4.7. Методы предупреждения образования гидратов

Природные газы в определенных термодинамических ус­ловиях вступают в соединение с водой, образуя гидраты, которые, скапливаясь в промысловых и магистральных газо­проводах, существенно увеличивают их гидравлическое со­противление и, следовательно, снижают пропускную способ­ность. Особое значение проблема борьбы с образованием гидратов приобретает при разработке месторождений Запад­ной Сибири и Крайнего Севера. Низкие пластовые темпера­туры и суровые климатические условия этих районов созда­ют благоприятные условия для образования гидратов в сква­жинах и газопроводах [14].

Гидраты представляют собой соединения молекулярного типа, возникающие за счет действия ван-дер-ваальсовых сил притя­жения. Молекулы воды при образовании гидратов как бы раздвигаются молекулами газа. Образующиеся при этом поло­сти между молекулами воды полностью или частично заполня­ются молекулами газа. Гидраты природных газов представля­ют собой неустойчивые соединения, которые при повышении температуры или понижении давления разлагаются на газ и воду. По внешнему виду — это белая кристаллическая масса, похожая на снег или лед. Если природные газы содержат кислые примеси, то процесс гидратообразования ускоряется.

Процесс гидратообразования обычно происходит на гра­нице газ — вода при условии полного насыщения природно­го газа водой. Для прогнозирования места образования и интенсивности накопления гидратов в системах газоснабже­ния необходимо знать изменение влажности газа в различ­ных термодинамических условиях.

На практике часто пользуются абсолютной влажностью, выраженной массой паров воды в единице объема газа, при­веденной к нормальным условиям (273 К и 0,1013 МПа). Относительная влажность — это выраженное в процентах или в долях единицы отношение количества водяных паров, содержащихся в газовой смеси, к количеству водяных паров в том же объеме и при тех же температуре и давлении при полном насыщении. Температура, при которой газ становит­ся насыщенным при данных давлении и влажности, называ­ется точкой росы.

Для того чтобы в газопроводах не образовывались гидра­ты, влажность подаваемого в него газа не должна превышать минимального значения. Это условие является основным при проектировании установок осушки газа перед подачей его в газопровод.

Существуют следующие методы борьбы с образованием гидратов в газопроводах: подогрев газа; снижение давления газа; введение ингибиторов в поток газа; осушка газа.

Предупреждение образования гидратов методом подогрева газа заключается в том, что при сохранении давления в газо­проводе температура газа поддерживается выше равновесной температуры гидратов. В условиях транспорта газа по магис­тральному газопроводу этот метод неприменим, так как свя­зан с большими затратами энергии. Как показывают расчеты, при больших объемах транспортируемого газа целесообраз­нее его охлаждать, поскольку это позволит заметно увели­чить пропускную способность газопроводов, особенно круп­ных газопроводов с большим числом компрессорных стан­ций. Метод подогрева газа применяется на газораспредели­тельных станциях, где при больших перепадах давления вслед­ствие дроссельного эффекта температура газа может значи­тельно снижаться, в результате чего обмерзает редуцирую­щая аппаратура (клапаны, краны, диафрагмы).

Предупреждение образования гидратов снижением давле­ния заключается в том, что при сохранении температуры в газопроводе уменьшают давление до значения ниже равно­весного давления образования гидратов. Этот метод применя­ется для ликвидации образовавшихся гидратных пробок. Пробки ликвидируют путем выпуска газа в атмосферу через проду­вочные свечи. После снижения давления необходимо некото­рое время (от нескольких минут до нескольких часов) для разложения гидратов. Очевидно, что данный метод пригоден только для ликвидации гидратных пробок при положитель­ных температурах. В противном случае гидратная пробка пе­рейдет в ледяную. Поскольку минимальная температура газа в газопроводе близка к нулю, а равновесное давление при этом находится в пределах 1 — 1,5 МПа, применение этого метода оказывается неэффективным для предупреждения об­разования гидратов в магистральных газопроводах. Это свя­зано также с тем, что оптимальное давление транспортируе­мого газа составляет 5 — 7 МПа. Метод снижения давления применяется в аварийных ситуациях для разложения гидра­тов в газопроводе в сочетании с ингибиторами, так как в противном случае гидраты образуются вновь.

Введение в поток газа ингибиторов приводит к тому, что водяные пары газа частично поглощаются ими и переводятся вместе со свободной водой в водный раствор, который со­всем не образует гидратов или образует их при более низких температурах. В качестве ингибиторов применяются метанол (метиловый спирт), растворы этиленгликоля (ЭГ), диэтиленг-ликоля (ДЭГ), триэтиленгликоля (ТЭГ), хлористого кальция, этилкарбоната и др.

Для уменьшения расхода метанола необходимо вводить его в начале зоны возможного гидратообразования в газопроводе. Экономически выгодно метанол применять при небольших расходах газа, когда из-за высоких капиталовложений нераци­онально использовать другие методы. Метанол можно вводить в сочетании с другими средствами, например с осушкой газа или с понижением давления. Использование метанола для пре­дупреждения образования гидратов в газопроводе при боль­ших объемах транспортируемого газа экономически невыгод­но. Ввод ингибиторов в газовый поток широко применяют на промыслах для предупреждения образования гидратов в сепа­раторах, теплообменниках и других дегидраторных аппаратах, а также в скважинах. При этом предпочтение следует отдать диэтиленгликолю, так как возможность его регенерации и срав­нительно небольшие потери в большинстве случаев делают этот ингибитор наиболее экономичным.

Осушка газа является наиболее эффективным и экономич­ным способом предупреждения образования кристаллогидра­тов в магистральных газопроводах при больших объемах транс­портируемого газа. При промысловой подготовке газа к даль­нему транспорту его осушают сорбционным способом или охлаждением газового потока. В результате осушки точка росы паров воды должна быть снижена ниже минимальной температуры при транспортировке газа. Влажность газа дол­жна составлять не более 0,05 — 0,1 г/м³.