1 天然氣置換方法
為確保安全，在長輸管道和廠站的投產(chǎn)過程中一般都選用惰性氣體置換。惰性氣體置換雖然安全性方面比較好，但是操作復(fù)雜且成本高，在低壓管道置換過程中一般采用天然氣直接置換。本文結(jié)合英國燃?xì)庑袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)實(shí)際工作，詳細(xì)探討城市天然氣管網(wǎng)的置換安全及置換方法。
1.1 置換安全
天然氣置換是一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的工作，若置換方案不當(dāng)或操作失誤，可能發(fā)生惡性事故，給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)造成損失。天然氣置換的安全問題是在置換過程中首先要解決的問題，必須符合下述要求才允許實(shí)施置換工作。
(1) 置換前必須進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。
(2) 戴上適合的個(gè)人防護(hù)裝置。
(3) 準(zhǔn)備呼吸器并能正常使用。
(4) 準(zhǔn)備滅火器并置于適當(dāng)?shù)奈恢谩?/div>
(5) 管道內(nèi)空氣的置換應(yīng)在強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)、吹掃清管、干燥合格后進(jìn)行。
(6) 間接置換應(yīng)采用氮?dú)饣蚱渌麩o腐蝕、無毒的惰性氣體為置換介質(zhì)。
(7) 現(xiàn)場必須設(shè)置“禁止火源”、“禁止吸煙”等安全警示標(biāo)牌。
(8) 置換進(jìn)氣端處必須安裝壓力表，監(jiān)測壓力。
(9) 放散口高出地面2.5m以上。
(10) 要求管道在置換中接地，特別是連接PE管道時(shí)必須接地。
(11) 火源必須距離放散口的上風(fēng)向5m以外。
(12) 確保氣體能暢通無阻地排到大氣中。
(13) 置換過程中放空系統(tǒng)的混合氣體應(yīng)徹底放
(14) 采用阻隔置換法置換空氣時(shí)，氮?dú)饣蚨栊詺怏w的隔離長度應(yīng)保證到達(dá)置換管道末端空氣與天然氣不混合。
(15) 放空隔離區(qū)內(nèi)不允許有煙火和靜電火花產(chǎn)生。
(16) 置換管道末端應(yīng)配備氣體含量檢測設(shè)備，當(dāng)置換管道末端放空管口氣體含氧量體積分?jǐn)?shù)不大于2%或可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)大于95%時(shí)即可認(rèn)為置換合格[1]。
1.2 置換方法
按照采用的置換方式不同，將置換方法分為3類：直接置換、間接置換和阻隔置換。直接置換：將天然氣直接通入管道中，天然氣與待投產(chǎn)管道中的空氣直接接觸，直至天然氣完全取代空氣；或用空氣直接通入管道中，空氣與待拆除管道中的天然氣直接接觸，直至空氣完全取代天然氣的置換方法稱為直接置換。間接置換：將惰性氣體通入管道內(nèi)，直至管道內(nèi)的空氣(或天然氣)完全被取代，然后再將天然氣(或空氣)通入管道直至惰性氣體完全被取代，這種用惰性氣體作為中間介質(zhì)置換的方法稱為間接置換。阻隔置換：在間接置換條件下，使用隔離設(shè)備(如阻氣球、清管球、專用隔離裝置等)或惰性氣體將天然氣與空氣隔離的置換方法稱為阻隔置換。
① 分層現(xiàn)象
在氣體對氣體的置換過程中密度小的氣體(如天然氣)在密度大的氣體(如空氣、氮?dú)?的上方流動，或者密度大的氣體在密度小的氣體下流動時(shí)，容易出現(xiàn)兩種氣體分層流動的現(xiàn)象，稱之為分層現(xiàn)象[2]。天然氣置換空氣或氮?dú)獾姆謱蝇F(xiàn)象見圖1，空氣或氮?dú)庵脫Q天然氣的分層現(xiàn)象見圖2。
在置換過程中，將天然氣緩慢輸入到新建管道內(nèi)，由于天然氣的密度小，相對密度一般為0.6左右，天然氣就會在管道的上部流動，而位于管道下部的空氣或氮?dú)饩蜁粼诠艿纼?nèi)。當(dāng)檢測人員從出口取樣檢測時(shí)，儀器會顯示體積分?jǐn)?shù)為100%的天然氣，如果此時(shí)停止置換，滯留在管道內(nèi)的空氣將與天然氣混合，非?？赡苄纬杀ㄐ曰旌蠚怏w，在用戶使用時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。這種情況會給安全運(yùn)行帶來極大的隱患。
通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，必須保持一定的置換流速才能杜絕置換中的分層現(xiàn)象。英國研究機(jī)構(gòu)對各種管徑的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測得了最小的可能發(fā)生分層現(xiàn)象的流速和流量，將數(shù)據(jù)列于表1中[2]。為了避免分層現(xiàn)象的出現(xiàn)，實(shí)際置換流速必須大于表1中所列的最小置換流速。
表1 不同管徑對應(yīng)的最小置換流速、流量[2]
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公稱管徑/mm
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最小置換流速/(m·s-1)
