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1 燃?xì)饧訚竦臍v史背景

城市燃?xì)饣翘岣叱鞘腥嗣裆钯|(zhì)量和改善城市環(huán)境的重要措施之一，也是實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化和智慧化的重要組成部分。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的城市能源，在改善我國城市的能源結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)環(huán)保、減少大氣污染等各個(gè)方面都發(fā)揮著越來越大的作用。近年來隨著天然氣資源、技術(shù)的開發(fā)和利用，天然氣在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于人工煤氣和液化石油氣，應(yīng)用越來越廣泛，逐步替代人工煤氣和液化石油氣。

由于燃?xì)鈿庠醇夹g(shù)和燃?xì)夤艿兰夹g(shù)等方面的歷史原因，國內(nèi)外大多數(shù)城市都經(jīng)歷了用鑄鐵管網(wǎng)輸送人工煤氣的發(fā)展過程，鑄鐵管因其耐腐蝕、使用壽命長、施工簡單、不需要采取防腐措施等優(yōu)點(diǎn)，在城市燃?xì)馐聵I(yè)發(fā)展的早期得到了廣泛的應(yīng)用。

在天然氣大面積推廣的今天，可否直接用原有鑄鐵管輸送天然氣、如何定位管網(wǎng)壓力級(jí)別、管網(wǎng)系統(tǒng)是否需改造、鑄鐵管輸送效率評估、有無泄漏的安全隱患等諸多技術(shù)問題需要認(rèn)真研究和解決。

天然氣屬干燃?xì)?，沒有人工煤氣中的水分和芳香烴成分，因此在人工煤氣被天然氣置換后，鑄鐵管網(wǎng)的承插接口或機(jī)械接口處的密封材料內(nèi)飽含的水分和芳香烴成分會(huì)隨著天然氣的不斷傳輸逐漸失去，而導(dǎo)致干燥引發(fā)收縮變形，失去原有溶脹時(shí)的密封效果，存在燃?xì)庑孤┑陌踩[患。人工煤氣被天然氣置換后，如果不對鑄鐵管網(wǎng)的承插接口或機(jī)械接口處的密封材料采取有力措施，必然會(huì)造成大面積多點(diǎn)燃?xì)庑孤?。防止人工煤氣與天然氣置換過程的鑄鐵管接口泄漏措施有很多方法，最有效的方法是更換管道，但這要受到管網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)間、材料采購成本、管溝開挖許可和可能性等諸多因素制約，根據(jù)國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全部實(shí)現(xiàn)、或迅速實(shí)現(xiàn)沒有可能，只能逐步完成，重點(diǎn)地區(qū)優(yōu)先解決，有些可能長期無法解決，如香港特別行政區(qū)目前還有上百公里鑄鐵管網(wǎng)沒有更新改造。

事實(shí)上，絕大部分鑄鐵管屬于低壓管網(wǎng)，全部集中在城市相對發(fā)達(dá)的中心城區(qū)，任何事故造成的環(huán)境污染、人身傷害、經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響都是無法估計(jì)的。

2 燃?xì)夤芫W(wǎng)加濕機(jī)理

加濕技術(shù)經(jīng)過國外發(fā)達(dá)國家嚴(yán)格測試，被認(rèn)為是防止管網(wǎng)泄漏的有效方法。結(jié)合國內(nèi)管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，必須注意含有芳香烴成分的加濕劑對聚乙烯(PE)管的溶脹作用。

燃?xì)饧訚癫⒉皇呛唵蔚南蚺f有鑄鐵管道中加水，國內(nèi)外科技人員從實(shí)踐中總結(jié)多種成功和失敗的加濕方法，基本形成了一種有效的加濕技術(shù)理論，也生產(chǎn)了大量的加濕設(shè)備和幾種有效的加濕劑。根據(jù)秦朝葵等人的《天然氣加濕輸送技術(shù)簡介》，“中壓燃?xì)饫潇F化加濕法”的理論依據(jù)是文丘里技術(shù)，加濕劑在一定壓力的燃?xì)庖湎?，通過文丘里噴嘴攜帶加濕劑通過噴嘴霧化成20 μm左右的霧滴進(jìn)入低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)，使天然氣中含有一定的加濕劑，其性能接近人工煤氣的含“濕”量，達(dá)到溶脹鑄鐵管密封材料的作用。2.1 麻絲密封材料的機(jī)械接口加濕機(jī)理分析

