Ликвидация гидратов природных газов в газопроводах

Устранение гидратов в системе магистральных газопроводов отличается от их ликвидации в скважинах (значительные объемы гидратных пробок, условия пролегания газопроводов и т.д.).

Гидратные пробки, образующиеся в системе магистрального транспорта, бывают сплошными или прерывистыми, полностью или частично перекрывающие сечение газопровода, уплотненные или разрыхленные, равновесные или переохлажденные.

Устранение гидратных пробок в системе транспорта газа в зависимости от конкретных условий осуществляется следующими методами – снижением давления ниже равновесного при заданной температуре, повышением температуры, вводом ингибиторов, сублимацией гидратов и комбинацией различных методов.

Метод снижения давления в газопроводе

Данный метод осуществляется при отключенном с двух сторон участке газопровода, путём снижения до атмосферного давления за счёт его выпуска в атмосферу. При снижении давления в газопроводе с гидратной пробкой и некоторым количеством свободной воды при положительных значениях температуры начинается диссоциация гидрата с поглощением тепла. Необходимая для разложения гидрата энергия поступает из окружающей среды и в первую очередь от грунтовой воды, а этот процесс сопровождается понижением температуры. В тот момент времени, когда температура системы достигает 0 ⁰С, необходимая энергия для диссоциации гидратов получается за счёт тепла, выделяющегося при замерзании свободной воды и воды, выделившейся из гидрата при снижении его температуры от начальной до 0 ⁰С. Данный процесс описывается уравнением вида

, (56)

где μ - коэффициент избытка свободной воды в гидрате, определяемый по уравнению

, (57)

где m_в и m_h – соответственно масса свободной (не связанной в гидрат) воды и гидрата, г;

L_k – удельная теплота процесса гидратообразования при положительных температурах, кДж/г;

, (58)

где L₁ – теплота процесса гидратообразования при положительных температурах, кДж/моль;

М_h – молекулярная масса гидрата;

с_h – теплоёмкость гидрата при конечной температуре,;

t₀ – начальная температура гидрата, ⁰С;

t_к – конечная температура разложения гидрата ⁰С;

Е – доля общей массы воды, перешедшей в лёд, определяется из уравнения

, (59)

где m_h – масса воды, связанной в гидрат, г;

, (60)

где L_{пл. л} – теплота плавления льда, кДж/г;

с_в. – теплоёмкость воды, .

Данный метод рекомендуется при условии, что конечная температура разложения гидрата больше 0 ⁰С – это позволяет исключить замерзание воды. Коэффициент избытка свободной воды в гидрате μ зависит от температуры гидрата и должен иметь значение более 5,5.

Метод устранения гидратов с использованием

энергии окружающей среды

Основным фактором, характеризующим данный процесс, является величина конечного давления Р_к, выбираемая из условия исключения образования гидратов в трубопроводе. Первоначально определяют условия гидратообразования для природного газа данного состава и оценивают величину равновесного давления гидратообразования при температуре, соответствующей температуре 1,0 – 2,0 ⁰С. Полученное таким образом, значение давления Р_к принимают равным этому давлению. Время разложения гидрата τ, происходящее за счёт теплопередачи от грунта к гидрату, вычисляют по уравнению вида

, 61)

где q_к – количество тепла, необходимого для разложения гидрата;

Q_ж – количество тепла, необходимого для повышения температуры жидкости в газопроводе;

R - внутренний радиус трубы или камеры, в которой осуществляется ликвидация гидратов, м;

r – текущий радиус гидратной пробки, м;

Δt – разность температур стенок трубы и разлагающегося гидрата, ⁰С;

π – постоянная величина (π = 3,14);

L - длина газопровода;

λ_эф – эффективный коэффициент теплопроводности,.

Значение величин q_ĸ и Q_ж определяется по уравнению вида

. (62)

При определении времени разложения гидратов эффективный коэффициент теплопроводности воды в системе с разлагающим гидратом рекомендуется принимать равным ,.

