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 0⁰С. Данный процесс описывается уравнением вида

, (56)

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

, (57)

где m_ви 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 гидрата⁰С;

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 – 2,0⁰С. Полученное таким образом, значение давления Р_кпринимают равным этому давлению. Время разложения гидратаτ, 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_ĸи Q_жопределяется 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 аиb 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_гри минимально допустимая её величина по уравнению вида

; (69)

по рисунку 23 определяется значение величины Z;

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

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

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.