對于麻絲填料密封件，從微觀上講是長鏈纖維素分子被其它有機(jī)分子束縛在一起而形成的一種纖維結(jié)構(gòu)。這種纖維結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基團(tuán)，使之具有吸附水或多元醇的能力，而被吸附的水或多元醇又利用氫鍵在相鄰纖維素鏈之間建立聯(lián)接。具體表現(xiàn)為麻絲填料吸附水或多元醇后使得纖維素分子相互排斥，形成麻絲填料呈現(xiàn)放散狀膨脹狀態(tài)。當(dāng)然，該過程是可逆的，如果麻絲填料處于干燥的環(huán)境中，就會(huì)解吸水蒸氣或多元醇，填料出現(xiàn)干枯、收縮，引起燃?xì)庑孤?，漏點(diǎn)不斷增加。

基于該基本原理，加濕技術(shù)早期主要以加水蒸氣或水為主，近年來開始加含有末端羥基團(tuán)的有機(jī)化合物，例如乙二醇(MEG)等。盡管該機(jī)理僅僅是一個(gè)極其簡化的模型，但它解釋了為什么只有包含兩個(gè)或更多羥基團(tuán)、且能與氫鍵結(jié)合的物質(zhì)才適用加濕的原因。加濕劑的載體是燃?xì)獗旧恚虼思訚駝┍厝皇且哉羝男问皆谌細(xì)庵休斔?，而加濕劑蒸汽在燃?xì)庵械暮靠梢杂蔑柡投葋碓u價(jià)，即燃?xì)馑軘y帶加濕劑蒸汽的量與最大能力之比。

針對鑄鐵管使用麻絲密封材料的承插式接口，可用加濕劑有水、乙二醇和二甘醇等，下面主要對選用水蒸氣作為加濕劑和選用乙二醇作為加濕劑進(jìn)行分析討論。

2.1.1 選用水蒸氣作為加濕劑

用水(蒸汽)進(jìn)行加濕，是國內(nèi)應(yīng)用較多的加濕方法。此方法工藝流程簡單、原理清晰，加濕劑便宜。天然氣中水蒸氣的飽和度含量見圖1。

圖1 天然氣中水蒸氣的飽和度含量

用水(蒸汽)進(jìn)行加濕存在以下問題：

(1)蒸汽發(fā)生設(shè)備價(jià)格昂貴且體積龐大，操作復(fù)雜。

(2)能耗及運(yùn)行費(fèi)用較高。

(3)冬天氣溫較低時(shí)，管網(wǎng)中容易產(chǎn)生凝結(jié)水，影響調(diào)壓器、過濾器等設(shè)備的工作。

(4)傳輸距離較近，作用半徑相對較小。

(5)對天然氣的熱值略有影響。

2.1.2 選用乙二醇作為加濕劑

乙二醇主要用作聚脂纖維(滌綸)的原料，另常用作防凍劑。乙二醇適用于承插式麻絲接口的加濕劑，天然氣中乙二醇蒸汽的飽和度含量見圖2。

圖2 天然氣中乙二醇蒸汽的飽和度含量

乙二醇做加濕劑，相對于水有以下優(yōu)勢：

(1)更易被麻絲吸附。

(2)飽和蒸汽壓約為水的 1/100，因此，處理同樣流量的天然氣，所需的乙二醇比水要少得多。

(3)不會(huì)出現(xiàn)冬季結(jié)冰的問題。

(4)乙二醇蒸汽占天然氣的容積百分?jǐn)?shù)很小，且蒸汽熱值與天然氣熱值較接近，它的燃燒產(chǎn)物和天然氣完全相同，加濕后不影響天然氣的性質(zhì)。

