空干燥工艺。

2 真空干燥工艺

2.1真空干燥前的准备

2.1.1干燥的容器进行初步的排水、扫水是否完成。

2.1.2干燥的容器是否与设备连接完毕，并且容器与外界隔断。

均达到以上条件后，方能进行真空干燥施工。

2.2 真空干燥工艺过程

真空干燥可分成三个阶段：抽气降压阶段、蒸发阶段、抽真空阶段。

图-1 真空干燥理论（压力-时间）抽气曲线

第一阶段：抽气降压阶段

此阶段主要是除去管道中的水蒸气和空气，降低管道中的压力。此时真空泵将管内空气抽出，压力迅速下降，形成负压。此降压过程将持续到压力降至水在管内温度下的饱和蒸汽压。此时压力即为水的饱和蒸汽压并与管内温度有关，一般情况下如果管道周围的热传递良好，管内温度与地温相当。

第二阶段：蒸发阶段

本阶段是真空干燥的主要阶段也是耗时最长的阶段。此时管道内压力达到了水的饱和蒸汽压，残留在管道内的水开始大量蒸发。真空泵持续工作不断抽出气体，使管道内压力不断降低，此时水分不断蒸发以弥补压力损失。此过程一直持续到管道内的水分蒸发完毕为止。如果周围热交换畅通，管道内的温度基本保持不变，那么管道内压力基本保持在水的饱和蒸汽压。

图-2 真空泵机组现场施工图

第三阶段：抽真空阶段

在第二阶段，此时管道内的明水已经全部蒸发，管道中仅有水蒸气，为了除去这些水蒸气，提高管道内的干燥程度，真空泵继续工作，压力开始下降，直至真空泵所能达到的最低压力。此时管道内所有的液态水全部蒸发完毕，管内空气几乎被全部抽出，管道中的压力保持水的饱和蒸汽压不变，由此可通过真空度直接计算出此时站场总的含水量。从而判断此时管道内是否已达到管线干燥的标准。

2.3 真空干燥检验方法

目前在国内真空干燥技术还没有完全成熟，如何对真空干燥验收也是见仁见智。简单、实用、有效的验收方法不但减少操作工序、缩短施工周期，还能减低施工成本。

国外目前普遍使用的验收方法主要有：

2.3.1 露点法

露点法是用在大气压下测量气体露点的方法判断管道内干燥程度的方法。先将管道内充满惰性气体直到压力达到0.1-0.2Mpa，然后静置12h，通过测量气体的露点变化判断干燥终点。

2.3.2真空度法

此方法是要求管道内压力达到一定的真空压力，此压力要比管道输送条件下最低环境温度水的饱和蒸汽压要低。然后静置4h，通过观察真空度变化判断干燥终点。

3 影响真空干燥的因素

3.1 温度影响

根据不同温度下的饱和蒸汽压，进行了比较。不同温度下水的饱和蒸汽压相差很大，尤其是0℃（610.4Pa）以下的饱和蒸汽压和10℃（1228Pa）以上的饱和蒸汽压之间相差更大。温度越高，水的饱和蒸汽压越高，相应使水沸腾汽化所需的真空度越小，干燥过程也就越易于进行。

因此采用真空干燥应用于城市天然气管网时，创造相应稳定的高的温度下施工环境对干燥实施有利。

3.2 真空泵的抽速和真空度

当管线的压力降低时，水的沸点也相应降低，管道中水将充分地汽化。真空泵的抽速决定了空气的流动速度，空气的流速越快，干燥越快。

泵的抽速对真空干燥的影响是双面的，如果在单位时间内水膜的蒸发量（蒸发率）过大，会使管道内的温度降低造成结冰。站场真空干燥时，由于站场内容积相对较小，真空泵在干燥的第二阶段抽速过快，将会导致管道内温度迅速下降，土壤不能及时补充热量造成结冰，管道内结冰不但会影响干燥速度，而且会造成真空干燥完成的假象。

根据实际应用的经验，如果管道内温度在15℃以上，很难产生结冰现象。

3.3 管道的沿程流阻

在真空干燥过程中，水蒸气沿管道流向真空泵的过程中，将受到管道的阻力，会使真空泵的抽速产生一定的损失。其损失的大小与管道的几何尺寸和气体的流动状态有关。站场内错综复杂的工艺管线不但会使管道阻力增大，导致真空泵抽速下降，而且会促使要抽出的水蒸气重新凝结，降低水蒸气抽出量，从而影响干燥进度。

因此在站场真空干燥施工中，可有效利用站场内的截断阀将管线分成几个区域，通过对每个区域单独抽真空，可有效降低水蒸气的沿程流阻，提高干燥效果，缩短干燥时间。

结束语

真空干燥作为具有相当优越性的干燥技术，在天然气管道干燥中将应用越来越广泛。特别是城市天然气管网，由于工艺结构的特殊性，管径不一、汇管众多、有大量弯头，干空气干燥效果并不理想而且工期也相对很长，真空干燥由于它的工艺特殊性，受工艺结构影响很小，而且干燥效果非常好，非常使用于城市天然气管网干燥施工。

参考文献：

[1] 赵宁，陈保东. 天然气管道干燥技术综述. 管道技术与设备 2010，2. 10-12

[2] 《Fundamental of Vacuum Technology》莱宝

[3] 《Oerlikon Leybold Vacuum》莱宝

[4] 王 波 焦永涛 刘 炀 赵智科.真空干燥施工简介.清洗世界 2005年8月

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。