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最小流量/(m3·h-1)
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0～150
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0.6
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0.7
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151～200
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0.7
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1.4
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201～250
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0.8
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2.4
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251～300
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0.9
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3.9
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301～450
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1.0
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9.6
|
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451～600
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1.2
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20.4
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601～900
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1.5
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60.0
|
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901～1200
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1.7
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120.0
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② 控制流速或流量，減少靜電積累
靜電防護(hù)是安全置換的要素，燃?xì)庠诠艿乐械牧魉僭娇?，靜電的積累就越大；管道的管徑越大，靜電的積累也越大。采用控制流速或流量的方法可以實(shí)現(xiàn)減少靜電積累的目的[3]。
根據(jù)國外實(shí)驗(yàn)得出以下管道燃?xì)獍踩魉俟絒3]：
式中v——管道內(nèi)氣體的平均流速，m/s
d——管道的公稱管徑，m
再結(jié)合以下流量計(jì)算公式：
q=3600Av (2)
式中q——置換氣體的安全流量，m3/h
A——管道截面積，m2
可得出安全流量計(jì)算式為：
g=720πd1.5 (3)
假如輸送管道管徑為200mm，按照上述公式計(jì)算其安全流量約為200m3/h。為了盡可能減少靜電帶來的危險(xiǎn)，我們在管網(wǎng)的置換操作中，采用嚴(yán)格控制管網(wǎng)壓力，降低流速、流量的辦法，盡可能地減少靜電的積累?！冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)施運(yùn)行、維護(hù)和搶修安全技術(shù)規(guī)程》CJJ 51—2006要求進(jìn)行燃?xì)庵苯又脫Q時(shí)，將壓力控制在5kPa以內(nèi)，實(shí)際上也是出于控制流速從而達(dá)到減少靜電影響的考慮。
1.3 直接置換
直接置換操作過程以直接將天然氣緩慢通入管道替換空氣為例，過程中必須監(jiān)控置換情況和出口的天然氣體積分?jǐn)?shù)或氧氣體積分?jǐn)?shù)。從檢測管的采樣口取樣，用高精度燃?xì)鈾z測儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測分析，如果連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在4%以下即為合格[2])，可以確定已達(dá)到預(yù)定的置換標(biāo)準(zhǔn)，置換工作完成。