2.1.3 分析比較

研究表明，麻絲填料膨脹30%以上才能達(dá)到較好的密封效果，要保證這個(gè)膨脹率，需要燃?xì)庵兴魵獾娘柡投却笥?75%，而乙二醇的飽和度只需50%以上即可。由于管道中塵埃和雜質(zhì)也會(huì)吸附加濕劑，為了保證被保護(hù)接頭處加濕劑的飽和度，必須提高加濕處理站燃?xì)庵屑訚駝┑娘柡投?，顯然乙二醇在擴(kuò)大加濕站的作用半徑方面更有優(yōu)勢。另外，水蒸氣加濕要求的飽和度必須75%以上，如果飽和度控制不精確，更容易凝結(jié)成水，造成損失。

由于單位體積天然氣的最大加濕量乙二醇只有水的 1/100，顯然，在進(jìn)行天然氣加濕處理時(shí)，水的消耗要比乙二醇多100倍。所以乙二醇加濕設(shè)備要小巧得多，運(yùn)行費(fèi)用也要小得多。

水蒸氣大約占天然氣體積的0.6%～1.2%，由于水蒸氣沒有熱值，因此加濕后天然氣的熱值將會(huì)減小0.6%～1.2%。相反乙二醇占天然氣的體積百分比很小，而它同樣是可燃物，且有一定的熱值，因此天然氣加濕處理后熱值的變化可以忽略不計(jì)。

麻絲填料吸附乙二醇的過程是一個(gè)擴(kuò)散傳質(zhì)過程，因此在相同條件下，吸附量與填料和加濕劑的接觸面積有關(guān)，如果鑄鐵管接口處發(fā)生泄漏，泄漏的天然氣必然要通過填料，吸附過程就在泄漏通道的周圍進(jìn)行，加大了天然氣與填料之間的接觸面積，于是在泄漏接口處的吸附量就大大增加，填料得以膨脹，從而減小泄漏通道的尺寸，甚至完全密封。因此，天然氣加濕除了能在管道轉(zhuǎn)輸初期，使承插式鑄鐵管接頭填料始終保持處于一種膨脹狀態(tài)、防止發(fā)生泄漏外，還可以在已經(jīng)出現(xiàn)泄漏的鑄鐵管管網(wǎng)上使用，具有減少現(xiàn)有泄漏的修復(fù)能力。

當(dāng)然，加濕可減少泄漏的能力，受到許多因素的制約，例如：麻絲填料的狀態(tài)和填充密度、燃?xì)庵屑訚駝┑娘柡投取⑷細(xì)夤艿老到y(tǒng)的溫度、管道接口的初始泄漏率以及處理早期管內(nèi)沉積物的數(shù)量和種類等。

2.2 橡膠密封的機(jī)械接口加濕機(jī)理分析

對于橡膠密封件，影響其密封性能的是能溶解橡膠的芳香烴溶劑含量。當(dāng)橡膠接觸到芳香烴蒸汽時(shí)，溶劑能擴(kuò)散到橡膠的內(nèi)部，使其不斷溶脹，如果加入過量加濕劑，就可能會(huì)引起橡膠膨脹過度，在墊圈位置上脫落，反而引起更嚴(yán)重的泄漏。因此，在用芳香烴溶劑加濕處理天然氣時(shí)必須對飽和度進(jìn)行控制，同時(shí)不能對新的機(jī)械接口管道進(jìn)行加溶劑處理。

國內(nèi)常用的溶劑有粗苯、洗油、異丁基油等，根據(jù)張惠明等人的《天然氣管網(wǎng)加濕工藝的研究》，無論是浸漬實(shí)驗(yàn)，還是氣相接觸實(shí)驗(yàn)，粗苯對于橡膠塊的吸附溶脹作用最為強(qiáng)烈。

國外常用溶劑有三甲基苯和餾出油(Distillate)。由于橡膠對芳香烴相當(dāng)敏感，因此三甲基苯加濕設(shè)備加濕量的控制要求更高、更嚴(yán)格。餾出油是石油初期處理的柴油系餾分，芳香烴的含量10%～20%，所以使用餾出油作為加濕劑，可以降低橡膠對加濕劑的敏感性，使之更容易控制，從而減少橡膠材料的過度膨脹，避免從固定位置上脫落，減小對機(jī)械接口產(chǎn)生不利影響的概率，因此更安全。

