一、概述

城市燃气作为保障民生的重要一环，近年来发展迅速，用户规模不断增长，已经成为城市居民赖以生存的重要能源。由于沈阳地区冬季温度较低，容易导致燃气管道发生冰堵，造成用户大面积停气，损坏用户用气设备，影响用户的正常生活，如果处置不当甚至会引发燃气泄漏、爆炸等事故^[1]。

城市燃气由城市门站进入城市，经过高、中、低压埋地管网进入小区内，经由引入立管从地下返回地上，穿墙后进入室内。经过大量冰堵案例的处理，发现燃气冰堵易发生在靠近地面的地上引入管处。出现冰堵后，往往采用注入融冰剂、冰钎透开等方法进行处理，能够暂时解决冰堵问题，但只是治标不治本，管道运行一段时间后仍然可能会发生冰堵。因此，分析燃气引入管冰堵的具体成因至关重要。通过燃气企业大量的冰堵案例，发现造成引入管冰堵的主要原因是由于引入管钱的埋地管线中含有大量的积水。想要从根本上解决引入管冰堵问题，就要从如何避免管道积水这个方向着手，进而从根本上解决燃气管道冰堵问题。

二、冰堵成因分析

目前城市燃气使用的燃气种类主要为天然气，而天然气管道发生的冻堵类型包括两种：一种是天然气与水在高压低温条件下形成天然气水合物堵塞管道，主要发生在天然气长输管道中；另一种是由于管线中积水结冰导致的冰堵堵塞管道。由于进入小区内的燃气管道为低压管道，且管道埋设于冻土层下，不具备形成天然气水合物的条件^[2]。因此考虑造成燃气引入管堵塞的原因为：引入管前的埋地管道中含有大量积水，燃气经由埋地管道进入引入管时，由于燃气具有一定的流速，会卷携水滴进入引入管，由于管壁温度较低，水滴在管壁处不断结冰，最终堵塞管道。冰堵实例如图1所示。

图1 冰堵实例

导致管道中进水的原因如下：

1. 管道铺设时违规施工

由于燃气施工周期往往较长，在施工过程中，组装好的管道长时间放在地面或管沟中，一旦遇到下雨天气，或者管道放置位置本身地下水位较浅，即会导致管道中大量进水，甚至灌满整个管道。在施工中，监理人员会要求在管道两端进行临时封堵，管道施工结束后进行吹扫。但施工单位安全意识淡薄，没有意识到管道进水可能带来的隐患，没有对管道进行封堵，管道施工结束后不吹扫，导致管道中大量积水^[3]。

2. 管道破损

燃气管道出现破损会导致积水进入管内，随着燃气的流动，积水会被燃气带走，最终积于引入管前的埋地管道内。管道破损分为两种情况，一种是未投产的管道出现破损，一种是已经投产的管道出现破损。未投产的管道遭到第三方破坏后，由于管内没有压力，管道被破坏后可能会被偷偷掩埋，导致管道被水灌满，之后即便经过吹扫，也无法彻底清除积水，冬季发生冰堵概率仍然较大。对于已投产的管道，除第三方破坏管道外，还可能存在由于管道长时间运行而导致的管道破损，例如腐蚀、管道接口破损等。中压管道管内压力较高，积水不容易进入管道中，而低压管道由于运行压力较低，积水会大量进入管道，造成管道积水^[4]。

3. 用户热水器接口接反

随着燃气用户越来越多，燃气产品也越来越丰富。目前许多燃气用户都在使用燃气热水器，燃气热水器的安装较复杂，需要专业人员进行安装。在处理冰堵的案例中，存在由于热水器接反导致自来水进入燃气管道的情况。在安装热水器时，安装人员将水管接在了燃气接口上，导致自来水灌入燃气管道中，不但损坏了热水器，还会导致燃气管道内大量积水，从而导致冰堵现象