天然氣直接置換方法的特點(diǎn)是比較簡便也比較經(jīng)濟(jì)，但是具有一定的危險(xiǎn)性。因?yàn)樵谥脫Q過程中，管道里必然要產(chǎn)生天然氣與空氣的混合氣體，天然氣的前部氣體與空氣混合后，有一部分的混合氣在爆炸極限內(nèi)，很容易在某外界因素的誘發(fā)下(如管道內(nèi)焊渣、金屬顆粒滾動等)產(chǎn)生爆炸，因此操作有嚴(yán)格的控制條件和要求，必須嚴(yán)格按規(guī)程實(shí)施，否則非?？赡馨l(fā)生事故。對于天然氣來講，它的爆炸極限為5%～15%，再考慮到其混合的不均勻性，天然氣體積分?jǐn)?shù)在45%以下均應(yīng)視為危險(xiǎn)區(qū)(見圖3，圖中數(shù)據(jù)均為體積分?jǐn)?shù))，遇火源就要發(fā)生爆炸。為此必須嚴(yán)格控制，采取各種安全措施，確保無火源。
由于天然氣管道是封閉的，管道建成后經(jīng)歷了吹掃、強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)等工序，管道內(nèi)沒有活動部件，不可能因運(yùn)動、撞擊產(chǎn)生火花?？赡艹霈F(xiàn)的火源有以下兩種：一是高速氣流會因摩擦產(chǎn)生靜電，所以置換時(shí)要對管道系統(tǒng)進(jìn)行接地(見圖4[4])，即便有靜電負(fù)荷產(chǎn)生，也會立即通過接地裝置導(dǎo)入大地，不會有電荷積聚導(dǎo)致高電位而產(chǎn)生放電火花。二是高速氣流吹動管道中可能殘留下來的石塊、鐵屑、焊條頭等固體物質(zhì)，與管道內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生火花。引起此類事故的根本原因是高速氣流，解決的關(guān)鍵是確保氣流的低速，這樣即便有石塊等雜物，也不會被吹動，也就不可能產(chǎn)生火花。此外，為了避免將雜物帶進(jìn)管道，應(yīng)事先在進(jìn)氣管道上設(shè)置過濾器。根據(jù)英國相關(guān)資料及國內(nèi)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們將置換管道用天然氣的氣流速度控制在最小置換流速以上，一般最大流速控制在3m/s以下。在置換過程中采用流速計(jì)或U型壓力表觀察管道升壓速度的辦法來測量其充氣流速，用閥門的開度來控制流速(混氣過程中控制閥前的壓力要保持穩(wěn)定)。
1.4 間接置換
以天然氣置換空氣為例，用惰性氣體先置換管道里的空氣，再用天然氣置換管道里的惰性氣體，即把惰性氣體作為置換的中間介質(zhì)，這里所說的惰性氣體是指既不可燃又不助燃的無毒氣體，如氮?dú)?、二氧化碳等?/div>
間接置換方法具體操作過程是先將惰性氣體注入管道，在管道末端放散，使用惰性氣體置換出空氣，直至放散管取樣口惰性氣體的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到預(yù)定的置換標(biāo)準(zhǔn)為止。在實(shí)際操作過程中一般用氧氣體積分?jǐn)?shù)來衡量，如果連續(xù)2次取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測得取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%以下即為合格[2])，停止通入惰性氣體。然后再將天然氣通入管道，同樣操作，在檢測管的取樣口取樣，用高精度燃?xì)鈾z測儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測分析，如果連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%以上即為合格[1](在英國的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上即為合格[2])，置換完成。此法操作復(fù)雜、繁瑣，進(jìn)行2次換氣，不僅耗用大量惰性氣體還耗用大量的燃?xì)?，費(fèi)用較高，并且換氣時(shí)間長，工作量大。但是，它可以確保進(jìn)入管道內(nèi)的燃?xì)獠粫c管道內(nèi)空氣接觸，不會形成具有爆炸性的混合氣體。因此，此法可靠性好，安全系數(shù)高，成功率也高。主干管網(wǎng)天然氣間接置換見圖5[4]。
1.5 阻隔置換
阻隔置換方法是近幾年在我國逐步推廣使用的，簡便易行、安全可靠。本文主要說明使用惰性氣體做中間介質(zhì)的置換方法，氮?dú)饨橘|(zhì)阻隔置換見圖6。
阻隔置換的方法比完全使用間接置換更經(jīng)濟(jì)，也比間接置換技術(shù)要求高，操作難度大，但是如果管道距離長，此方法的安全性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。此方法可以用于長度大于250m的管道，但局限于公稱管徑小于等于600mm的管道。惰性氣體阻隔體的體積必須不小于管道體積的10%。充入管道的惰性氣體的體積不能小于表2的數(shù)據(jù)[2]。
表2 惰性氣體阻隔體體積[2] m
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公稱管徑/mm
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管道長度/m
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250～500
|
500～1000
|
1000～1500
|
1500～2000
|
2500～5000
|
5000～10000
|
|