使用溶劑或油對燃?xì)膺M(jìn)行加濕處理，不需要很高的飽和度。試驗(yàn)表明，對于餾出油只需要10%的飽和度就可以滿足要求。另外，橡膠密封材料對膨脹劑的解吸附作用要比麻絲填料慢的多，但是它的吸附速度卻要比麻絲填料快的多。

典型餾出油加濕處理天然氣流量見圖3。

圖3 典型餾出油加濕處理天然氣流量

3 天然氣加濕方法

本文主要討論氣體壓差冷霧化加濕法、鼓泡加濕法、噴淋加濕法和液體高壓強(qiáng)制霧化法。

3.1 氣體壓差冷霧化加濕法

系統(tǒng)利用調(diào)壓器前后的燃?xì)鈮翰钭鳛閯?dòng)力，因此無需額外動(dòng)力就可實(shí)現(xiàn)霧化加濕的功能。

壓力噴霧加濕系統(tǒng)由加濕劑儲(chǔ)液罐、霧化噴頭、調(diào)壓器、定時(shí)器、虹吸管等部件組成。系統(tǒng)利用天然氣調(diào)壓站前的中壓或高壓燃?xì)?，?jīng)設(shè)備調(diào)壓器減壓后，送到特制的霧化噴嘴形成高速燃?xì)饬?，高速燃?xì)饬鳟a(chǎn)生負(fù)壓，通過虹吸管引射儲(chǔ)罐中的加濕劑，形成天然氣和霧化加濕劑的混合物，送入被處理天然氣管道，實(shí)現(xiàn)加濕。

氣體壓差冷霧化加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 氣體壓差冷霧化加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 鼓泡加濕法

把用作載氣的天然氣通入被電加熱器加熱的加濕劑液池，氣流分布器把天然氣分成細(xì)小的氣流，增大天然氣與加濕劑的接觸面積，使天然氣逸出加濕劑液面時(shí)達(dá)到加濕劑蒸汽飽和。與此同時(shí)，另一部分稀釋用天然氣也通過浸在加濕劑液體里的盤管，使之溫度與加濕劑溫度一致。載氣天然氣和稀釋天然氣在儲(chǔ)罐上方進(jìn)行混合，使加濕劑蒸汽在天然氣中變成不飽和，避免這部分天然氣在進(jìn)入天然氣管道前因環(huán)境冷卻作用而造成加濕劑凝結(jié)析出。

鼓泡加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 鼓泡加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.3 噴淋加濕法

把天然氣載氣加熱后，通過加濕劑噴淋塔，實(shí)現(xiàn)加濕的目的。加濕設(shè)備通過測量天然氣流量和溫度來控制加濕劑計(jì)量泵，從而得到控制加濕劑的量的目的。為了增大氣液兩相接觸面積，噴淋塔(豎罐)裝載了多孔填料，使加濕劑能充分被天然氣載氣吸收攜帶。

噴淋加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 噴淋加濕法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.4 液體高壓強(qiáng)制霧化法

利用計(jì)量泵的高壓和特殊設(shè)計(jì)的霧化噴嘴，使加濕劑在高壓狀態(tài)下排出霧化噴嘴變成霧滴，達(dá)到良好的加濕效果，為了提高霧化的加濕劑的傳輸距離，配以電伴熱會(huì)收到更好的加濕效果。

液體高壓強(qiáng)制霧化法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 液體高壓強(qiáng)制霧化法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 加濕設(shè)備的選擇與加濕量的確定

4.1 加濕機(jī)的使用場所與設(shè)備選擇

有電力供應(yīng)場所：建議使用計(jì)量泵式的設(shè)備，即液體高壓強(qiáng)制霧化法進(jìn)行加濕(圖 7所述設(shè)備類型)；無電力供應(yīng)場所：建議使用氣體壓差冷霧化加濕法(圖4所述設(shè)備類型)。

