Гидратообразование в газопроводах и борьба с ним

Нормальная эксплуатация магистрального газопровода может быть обеспечена при качественной осушке природного газа на промысловых пунктах подготовки. Наличие влаги в газе при некачественном ее отделении часто является причиной образования газовых гидратов.

Гидраты газов представляют собой кристаллические соединения, образованные ассоциированными молекулами углеводородов и воды и имеющие строго определенную структуру. Состав гидратов выражается формулой C_nH_2n+2×mH₂O: CH₄×6H₂O; C₂H₆×7H₂O; C₃H₈×18H₂O. Внешне гидраты напоминают кристаллы льда или мокрый спрессованный снег. Скопления гидратов в линейной части газопроводов могут вызвать частичную или полную их закупорку и тем самым нарушить нормальный режим работы магистрали.

На процесс образования гидратов влияет состав транс­портируемого газа, содержание воды, давление и температура. Обязательными условиями существования гидратов является снижение температуры газа ниже точки росы, при которой происходит конденсация паров воды (наличии капельной влаги в газе), а также ниже температуры равновесного состояния гидратов.

Поскольку гидраты природных газов являются нестойкими химическими соединениями, любое отклонение от термодина­мического равновесия приводит к их распаду. Однако, если термо­динамическое равновесие сохраняется, скопления гидратов в газопроводе могут находиться длительное время. Поэтому для своевременного предупреждения образования гидратных пробок необходимо знать условия их возникновения и прогнозировать места их возможных скоплений [5,12,21].

Максимальное содержание влаги в газе на линии насыщения W определяют по графику в зависимости от давления и температуры (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Зависимость содержания влаги в газе при различных значениях давления и температуры.

При известном значении максимального влагосодержа­ния можно определить температуру, соответствующую точке росы, которая понижается при уменьшении давления. Условия образования гидратов природных газов с различной относительной плотностью можно определить по графику равновесного состояния гидратов (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Кривые равновесного состояния гидратов природных газов

Слева от кривых – область существования гидратов, а справа – область их отсутствия. Чем выше относительная плотность газа по воздуху, тем меньше давление, при котором образуются гидраты.

Для обнаружения зоны возможного гидратообразования необходимо знать влагосодержание и плотность транспортируемого газа, а также его температуру и давление. Для заданного участка в принятых масштабах строятся кривые изменения давления 1 и температуры 2 по длине газопровода. Используя кривые влагосодержания (рис. 2.18) и равновесного состояния гидратов (рис. 2.19), на этот же график наносятся кривые точки росы 3 и равновесной температуры гидратообразования 4 (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Положение зоны возможного образования скоплений гидратов

Рассмотрим в качестве примера определение зоны возможного гидратообразования в газопроводе протяженностью L.

Пусть AM – линия точки росы, которая в точке M совпадает с температурой газа в газопроводе. Так как газ на участке AM имеет температуру выше точки росы T(L)>T_Р(L), то он будет недонасыщенным, и следовательно в самом начале газопровода (зона I) влага выпадать не будет.

В точке M температура газа T(L) равна температуре точки росы T_Р(L). Это соответствует началу конденсации влаги на стенке газопровода (зона II). Однако, при снижении температуры от точки M до точки B гидраты образовываться не могут, так как температура газа в газопроводе T(L) выше равновесной температуры гидрато­образования T_РГ(L).

В точке B температура газа становится равной равновесной температуре гидратообразования T(L)=T_РГ(L). Следовательно, начиная с точки B, в газопроводе могут образовываться гидраты (зона III). Зона возможного гидратообразования будет распространяться до точки C, поскольку за ней температура газа становится выше равновесной температуры гидратообразования T(L)>T_РГ(L) и гидраты существовать уже не могут.

Участок CE соответствует наличию капельной влаги в газе и на стенках трубопровода, так как выполняется условие T(L)<T_Р(L).

Для построения графиков T_РГ(L) и T_Р(L) можно воспользоваться и эмпирическими зависимостями.

Температура, при которой газовые гидраты находятся в термодинамическом равновесии, рассчитывается из условий:

; (2.129)

, (2.130)

где P – давление газа в рассматриваемом сечении газопровода, МПа;

P_ГР – величина граничного давления, соответствующая критической температуре существования гидратов и равной 273 К, определяемая по формуле

; (2.131)

F₀ и F₁ – функции приведенной плотности газа , которые могут быть рассчитаны из соотношений

; (2.132)

. (2.133)

Приведенная плотность газа вычисляется по формуле

, (2.134)

где k – число гидратообразующих компонентов в газовой смеси;

a_i – объемная доля i-го гидратообразующего компонента в исходном газе;

D_i – относительная плотность i-го гидратообразующего компонента.

К гидратообразующим компонентам относятся CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀, CO₂ и H₂S. Азот, редкие газы (аргон, гелий) и нормальные углеводороды от пентана и выше не относятся к гидратообразующим.

Температура газа, соответствующая точке росы, может быть найдена по формуле

. (2.135)

где W – влагосодержание насыщенного газа, г/м3.

Для определения влагосодержания насыщенного газа наиболее удобна формула Бюкачека [12]

, (2.136)

где P – давление газа, МПа;

A, B – коэффициенты, зависящие от температуры газа;

C_r – поправка на плотность газа;

C_S – поправка на соленость воды.

В условиях магистрального газопровода значения поправок C_r и C_S можно принять равными единице. Значения коэффициентов A и B могут быть представлены уравнениями

; (2.137)

. (2.138)

где T – температура газа в рассматриваемом сечении, К;

Все представленные расчетные зависимости имеют среднее квадратическое отклонение в пределах 1% и хорошо согласуются с табличными и графическими данными. Применение расчетных формул удобно для составления программ расчета на ЭВМ, что позволяет значительно упростить поиск зоны возможного гидратообразования в магистральном газопроводе.

Дата добавления: 2014-01-05