在天然气管道输送过程中, 水含量的高低直接反映出水分在管道中的凝析条件, 因此它是天然气加工、输送工艺设计中的重要基础数据。如果天然气中还含有H2S、CO2等酸性气体, 其水含量的高低将直接影响输气管道的腐蚀程度[1]。此外, 当天然气中水含量过高, 会造成液态水在管道中集聚, 降低管输效率, 严重时会生成水化物而引起管道堵塞。这一点对以压缩天然气为燃料的天然气汽车加气站尤为重要。因此, 规定水露点指标对天然气的生产、输送和使用均具有十分重要的意义。
天然气及类似气体的产品标准主要有GB 17820-2018《天然气》、GB 18047-2017《车用压缩天然气》、GB/T 33445-2016《煤制合成天然气》等[1-3]。另外, 我国还有一项针对进入天然气长输管道气体质量要求的标准GB/T 37124-2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》[4]。这些标准均对天然气水露点的指标进行了详细规定, 由于各标准的技术要求各异, 标准的使用者在评判水露点是否合格时可能存在诸多不同理解, 针对GB 17820-2018、GB 18047-2017和GB/T 37124-2018对水露点的技术要求, 详细解读了评判水露点是否满足要求的条件。通过应用实例, 分析讨论了气体中液态水形成的工况条件及现有标准规定水露点指标的局限性, 以期对从事天然气分析测试和质量管理的人员正确理解标准提供参考。
天然气及类似气体主要有常规天然气、非常规天然气(包括煤层气、页岩气和致密砂岩气)和煤制合成天然气等, 其产品标准如表 1所列, 其中, GB 17820是天然气工业的核心标准, 适用于通过管道输送的商品天然气, GB 18047适用于天然气增压处理后, 作为车用燃料的压缩天然气, 而GB/T 37124虽然不是产品标准, 但该标准规定了凡进入天然气长输管道的气体需满足的质量要求, 这些气体包括了常规和非常规天然气及煤制合成天然气。
在各类产品标准中, 气体中的水含量一般采用含量〔摩尔分数(10-6)或质量浓度(mg/m3)〕和水露点两种方式表示, 两者之间可通过GB/T 22634-2008规定的关联方程进行换算[5]。表 2中列出了天然气及类似气体产品标准规定的水露点或水含量指标。
表 2中规定的水露点指标大致可分成两类, 一类为定性指标, 另一类为定量指标。对于定量指标, 由于管输气体和车用压缩天然气差异较大, 因此对两者分别加以讨论。
与GB 17820-2012相比[6], GB 17820-2018删除了水露点的具体指标, 但在“输送和使用”一章中, 增加了“在天然气交接点的压力和温度条件下, 天然气中应不存在液态水和液态烃”的表述。与2012版标准相比, 2018版标准的定性指标不需要参考环境温度, 也不需要考虑环境温度的变化对水露点指标的影响。该标准强调在天然气交接点的压力和温度下, 无液态水为基本要求, 此规定需注意两点: ①无论交接点的压力和温度如何改变, 始终要求无液态水析出; ②包含潜在的含义, 即如果在交接点天然气中水蒸气已处于接近饱和状态时, 那么在气体输送过程中, 当压力升高或温度降低时, 随时可能会析出液态水, 将导致天然气质量不能满足要求。此时, 管道运营商需关注气体输送工况条件的变化(如增压后气体压力的升高), 必要时应采取控制措施, 以保证气体输送过程中没有液态水析出。
由于该标准规定的水露点为定性指标, 在实际应用过程中, 标准的使用人员可能不会过多关注对气体中水含量的检测, 但由于进入天然气长输管道的气体又有水露点具体指标要求。因此, 在天然气净化处理过程中, 生产单位通常也会关注并测定天然气中的水露点或水含量, 以便气体在进入天然气长输管道前的质量满足标准或购销合同的技术要求[7]。