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100
|
1
|
1
|
2
|
2
|
4
|
8
|
|
150
|
1
|
2
|
3
|
7
|
9
|
18
|
|
200
|
2
|
4
|
5
|
8
|
16
|
32
|
|
250
|
3
|
5
|
8
|
13
|
25
|
50
|
|
300
|
4
|
8
|
11
|
18
|
36
|
72
|
|
400
|
7
|
13
|
19
|
32
|
64
|
128
|
|
450
|
8
|
16
|
24
|
40
|
80
|
160
|
|
600
|
15
|
30
|
45
|
75
|
150
|
300
|
使用惰性氣體作中間介質(zhì)的阻隔置換方法與使用清管器為隔離設(shè)備的方法相比有如下優(yōu)勢：
① 大多數(shù)的天然氣管道有較大的高程變化，清管器在管道中的運(yùn)行速度難以精確控制，清管器速度的變化加快混氣的形成，造成較大的混氣段。
② 由于天然氣管道內(nèi)沒有潤滑劑，僅靠清管器與管道的干摩擦，清管器皮碗磨損嚴(yán)重，且前后壓差較大，因此會產(chǎn)生較大的混氣量。
③ 清管器在管道彎頭處易產(chǎn)生混氣量。
④ 采用清管器隔離增加了工藝操作難度。
2 置換方法應(yīng)用
在城市燃?xì)夤艿捞烊粴馀c空氣置換過程中，多數(shù)管道都存在分支，除了管網(wǎng)末端很少有無支管的管道系統(tǒng)(見圖7[5])。必須針對管網(wǎng)系統(tǒng)選擇置換方法，以保證置換安全順利完成。一般情況下采用兩種方式：同時(shí)置換和順序置換，下文將介紹管網(wǎng)系統(tǒng)置換和用戶管道系統(tǒng)的置換。表3為管網(wǎng)壓力為0.2MPa的旁通管、放散管公稱管徑速查表[5]。
表3 旁通管、放散管公稱管徑速查表[5]
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公稱管徑/mm
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旁通管和放散管的公稱管徑/mm
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0～150
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32
|
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151～200
|
32
|
|
201～250
|
32
|
|
251～300
|
32
|
|
301～450
|
63
|
|
451～600
|
63
|
|
601～900
|
63
|
|
901～1200
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125
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2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)置換
① 順序置換
順序置換就是按照管道管徑大小順序，先大管徑后小管徑，依次置換每個(gè)支管。在置換時(shí)一般的選擇方法是從最大管徑的管道開始置換，選擇最遠(yuǎn)端放散，然后再依次置換其他支管。置換支管也是按大管徑優(yōu)先的原則進(jìn)行。例如在圖7中，管道綜合考慮按照放散口1→放散口3→放散口4→放散口2的順序進(jìn)行。順序置換的方法簡單易行，在置換時(shí)，需要的操作人員少，容易控制。適用于人力有限或者同時(shí)置換時(shí)管道內(nèi)氣體流速不能達(dá)到最小的置換流速時(shí)，可以依次置換。
② 同時(shí)置換
同時(shí)置換就是一個(gè)進(jìn)氣口通入天然氣，所有支管上的放散口同時(shí)放散。這種方法要求較高，需要進(jìn)行計(jì)算，必須保證所有支管的天然氣流速大于最小置換流速。而且此方法需要操作人員較多，控制復(fù)雜。此方法優(yōu)點(diǎn)是置換時(shí)間短，效率高，對周邊影響小。當(dāng)所有支管的放散口取樣檢測的氧氣體積分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，置換完成。注意，在置換過程中至少保持一個(gè)放散口始終打開，理論上要求最遠(yuǎn)端的放散口在置換完成前一直打開。
2.2 用戶管道系統(tǒng)置換
用戶管道系統(tǒng)置換中，需要完成從用戶支閥到建筑物外低壓管網(wǎng)控制閥的天然氣置換。一般這類置換管道長度較短，管道總?cè)莘e較小，可以采用管道最遠(yuǎn)端置換的方法[6、7]。用戶室內(nèi)管道置換見圖8[5]。具體操作是將連接隔焰器的軟管連接于頂層用戶支閥，打開單元總閥進(jìn)行置換，置換過程中持續(xù)取樣監(jiān)測，直至連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數(shù)據(jù)為連續(xù)2次測得天然氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上或取樣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在4%以下即為合格[2])，停止放散，置換完成。
參考文獻(xiàn)：
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