三、冰堵数值模拟

为了分析引入管冰堵的形成原因及形成过程，本文建立了引入管冰堵CFD数值模型，基于FLUENT进行离散、迭代求解，得到了不同含水率下的冰堵形成过程。

（1）模型建立

引入管冰堵模型：

引入立管从地下经过冻土层返回地上，穿墙后进入室内。本文从引入管出地面处开始进行数值模拟，模拟燃气从埋地管道中卷携水滴进入引入管，由于管壁温度较低，水滴逐渐结冰，直至堵塞管道的过程。本文基于ICEM对引入管进行建模及网格划分，网格划分后进行网格光顺，改善网格质量。几何模型及网格划分后的结果如图2所示。

图2 几何模型及网格划分

（2）模型求解

由于实际的冰堵过程十分复杂，本文对模型进行如下简化：1）假设燃气卷携某一固定含水率的液相水滴，二者以均相流流态进入引入管；2）假设管壁温度为定值，温度值为-30℃。模型建立后基于FLUENT中的凝固融化模型及多相流模型进行求解，模拟不同含水率条件下，引入管的结冰过程。模拟结果如图3-图4所示。

图3 含水率为0.2时的引入管冰堵

图4 含水率为0.4时的引入管冰堵

从模拟结果可以看出，燃气含水率明显影响冰堵的形成。随着含水率的增加，管道内结冰逐渐增多，管道过流断面逐渐减小，直至堵塞管道。如果想从根本上解决引入管冰堵问题，需要彻底清除燃气管道中的积水。

四、冰堵防治措施

防治冰堵要标本兼治，既要从源头杜绝冰堵的产生，又要在产生冰堵后迅速处置，避免影响用户用气。

（1）规范施工

燃气企业在施工招标阶段，要确保施工单位具有施工资质，杜绝施工单位出现转包、违法分包等现象。在管道施工过程中，燃气企业、监理单位要共同把好施工质量关，严格要求施工单位按照规范施工，放置在施工现场的管道要进行临时封堵，避免管道内积水^[5]。

（2）管道吹扫

管道在投产前，要严格按照规范要求进行吹扫，去除管道的积水。管道投产后，要对易积水的中压及低压管线进行定期吹扫，尤其是在入冬前，要对管线的积水情况进行确认，及时清除管道内积水。

（3）冰钎透开

引入管冰堵集中形成于靠近地面处，出现冰堵后，可以通过打开引入管穿墙处的三通，插入冰钎对冰堵进行疏通。这种处理冰堵的方式具有成本低廉、携带方便的优点，是疏通冰堵的常用方式。

（4）添加融冰剂

无法使用冰钎等疏通工具疏通或疏通效果较差时，可以通过注入融冰剂的方式疏通冰堵。常用的融冰剂包括甲醇、乙二醇、和三甘醇。融冰剂疏通冰堵的原理是融冰剂接触冰堵后，会降低冰堵的凝固温度，使得冰堵融化。使用融冰剂处理冰堵时，要注意融冰剂用量，以甲醇为例，甲醇注入过多，甲醇与过量水气混合后性能下降，容易形成新的冰堵现象^[6]。

五、结论

燃气引入管冰堵一直是沈阳市冬季燃气管网运行的难题之一，本文阐述了燃气引入管冰堵的危害，分析了引入管冰堵的形成原因，指出管道中大量积水是造成引入管冰堵的主要原因。通过建立CFD数值模型，模拟分析了引入管冰堵的形成过程，发现不同的含水率能够显著影响冰堵的形成。最后提出了引入管冰堵的防治措施，标本兼治地预防和治理冰堵，进而保障燃气管网的安全运行。

参考文献：

[1] 郭轶闻. 高寒地区城市燃气冬季输配过程中冻堵问题的研究[D].东北石油大学,2017.

[2] 商业.天然气输气管线冻堵判别与预防[J].中国石油和化工标准与质量,2019,39(21):138-139.

[3] 姚树军,张维勤,王立辉.高寒地区燃气管道冻堵的解决措施[J].煤气与热力,2013,33(01):38-40.

[4] 毕艳龙. 民用燃气进户管线冻堵分析[D].东北石油大学,2016.

[5] 张广祥.燃气引入管冬季冻堵问题解决方案[J].有色金属文摘,2015,30(02):54-55.

[6] 王晓欢.天然气管道冻堵处理方法及预防措施探究[J].化工管理,2018(19):151.