常规和非常规天然气规定的水露点指标总体上按照“在一定压力下, 水露点应比输送条件下最低环境温度低5 ℃”的要求进行规定, 此处强调了一定压力和最低环境温度。对于环境温度的要求, 每个标准均规定为“输送条件下最低环境温度”, 并对此做了进一步说明: “在输送条件下, 当管道管顶埋地温度为0 ℃时, 水露点应不高于-5 ℃”, 即在极端温度条件下(如北方冬季), 当管道管顶埋地温度为0 ℃时, 气体的水露点应≤-5 ℃。而对于“一定压力”的规定, 不同标准规定略有不同, 这也是各标准的使用者容易产生疑问和实际操作过程中存在判断困难的地方。
GB 26569-2011、GB/T 33296-2016、GB/T 32865-2016和GB/T 33445-2016规定“水露点的压力应是最高输送压力”, 此处给标准使用者带来疑惑, 一方面测定水露点时为工况压力(如5 MPa), 而判断水露点是否满足指标要求时需采用该管道的最高输送压力(如10 MPa), 此时需将工况下测定的水露点换算到最高输送压力下的水露点后, 才能判断水露点测定结果是否合格, 给现场的操作人员增加了一定难度。另一方面, 在换算时由于水露点随压力的增加会升高, 当工况压力和最高输送压力相差较大时, 两者对水露点指标的要求会相差较大, 此时按照最高输送压力来规定水露点指标可能会过于严格。此外, GB/T 37124-2018规定为“压力应是进气处的管道设计最高输送压力”, 此处测定出工况压力下的水露点后, 也需要进行换算才能判定水露点是否合格, 而且检测人员需要知道管道设计的最高输送压力才能进行换算, 也会给标准的使用者增加难度。同样, 由于管道实际运行压力和设计最高输送压力可能相差较大, 致使按照管道设计的最高输送压力来规定水露点指标也会过于严格。
GB/T 18047-2017适用于压力不大于25 MPa, 作为车用燃料的压缩天然气。车用压缩天然气作为一种特殊的天然气产品, 为了保证使用安全, 对水露点指标要求极为严格[8]。该标准规定的指标为: ①在汽车驾驶的特定地理区域内, 在压力不大于25 MPa和环境温度不低于-13 ℃的条件下, 水的质量浓度应不大于30 mg/m3; ②在汽车驾驶的特定地理区域内, 在压力不大于25 MPa和环境温度低于-13 ℃的条件下, 水露点应比最低环境温度低5 ℃。第1种情况是参考ISO 15403-2《Natural gas - Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles. Part 2: Specification of the quality》推荐的“水的质量浓度不大于30 mg/m3”[9], 第2种情况仍采用GB 18047-2000的规定[10], 当最低环境温度低于-13 ℃时, 规定水露点应比最低环境温度低5 ℃。
由于生产工艺的原因, 车用压缩天然气的最高压力一般不超过25 MPa, 因此在水露点指标的规定上, 首先限定了气体的压力为不大于25 MPa, 而对于环境温度以-13 ℃为界点, 分为不低于-13 ℃和低于-13 ℃两种情况。对于环境温度相对较高的情况(不低于-13 ℃), 采用水含量的绝对值进行限定时(水的质量浓度不大于30 mg/m3), 该值在最高压力下(25 MPa)水露点约为-0.9 ℃, 在一般的环境温度下基本能够保证没有液态水析出, 但在一些特殊情况下(如汽车驾驶的特定区域内环境温度在-1.0 ℃以下时), 压缩天然气中就可能有液态水析出。而对于环境温度较低的情况(低于-13 ℃), 采用规定水露点值比最低环境温度还低5 ℃的要求, 该值规定极为严格, 可保证在极端寒冷的环境温度下使用车用压缩天然气的过程中不会有液态水析出。
