真空干燥法在城市天然氣管網施工中應用

薄振剛 李慶合 希玉輝 張守金 張博

摘 要：

天然氣作為一種重要的清潔能源，在中國城市的能源結構比例中日益增加，城市天然氣管網建設在城市發展過程中也就顯得尤為重要。天然氣管網在投入使用前需要進行管網干燥，減少管道網內液態水及游離態水，消除管道投產以后可能產生冰堵對管道輸送效率、天然氣品質及運營安全的影響。與以往傳統的干燥方法如干空氣干燥、氮氣干燥、甲醇干燥等工藝相比，真空干燥法具有干燥更加徹底、更加節能、更加安全的特點，本文就對真空干燥的基本工藝方法及在城市天然氣管網始終中的應用進行初步的探討和研究。

關鍵詞：城市燃氣天然燃氣管網真空干燥管道施工

0 引言

從干燥發展的新態勢可以看出，天然管網干燥不僅需要宏觀領域里的新設備、新工藝、新技術及關于能源、產品等方面的研究，還要從微觀上加強對干燥過程的認識，深入到復雜系統的內部，更科學、更準確地研究干燥現象。有了微觀領域的研究，相信應當為宏觀領域的研究做出貢獻的。在管道行業的干燥施工中，干空氣干燥工藝是國內外的干燥工藝中比較先進、比較成熟的干燥工藝，干空氣干燥適合長距離的管道干燥施工，但在體積小、工藝管線相對比較復雜的城市管網中，存在這他的弊端。在此我們在廣東天然氣管網一期項目的站場施工中引進了真空干燥工藝，并取得了預期的效果，本文將對真空干燥法在站場干燥中的理論與應用即真空干燥的原理、干燥過程、影響因素、驗收方法研究進行了研究與分析

1、真空干燥和干空氣干燥的定義和比較

1.1真空干燥和干空氣干燥的定義

真空干燥：利用真空泵機組，持續對密閉天然氣管網進行抽真空作業，在真空的狀態下，使管網內中的水份進行蒸發，從而達到對管網干燥的效果。

干空氣干燥：利用露點在-40℃以下的干空氣發送大量的泡沫清管器，對管道進行吹掃擦拭，在清管器運行過程中充分利用干空氣的解析現象和吹掃能力，達到管道干燥的目的。

1.2 真空干燥和干空氣干燥的比較

1.2.1適合的干燥容器：真空干燥適合比較復雜、管徑變化多、匯管比較多，存在“盲區”的容器；干空氣干燥適合比較簡單，管徑沒有變化、容積比較大的容器，能應用清管器的擦拭，增長干空氣在容器中停留的時間，使干空氣能和管道中的水充分的解析。

1.2.2 外界的影響因素：真空干燥由于容器與外界隔斷，只是在施工中吸收外界的熱量，只收到外界的熱平衡影響；干空氣干燥，由于干燥機的能力受外界大氣的濕度有一定的影響，但是影響變化不大。

1.2.3干燥的成本和工期的比較：對于站場干燥，真空干燥的成本比干空氣干燥的成本低一些，工期相對于有保證；對與管線干燥施工中，干空氣干成本比真空干燥的成本低一些，干空氣的工期也比較短。

因此，建議在站場干燥施工中采用真空干燥工藝。

2 真空干燥工藝

2.1真空干燥前的準備

2.1.1干燥的容器進行初步的排水、掃水是否完成。

2.1.2干燥的容器是否與設備連接完畢，并且容器與外界隔斷。

均達到以上條件后，方能進行真空干燥施工。

2.2 真空干燥工藝過程

真空干燥可分成三個階段：抽氣降壓階段、蒸發階段、抽真空階段。

圖-1 真空干燥理論（壓力-時間）抽氣曲線

第一階段：抽氣降壓階段

此階段主要是除去管道中的水蒸氣和空氣，降低管道中的壓力。此時真空泵將管內空氣抽出，壓力迅速下降，形成負壓。此降壓過程將持續到壓力降至水在管內溫度下的飽和蒸汽壓。此時壓力即為水的飽和蒸汽壓并與管內溫度有關，一般情況下如果管道周圍的熱傳遞良好，管內溫度與地溫相當。

