天然气管道安全置换方法的探讨.pdf

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书书书 天然气管道安全置换方法的探讨 陈 莉1, 寇振夺2 ( 1 . 山东省特种设备检验研究院 潍坊分院,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1 ;2 . 英国优特莱 发展有限公司,北京 1 0 0 0 2 6 ) 摘 要 参考英国技术标准与燃气公司成熟经验, 分析了 3种城市天然气管道置换技术( 直 接置换、 间接置换、 阻隔置换) , 对天然气管道置换工艺参数的确定及控制方法进行了探讨, 分析了 置换方法在城镇管网和用户管道系统的应用。 关键词 城镇燃气管道; 直接置换; 间接置换; 阻隔置换; 置换技术 中图分类号T U 9 9 6 文献标识码B 文章编号1 0 0 0- 4 4 1 6 ( 2 0 1 0 ) 1 1- 0 B 1 7- 0 5 D i s c u s s i o no nS a f e t yC o n v e r s i o nT e c h n o l o g i e s o f N a t u r a l G a s P i p e l i n e C H E NL i , K O UZ h e n  d u o A b s t r a c t R e f e r r i n gt oB r i t i s ht e c h n i c a l s t a n d a r d s a n dt h em a t u r e de x p e r i e n c eo f g a s c o m p a n i e s , T h r e ec o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e s o f c i t yn a t u r a l g a s p i p e l i n e ,s u c ha s d i r e c t c o n v e r s i o n ,i n d i r e c t c o n v e r s i o n a n ds e p a r a t e dc o n v e r s i o na r ea n a l y z e d .T h ed e t e r m i n a t i o na n dc o n t r o l m e t h o d s o f c o n v e r s i o np r o c e s s p a  r a m e t e r s o f n a t u r a l g a s p i p e l i n ea r ed i s c u s s e d .T h ea p p l i c a t i o no f t h ec o n v e r s i o nm e t h o d s i nc i t yn e t w o r k a n du s e r p i p e l i n ei s a n a l y z e d . K e yw o r d s c i t yg a s p i p e l i n e ; d i r e c t c o n v e r s i o n ; i n d i r e c t c o n v e r s i o n ; s e p a r a t e dc o n v e r s i o n ; c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y 1 天然气置换方法 为确保安全, 在长输管道和厂站的投产过程中 一般都选用惰性气体置换。惰性气体置换虽然安全 性方面比较好, 但是操作复杂且成本高, 在低压管道 置换过程中一般采用天然气直接置换。本文结合英 国燃气行业标准和国内实际工作, 详细探讨城市天 然气管网的置换安全及置换方法。 1 . 1 置换安全 天然气置换是一项非常危险的工作, 若置换方 案不当或操作失误, 可能发生恶性事故, 给人民群众 的生命和财产造成损失。天然气置换的安全问题是 在置换过程中首先要解决的问题, 必须符合下述要 求才允许实施置换工作。 ① 置换前必须进行风险评估。 ② 戴上适合的个人防护装置。 ③ 准备呼吸器并能正常使用。 ④ 准备灭火器并置于适当的位置。 ⑤ 管道内空气的置换应在强度试验、 严密性 试验、 吹扫清管、 干燥合格后进行。 ⑥ 间接置换应采用氮气或其他无腐蚀、 无毒 的惰性气体为置换介质。 ⑦ 现场必须设置“ 禁止火源” 、 “ 禁止吸烟” 等 安全警示标牌。 ⑧ 置换进气端处必须安装压力表, 监测压力。 ⑨ 放散口高出地面 2 . 5m以上。 ⑩ 要求管道在置换中接地, 特别是连接 P E 管道时必须接地。 瑏瑡 火源必须距离放散口的上风向 5m以外。 瑏瑢 确保气体能畅通无阻地排到大气中。 瑏瑣 置换过程中放空系统的混合气体应彻底放 71B 第 3 0卷 第 1 1期 2 0 1 0年 1 1月 煤 气 与 热 力 G A S&H E A T V o l . 3 0N o . 1 1 N o v . 2 0 1 0 空。 瑏瑤 采用阻隔置换法置换空气时, 氮气或惰性 气体的隔离长度应保证到达置换管道末端空气与天 然气不混合。 瑏瑥 放空隔离区内不允许有烟火和静电火花产 生。 瑏瑦 置换管道末端应配备气体含量检测设备, 当置换管道末端放空管口气体含氧量体积分数不大 于 2 %或可燃气体体积分数大于 9 5 %时即可认为置 换合格[ 1 ]。 1 . 2 置换方法 按照采用的置换方式不同, 将置换方法分为 3 类 直接置换、 间接置换和阻隔置换。直接置换 将 天然气直接通入管道中, 天然气与待投产管道中的 空气直接接触, 直至天然气完全取代空气; 或用空气 直接通入管道中, 空气与待拆除管道中的天然气直 接接触, 直至空气完全取代天然气的置换方法称为 直接置换。