为了更好地理解各标准规定的水露点或水含量指标, 采用具体实例分3种情况进行讨论: ①对GB 17820-2018定性指标要求的量化说明; ②对GB/T 37124-2018进入天然气长输管道的气体, 在不同工况压力下通过水露点和水含量之间的换算结果, 说明如何理解“一定压力”和“最低环境温度”的要求; ③对GB 18047-2017的两类指标, 在不同压力下通过水露点和水含量之间的换算结果, 说明该标准以-13 ℃为界规定水露点或水含量指标的合理性和科学性。
水露点的特性是在高压下水露点合格, 则在低压下其水露点也必然合格[11-12]。下面举例说明天然气中水含量和析出液态水的不同工况条件。表 3为天然气中水的质量浓度分别为100 mg/m3和200 mg/m3时, 采用GB/T 22634-2008《水含量与水露点之间的换算》换算在交接点的压力条件下对应的水露点[6], 将该值与在交接点的最低环境温度比较, 以此判定气体中是否会有液态水析出。其中, 体积计量的标准参比条件为101.325 kPa、20 ℃, 假设管道最高运行压力为12 MPa。图 1说明了最低环境温度分别为0 ℃、10 ℃、15 ℃和20 ℃时, 是否会有液态水析出的情况。
当水的质量浓度为100 mg/m3时, 气体的水露点随压力的变化见图 1中的曲线1。如果管道输送压力达到12 MPa, 换算的水露点为8.9 ℃, 若最低环境温度高于该值, 此时管道中不会有液态水析出。因此, 只要保证最低环境温度达到8.9 ℃以上(见图 1中最低环境温度为10 ℃的曲线), 即使最高工况压力达到12 MPa, 也不会有液态水析出。但随着环境温度的下降, 管道最高输送压力也应降低才能保证没有液态水析出。图 1中, 当最低环境温度降到0 ℃时, 为保证管道中没有液态水析出, 管道最高输送压力只能达到5.2 MPa。
当水的质量浓度为200 mg/m3时, 气体的水露点随压力的变化见图 1中的曲线2, 在管道最高输送压力为12 MPa时, 换算的水露点为18.5 ℃, 此时最低环境温度至少需高于18.5 ℃, 才能保证管道中没有液态水析出。但随着最低环境温度下降到15 ℃、10 ℃和0 ℃时, 管道最高输送压力的临界点分别为8.4 MPa、5.4 MPa和2.4 MPa, 当气体压力高于对应的临界点压力时, 管道中即会有液态水析出, 并且随着管道压力的升高, 将会析出更多的液态水, 此时运营商应更多关注管道的输送压力, 并采取措施控制实际输送压力不能超过临界点压力, 才能保证管道中没有液态水析出, 否则, 在交接点以前需对天然气进行脱水处理。
由于在天然气生产和输送过程中不可能实时检测是否有液态水析出, 一般是在管道运行一段时间后, 通过排污的方式才能发现是否生成了液态水。因此, 标准的使用者对如何判定水露点是否满足要求存在一定困难, 而对于生产和输送企业就有必要定期监测气体的水露点, 并通过推算预判是否在天然气生产和输送工况条件下有液态水析出[13-14]。
当天然气中水质量浓度为150 mg/m3时, 在不同工况压力下, 采用GB/T 22634-2008将水含量换算成水露点(见表 4)。结果表明, 当天然气的运行压力为管道设计的最高输送压力12 MPa时, 换算的水露点结果为13.4 ℃, 此时要求最低环境温度达到18.4 ℃才能满足标准要求, 而当最低环境温度为15 ℃时, 仍不能满足标准的要求。但实际上, 如果管道最高运行压力只有6 MPa时, 换算的水露点为6.3 ℃, 远低于最低环境温度15 ℃。此时, 管道中并没有液态水析出。因此, 采用管道设计最高输送压力作为判断水露点结果是否满足要求的压力不太合理。另外, 图 2为最低环境温度为5 ℃和15 ℃时, GB/T 37124-2018对水露点的技术要求, 天然气的水露点分别为0 ℃和10 ℃时才能满足标准的要求, 此时, 管道的最高输送压力分别为3.5 MPa和8.5 MPa才能满足标准的要求。