第二階段：蒸發階段

本階段是真空干燥的主要階段也是耗時最長的階段。此時管道內壓力達到了水的飽和蒸汽壓，殘留在管道內的水開始大量蒸發。真空泵持續工作不斷抽出氣體，使管道內壓力不斷降低，此時水分不斷蒸發以彌補壓力損失。此過程一直持續到管道內的水分蒸發完畢為止。如果周圍熱交換暢通，管道內的溫度基本保持不變，那么管道內壓力基本保持在水的飽和蒸汽壓。

圖-2 真空泵機組現場施工圖

第三階段：抽真空階段

在第二階段，此時管道內的明水已經全部蒸發，管道中僅有水蒸氣，為了除去這些水蒸氣，提高管道內的干燥程度，真空泵繼續工作，壓力開始下降，直至真空泵所能達到的最低壓力。此時管道內所有的液態水全部蒸發完畢，管內空氣幾乎被全部抽出，管道中的壓力保持水的飽和蒸汽壓不變，由此可通過真空度直接計算出此時站場總的含水量。從而判斷此時管道內是否已達到管線干燥的標準。

2.3 真空干燥檢驗方法

目前在國內真空干燥技術還沒有完全成熟，如何對真空干燥驗收也是見仁見智。簡單、實用、有效的驗收方法不但減少操作工序、縮短施工周期，還能減低施工成本。

國外目前普遍使用的驗收方法主要有：

2.3.1 露點法

露點法是用在大氣壓下測量氣體露點的方法判斷管道內干燥程度的方法。先將管道內充滿惰性氣體直到壓力達到0.1-0.2Mpa，然后靜置12h，通過測量氣體的露點變化判斷干燥終點。

2.3.2真空度法

此方法是要求管道內壓力達到一定的真空壓力，此壓力要比管道輸送條件下最低環境溫度水的飽和蒸汽壓要低。然后靜置4h，通過觀察真空度變化判斷干燥終點。

3 影響真空干燥的因素

3.1 溫度影響

根據不同溫度下的飽和蒸汽壓，進行了比較。不同溫度下水的飽和蒸汽壓相差很大，尤其是0℃（610.4Pa）以下的飽和蒸汽壓和10℃（1228Pa）以上的飽和蒸汽壓之間相差更大。溫度越高，水的飽和蒸汽壓越高，相應使水沸騰汽化所需的真空度越小，干燥過程也就越易于進行。

因此采用真空干燥應用于城市天然氣管網時，創造相應穩定的高的溫度下施工環境對干燥實施有利。

3.2 真空泵的抽速和真空度

當管線的壓力降低時，水的沸點也相應降低，管道中水將充分地汽化。真空泵的抽速決定了空氣的流動速度，空氣的流速越快，干燥越快。

泵的抽速對真空干燥的影響是雙面的，如果在單位時間內水膜的蒸發量（蒸發率）過大，會使管道內的溫度降低造成結冰。站場真空干燥時，由于站場內容積相對較小，真空泵在干燥的第二階段抽速過快，將會導致管道內溫度迅速下降，土壤不能及時補充熱量造成結冰，管道內結冰不但會影響干燥速度，而且會造成真空干燥完成的假象。

根據實際應用的經驗，如果管道內溫度在15℃以上，很難產生結冰現象。

3.3 管道的沿程流阻

在真空干燥過程中，水蒸氣沿管道流向真空泵的過程中，將受到管道的阻力，會使真空泵的抽速產生一定的損失。其損失的大小與管道的幾何尺寸和氣體的流動狀態有關。站場內錯綜復雜的工藝管線不但會使管道阻力增大，導致真空泵抽速下降，而且會促使要抽出的水蒸氣重新凝結，降低水蒸氣抽出量，從而影響干燥進度。

因此在站場真空干燥施工中，可有效利用站場內的截斷閥將管線分成幾個區域，通過對每個區域單獨抽真空，可有效降低水蒸氣的沿程流阻，提高干燥效果，縮短干燥時間。

結束語

真空干燥作為具有相當優越性的干燥技術，在天然氣管道干燥中將應用越來越廣泛。特別是城市天然氣管網，由于工藝結構的特殊性，管徑不一、匯管眾多、有大量彎頭，干空氣干燥效果并不理想而且工期也相對很長，真空干燥由于它的工藝特殊性，受工藝結構影響很小，而且干燥效果非常好，非常使用于城市天然氣管網干燥施工。

參考文獻：

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[2] 《Fundamental of Vacuum Technology》萊寶

[3] 《Oerlikon Leybold Vacuum》萊寶

[4] 王 波 焦永濤 劉 煬 趙智科.真空干燥施工簡介.清洗世界 2005年8月

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。