乙二醇对天然气水合物抑制性试验研究

2016-11-03董素军

甘肃科技 2016年12期

关键词：乙二醇水合物抑制剂

刘　飞，董素军

（山西省晋城市迈森燃气设备有限公司，山西　晋城　048002）

乙二醇对天然气水合物抑制性试验研究

刘飞，董素军

（山西省晋城市迈森燃气设备有限公司，山西晋城048002）

针对长输管线及调压站中水合物易生成的问题，分析了天然气水合物的生成原理，设计了乙二醇对两种不同天然气中水合物抑制实验。实验结果表明，质量分数越高的乙二醇抑制剂对天然气水合物的抑制效果越好，为实际生产提供了实验依据。

乙二醇；天然气；水合物；抑制性

1　概述

在长输管线输送天然气过程中，在调压站调压生产中，存在大量的调压设备，这会导致气体节流，天然气在节流处由于压力降低会导致温度的降低，节流压力降低越大，温度降低也会越大［1］。如果气体含水或者长输管线中有水，在温度较低的季节非常容易产生水合物，严重的话会出现冰堵，从而对长输管线输气安全以及管线和设备的腐蚀会造成极大的安全隐患，如果造成停输气事故的发生就会造成巨大经济损失以及社会影响［2］。

2010年11月底涩宁兰输气管道发生水合物堵塞事故。事故过程中兰州末站各供气支路发生压力降低的现象，而调压阀前的压力逐渐上升，前后压差逐渐增加，最高时达到了0.7MPa，调压撬中出现了水合物。2010年5月西气东输二线管道西段清管过程中，鄯善至哈密段管道清管过程中，第一次发球，清管器平均速度4.088km/h累计排污5240L，固体杂质90kg，清管器轻微磨损。第二次发球，清管器平均速度4.36km/h，累计排污1800L，经分析得到污物中99%为液态水。张掖—永昌段清管过程中，发生严重的水合物卡堵事故，导致清管器卡堵在管道中，而且采用了放空增加清管器前后管段压差、定位清管器卡堵位置后利用蒸汽加热管道的方法，经过5天5夜才从管道中取出清管器，取出清管器时收球筒中排出3.385m3的圆柱型冰柱，而且在随后排出4.5m3污物。收球筒中的水合物如图1所示［3］。

图1　收球筒中的水合物

2　天然气水合物形成机理

天然气水合物的形成主要有以下因素。第一、长输管线中的气体压力大于该气体所要形成的水合物的分解压力的时候，长输管线中的气体必须饱和水蒸气才能形成天然气水合物；第二、天然气在一定压力条件下必须小于该压力下的天然气水合物生成的临界温度才能够有形成水合物的可能。比如在气温较冷的地区，在冬季就极易形成天然气水合物；第三、有一定的含水量，按照常理，长输管线中输送的天然气都是干气，但是在实际生产过程中，不可避免的会含有一定的水，再加上遇到气体节流或者输气方向突变都对天然气水合物的形成会有积极的作用［4］。

另外天然气水合物的形成过程是首先由气体溶解，进而慢慢形成核结构，然后在继续团聚生长进入到生长区，如图2所示。在刚开始的时候晶核生成是非常困难的，这段时间就是诱导期，天然气水合物在诱导期中是存在很大的随机性的，只有水合物的晶核大小在饱和溶液中能够在当时的压力温度条件下到临界尺寸后，天然气水合物的生长期就会马上到来。图3所示的是水合物生成的机理。

图2　天然气水合物的形成和生长过程图

图3　天然气水合物形成机理

由图3可以看出，水分子在一定的温度压力条件下从初始A阶段经过不稳定的亚稳态B和C阶段最后生长到稳定核D阶段的过程，在D阶段能够形成比较大的水合物颗粒。在初始条件下，在一定温度压力条件下气体和水共同存在于一个体系中，两者会有相互作用，会形成大小不稳定的簇。在此期间，它们的状态非常不稳定，存在分解和继续生长为水合物晶胞的可能。很多水合物晶胞聚集在一起进入不稳定簇聚集的阶段，聚集的簇尺寸达到临界直径之后迅速生长。