根据该标准规定的水露点指标以及示例结果, 在标准的实施过程中还需进一步讨论和明确以下内容: ①对于“水露点的压力应是进气处的管道设计最高输送压力”的规定, 如果采用设计的最高输送压力(如12 MPa)作为规定水露点的压力要求, 势必会对水露点指标的要求过于严格; ②该标准规定长输管道的定义为“产地、储气库、使用单位之间用于输送经过处理商品天然气的长距离管道”, 此处的“长距离管道”比较模糊, 给标准的使用者带来一定的困惑, 在修订该标准时还需更加明确。
关于GB 26569-2011、GB/T 33296-2016、GB/T 32865-2016和GB/T 33445-2016规定的水露点指标为“水露点应比输送条件下最低环境温度低5 ℃, 而压力为最高的输送压力”, 对于如何确定比最低环境温度低5 ℃与GB/T 37124-2018讨论的情况一样, 而对于规定“最高的输送压力”, 标准的使用者可以通过在天然气购销协议或相关文件中进一步明确。
GB 18047-2017以环境温度-13 ℃为界点, 分两种情况规定水露点或水含量指标, 表 5中例举了水露点/水含量指标换算到不同工况压力下的技术要求。第1种情况: 当气体中水的质量浓度等于30 mg/m3时, 在15 MPa、20 MPa、25 MPa 3种压力下换算的水露点分别为-4.3 ℃、-2.3 ℃和-0.9 ℃, 此时如果环境温度在0 ℃以上基本能满足没有液态水析出, 但为确保在高压(25 MPa)下气体中不析出液态水, 最好要求在汽车驾驶的特定地理区域内最低环境温度不低于约4 ℃。第2种情况: 假设最低环境温度为-15 ℃, 则要求气体中水露点不高于-20 ℃, 按照工况压力分别为15 MPa、20 MPa和25 MPa下换算的水质量浓度分别为5.5 mg/m3、4.3 mg/m3和3.6 mg/m3, 此种情况下要求车用压缩天然气中的水含量极低, 对生产CNG采用的工艺和脱水剂提出了较高要求。
该标准以环境温度-13 ℃为界点, 将水露点或水含量指标分成两种情况, 当环境温度≥-13 ℃时, 若压缩天然气工况压力为20 MPa, 计算获得的最高水露点达到-2.3 ℃。此时, 如果最低环境温度为-10 ℃(如北方冬季), 极有可能在使用过程中压缩天然气仍有液态水析出, 需对CNG储气瓶做好保温措施。
(1) 天然气及类似气体产品标准规定的水露点或水含量分为定性和定量两类指标。GB 17820-2018强调在交接点的压力和温度条件下应不存在液态水, 不需要检测水含量; 其他产品标准为定量指标, 正确理解“一定压力”和“最低环境温度”的含义, 是准确判定水露点是否超标的关键因素。
(2) 采用GB 17820-2018规定的水露点定性指标时, 建议天然气生产和输送企业定期监测气体中的水含量, 并通过推算预判在天然气生产和输送工况条件下是否有液态水析出, 以此采取措施控制生产工艺和管道输送条件。
(3) GB/T 37124-2018关于长输管道的定义和采用管道设计最高输送压力作为规定水露点的要求, 需结合管道实际运行情况, 重新给予定义和规定, 使其更具有合理性和可操作性。
(4) GB 18047-2017从车用压缩天然气安全使用的角度, 规定的水露点指标特别严格是必要的, 但以环境温度-13 ℃为界点分成两种情况规定水露点或水含量指标是否科学合理, 有待进一步试验评估。
2021, Vol. 50 Issue (6): 108-114
2021, Vol. 50 Issue (6): 108-114