4.2 加濕量的確定

加濕量是用加濕后的露點(diǎn)溫度來衡量的。加濕后的天然氣是多種不同成分——甲烷、其他可燃組分和水蒸氣、油蒸汽的混合物，水露點(diǎn)、烴露點(diǎn)分別對應(yīng)于水蒸氣、烴蒸汽的飽和度。將相對濕度換算為含水量或含油量來計(jì)算，其中影響參數(shù)包括壓力、干球溫度、其他氣體的含量。對不同壓力的管道，必須通過準(zhǔn)確的計(jì)算，才能確定在各種流量下所需的水和油的加注量。

加水的量通常是使處理后的天然氣達(dá)到 100%飽和，加乙二醇一般飽和度為50%。要求為：

(1)加濕后的露點(diǎn)溫度應(yīng)保持在人工煤氣的露點(diǎn)溫度水平。

(2)在加濕過程中，必須根據(jù)被加濕管道內(nèi)的天然氣流量來調(diào)節(jié)加注量，二者維持一個(gè)固定的比例。

為保持一定的加濕效果，通常在加濕點(diǎn)下游10 m 處(對噴霧方法)或送人工輸配管網(wǎng)之前(對加注蒸汽)，設(shè)置溫度監(jiān)測裝置，對加濕后的天然氣采樣，測量其濕度。

5 加濕實(shí)例

根據(jù)劉建軍等人的《天然氣加濕技術(shù)研究與應(yīng)用》，加濕劑的添加量按0.176 g/m3計(jì)算，年供氣量按1.2×108m3計(jì)算，每年的粗苯添加量為21.12 t。粗苯的價(jià)格按5 000元/t計(jì)，每年加濕劑(粗苯)的費(fèi)用為 1.048×105元，單位體積燃?xì)獾募訚駝┵M(fèi)用為8.75×10-4元。若采用英國P&L公司工藝，每1×104m3燃?xì)獾募訚駝┨砑恿繛?4.2 L，每年加濕劑(200號(hào)溶劑油)的添加量為50.4 m3，即40.32 t。加濕劑(200號(hào)溶劑油)的價(jià)格按15 000元/t計(jì)算，每年的加濕劑費(fèi)用為6.048×105元，單位體積燃?xì)獾募訚駝┵M(fèi)用為5.04×10-3元?？梢姴捎么直阶鳛榧訚駝┚哂忻黠@的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

6 結(jié)語

天然氣加濕處理在不更換管道的情況下，可以較為有效地解決原有鑄鐵管網(wǎng)轉(zhuǎn)輸天然氣后的管網(wǎng)接口泄漏問題。加濕劑以霧化或過熱蒸汽形式注入管網(wǎng)，并與天然氣快速混合，使之充滿整個(gè)管網(wǎng)，從而使管網(wǎng)的相關(guān)接頭的密封狀態(tài)得以控制，確保鑄鐵管管網(wǎng)維持正常運(yùn)行。當(dāng)然，加濕技術(shù)對于接口泄漏的修補(bǔ)作用并非在一朝一夕就能顯現(xiàn)，需有一個(gè)較長和持續(xù)的過程。中斷或停止加濕，短時(shí)間內(nèi)管網(wǎng)接口也并不會(huì)出現(xiàn)泄漏量的明顯增長，但隨著時(shí)間的推移，當(dāng)接口密封材料收縮干燥的狀態(tài)不斷加劇時(shí)，泄漏量必然隨之增加，因此，在選擇使用加濕技術(shù)和方案時(shí)，必須充分認(rèn)識(shí)和理解這一點(diǎn)。

由于加濕過程中加濕劑基本上是以氣相形式進(jìn)入管網(wǎng)，所以因管道泄漏而使加濕劑進(jìn)入周圍的土壤等環(huán)境中的量，可以忽略不計(jì)，不會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。加濕設(shè)施投資成本相對全部更換鑄鐵管的成本要小得多，同時(shí)維護(hù)費(fèi)用、使用成本也非常低廉。在現(xiàn)有管網(wǎng)設(shè)施中，特別是在中低壓調(diào)壓站等站場安裝加濕裝置相對來講比較煩瑣，如果能制定合適的系統(tǒng)加濕方案并結(jié)合天然氣工程中站場項(xiàng)目同步實(shí)施則比較方便。