Порядок определения процессов разложения гидратов по уравнению (61) следующий:

- задают необходимую степень ликвидации гидрата;

- определяют конечный радиус гидратной пробки и количество тепла, необходимые для его разложения и нагрева воды при заданном значении перепада температуры окружающей среды и разложения гидрата;

- по уравнению (61) определяют время разложения гидратов.

Комбинированный метод устранения гидратов

Комбинированный метод устранения гидратов основан на вводе ингибитора с последующим снижением давления в отключенном участке газопровода, где образовались гидраты. По происшествию определенного времени ингибитор удаляется из газопровода, и последний запускается в работу.

Последовательность проведения работ по комбинированному методу сводится к следующему:

- определяется объём и характер распределения гидратов в газопроводе;

- определяется возможность отключения из работы газопровода и время, необходимое для устранения гидратов;

- в местах существования гидратов на участке наибольшей глубины устанавливаются дренажные устройства для удаления жидкости из нижней части газопровода;

- над гидратной пробкой в газопроводе устанавливается устройство для ввода ингибитора гидратообразования;

- производят оценку массы воды в гидратах по формуле

(63)

где V – объём гидрата, м³;

- далее определяется равновесная температура гидратообразования при заданном давлении в газопроводе;

- задаются значения кратности раствора ингибитора по отношению к массе воды в гидрате (S) и рассчитывается значение конечной концентрации ингибитора по выражению вида

, (64')

где m_p – масса раствора ингибитора, т.

, (65)

где W_к – соответственно начальная и конечная массовая концентрация ингибитора гидратообразования, в %;

- определяется минимально допустимая температура в газопроводе после снижения давления по уравнению вида

, (68)

где а, b – постоянные величины для конкретного ингибитора гидратообразования, определяемые из таблице16;

Таблица 16. Значения коэффициентов а и b для различных типов ингибиторов гидратообразования

Показатели	СН3ОН	LiCl	CaCl2	NaCl2	MgCl2	Ca(NO3)2
a·104	89,2	1066,1	225,0	450,0	580,0	75,0
b·102	66,1	16,7	17,5	5,0	23,0	17,5
Wmax,%	90,0	17,0	26,0	22,0	23,0	34,0

- далее определяется минимально допустимое конечное давление Р_к, соответствующее равновесному давлению гидратообразования для рассматриваемого состава природного газа при температуре t_к;

- определяется разность температур грунта t_гр и минимально допустимая её величина по уравнению вида

; (69)

по рисунку 23 определяется значение величины Z;

Рисунок 23. Зависимость параметра Z от температуры грунта t_гр и её минимально допустимой величиной t_к

- затем определяют зависимость величины G от величины Z, которая представлена в таблице17;

Таблица 17 .Изменение G от параметра Z

Показа- тель	Значение
Z	1	2	3	4	5	6
G	0,00	0,62	1,33	2,20	3,05	4,00

- далее измеряется влагонасыщенность грунта непосредственно вблизи газопровода по выражению

, (70)

где V_в, V_пор - соответственно объёмы воды и пор в образце грунта.

По графической зависимости, приведенной на рисунке 24, определяется параметр F.

Время устранения гидратов определяется по уравнению вида

, ч. (70)

Рисунок 24. Зависимость изменения параметра F от радиуса трубы

Последовательность выполнения работ по устранению гидратной пробки комбинированным способом следующая:

- отключается участок газопровода с гидратной пробкой двумя ближайшими кранами с обеих сторон;

- подается в газопровод к гидратной пробке расчётное количество ингибитора гидратообразования;

- снижается давление на участке трубопровода до расчётной величины;

- при полученном расчётном давлении газопровод с закаченным в него ингибитором гидратообразования выдерживается в течение расчетного времени τ;

- затем из газопровода удаляется ингибитор гидратообразования, и он запускается в работу.

Рассмотренный метод ликвидации гидратных пробок используется на газопромысловых коммуникациях уложенных в грунт.