3　实验与讨论

针对天然气水合物在不同压力条件下其生成的温度也不一样的特性，本文选用了两种不同含量的天然气进行试验，来测试不同压力条件下两种天然气中水合物的生成温度。实验所采用的天然气，其组分见表1。

表1　两种不同的天然气的各组分含量

采用某公司自主研发设计的蓝宝石天然气水合物实验装置，该实验装置可以直接观测到天然气在不同温度压力条件下的相态变化，通过实验测试了本实验两种天然气在不同压力条件下的水合物生成温度。实验结果见表2和如图4所示。

表2　两种不同天然气在不同压力下水合物生成温度（℃）

图4　两种不同天然气在不同压力下水合物生成温度

通过表2和图4可以看出两种天然气的生成水合物的温度都随着压力的升高而升高。在完成两种不同天然气的水合物产生的基础实验上，配制两种不同体积分数的乙二醇抑制剂来测试在不同压力条件下对两种组分不同的天然气的抑制效果。在实验准备过程搅拌速度为10r/min。

本实验中采用密度为1.22×103kg/m3分子量为62.07的乙二醇，配制两种不同质量分数的抑制剂，将其他条件均控制一致，通过实验来测试不同抑制剂对两种不同组分天然气的水合物生成的抑制效果。

1）抑制剂为质量分数为23.4%的乙二醇的抑制试验

配制的抑制剂中乙二醇和蒸馏水的体积比为1∶4，折算成乙二醇质量分数为23.4%。其抑制天然气水合物的温度实验结果见表3。

表3　天然气在质量分数为21.8%乙二醇抑制作用下的水合物生成温度（℃）

2）抑制剂为质量分数为44.9%的乙二醇的抑制试验

配制的抑制剂中乙二醇和蒸馏水的体积比为2∶3，折算成乙二醇质量分数为44.9%。试验结果如表4所示。

表4　天然气在质量分数为44.9%乙二醇抑制作用下的水合物生成温度（℃）

综合未加乙二醇抑制剂和加入两种不同浓度的抑制剂的天然气水合物试验结果，两种不同组分的天然气的抑制效果分别如图5和图6所示。

图5　天然气A在三种条件下的水合物生成温度

图6　天然气B在三种条件下的水合物生成温度

由图5可以看出在质量分数为23.4%的乙二醇，在0.5MPa压力条件下，天然气A在该抑制剂可以降低温度为14℃，在10MPa压力条件下，该抑制剂降低温度7℃。在15MPa条件下，该抑制剂可以降低温度为5.3℃。另外质量分数为44.9%的乙二醇在不同压力条件下相比质量分数为23.4%的乙二醇可以均再降低9℃左右，但是也表现出了随着压力的升高，抑制温度越来越小。所以可以得出质量分数为23.4%和44.9%的乙二醇抑制效果均随着压力的升高，抑制温度越来越小。质量分数为44.9%的乙二醇在不同压力条件下相比质量分数为23.4%的乙二醇可以均再降低9℃左右。

由图6可以看出在质量分数为23.4%的乙二醇在0.5MPa压力条件下，天然气B在该抑制剂可以降低温度为13.6℃，在10MPa压力条件下，该抑制剂降低温度7.6℃。在15MPa条件下，该抑制剂可以降低温度为6.5℃。另外质量分数为44.9%的乙二醇在不同压力条件下相比质量分数为23.4%的乙二醇可以均再降低7-9℃左右，但是也表现出了随着压力的升高，抑制温度越来小。所以可以得出质量分数为23.4%和44.9%的乙二醇抑制效果均随着压力的升高，抑制温度越来越小。质量分数为44.9%的乙二醇在不同压力条件下相比质量分数为23.4%的乙二醇可以均再降低7～9℃左右。

另外通过图5和图6可知，在相同压力条件下，质量分数越大的乙二醇抑制温度要明显好于质量分数较小的乙二醇抑制剂。在考虑成本的基础上，尽量采用质量分数较高的抑制剂可以有效的抑制天然气中水合物的形成。