间接置换 将惰性气体通入管道内, 直至 管道内的空气( 或天然气) 完全被取代, 然后再将天 然气( 或空气) 通入管道直至惰性气体完全被取代, 这种用惰性气体作为中间介质置换的方法称为间接 置换。阻隔置换 在间接置换条件下, 使用隔离设备 ( 如阻气球、 清管球、 专用隔离装置等) 或惰性气体 将天然气与空气隔离的置换方法称为阻隔置换。 ① 分层现象 在气体对气体的置换过程中密度小的气体( 如 天然气) 在密度大的气体( 如空气、 氮气) 的上方流 动, 或者密度大的气体在密度小的气体下流动时, 容 易出现两种气体分层流动的现象, 称之为分层现 象[ 2 ]。天然气置换空气或氮气的分层现象见图 1 , 空气或氮气置换天然气的分层现象见图 2 。 天然气 天然气 空气或氮气 图 1 天然气置换空气或氮气的分层现象 在置换过程中, 将天然气缓慢输入到新建管道 内, 由于天然气的密度小, 相对密度一般为 0 . 6左 右, 天然气就会在管道的上部流动, 而位于管道下部 空气或 氮气 天然气 空气或氮气 图 2 空气或氮气置换天然气的分层现象 的空气或氮气就会滞留在管道内。当检测人员从出 口取样检测时, 仪器会显示体积分数为 1 0 0 %的天 然气, 如果此时停止置换, 滞留在管道内的空气将与 天然气混合, 非常可能形成爆炸性混合气体, 在用户 使用时发生危险。这种情况会给安全运行带来极大 的隐患。 通过实验研究发现, 必须保持一定的置换流速 才能杜绝置换中的分层现象。英国研究机构对各种 管径的燃气管道进行了实验, 测得了最小的可能发 生分层现象的流速和流量, 将数据列于表 1中[ 2 ]。 为了避免分层现象的出现, 实际置换流速必须大于 表 1中所列的最小置换流速。 表 1 不同管径对应的最小置换流速、 流量[ 2 ] 公称管径/ m m 最小置换流速/ ( m s - 1) 最小流量/ ( m 3h- 1) 0~ 1 5 00 . 6 0 . 7 1 5 1~ 2 0 00 . 7 1 . 4 2 0 1~ 2 5 00 . 8 2 . 4 2 5 1~ 3 0 00 . 9 3 . 9 3 0 1~ 4 5 01 . 0 9 . 6 4 5 1~ 6 0 01 . 22 0 . 4 6 0 1~ 9 0 01 . 56 0 . 0 9 0 1~ 12 0 01 . 71 2 0 . 0 ② 控制流速或流量, 减少静电积累 静电防护是安全置换的要素, 燃气在管道中的 流速越快, 静电的积累就越大; 管道的管径越大, 静 电的积累也越大。采用控制流速或流量的方法可以 实现减少静电积累的目的[ 3 ]。 根据国外实验得出以下管道燃气安全流速公 式[ 3 ] v = 0 . 8 1 槡 d ( 1 ) 式中 v 管道内气体的平均流速, m/ s d 管道的公称管径, m 81B 第 3 0卷 第 1 1期 煤 气 与 热 力w w w . w a t e r g a s h e a t . c o m 再结合以下流量计算公式 q = 36 0 0A v( 2 ) 式中 q 置换气体的安全流量, m 3/ h A 管道截面积, m 2 可得出安全流量计算式为 q = 7 2 0 π d 1 . 5 ( 3 ) 假如输送管道管径为 2 0 0m m , 按照上述公式计 算其安全流量约为 2 0 0m 3/ h 。为了尽可能减少静 电带来的危险, 我们在管网的置换操作中, 采用严格 控制管网压力, 降低流速、 流量的办法, 尽可能地减 少静电的积累。 城镇燃气设施运行、 维护和抢修 安全技术规程 C J J 5 1 2 0 0 6要求进行燃气直接置 换时, 将压力控制在 5k P a 以内, 实际上也是出于控 制流速从而达到减少静电影响的考虑。 1 . 3 直接置换 直接置换操作过程以直接将天然气缓慢通入管 道替换空气为例, 过程中必须监控置换情况和出口 的天然气体积分数或氧气体积分数。从检测管的采 样口取样, 用高精度燃气检测仪进行实时的监测分 析, 如果连续 2次测得天然气体积分数达到 9 5 %以 上或取样中的氧气体积分数在 2 %以下即为合格[ 1 ] ( 在英国的置换要求中, 此数据为连续 2次测得天 然气体积分数达到 9 0 %以上或取样中的氧气体积 分数在 4 %以下即为合格[ 2 ]) , 可以确定已达到预定 的置换标准, 置换工作完成。 天然气直接置换方法的特点是比较简便也比较 经济, 但是具有一定的危险性。因为在置换过程中, 管道里必然要产生天然气与空气的混合气体, 天然 气的前部气体与空气混合后, 有一部分的混合气在 爆炸极限内, 很容易在某外界因素的诱发下( 如管 道内焊渣、 金属颗粒滚动等) 产生爆炸, 因此操作有 严格的控制条件和要求, 必须严格按规程实施, 否则 非常可能发生事故。对于天然气来讲, 它的爆炸极 限为 5 % ~ 1 5 %, 再考虑到其混合的不均匀性, 天然 气体积分数在4 5 %以下均应视为危险区( 见图3 , 图 中数据均为体积分数) , 遇火源就要发生爆炸。为 此必须严格控制, 采取各种安全措施, 确保无火源。 由于天然气管道是封闭的, 管道建成后经历了 吹扫、 强度试验、 严密性试验等工序, 管道内没有活 动部件, 不可能因运动、 撞击产生火花。可能出现的 火源有以下两种 一是高速气流会因摩擦产生静电, 天然气 天然气 天然气 天然气 天然气 危险区域 空气 图 3 天然气与空气混合 所以置换时要对管道系统进行接地( 见图 4 [ 4 ]) , 即 便有静电负荷产生, 也会立即通过接地装置导入大 地, 不会有电荷积聚导致高电位而产生放电火花。 二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、 铁 屑、 焊条头等固体物质, 与管道内壁碰撞产生火花。 引起此类事故的根本原因是高速气流, 解决的关键 是确保气流的低速, 这样即便有石块等杂物, 也不会 被吹动, 也就不可能产生火花。此外, 为了避免将杂 物带进管道, 应事先在进气管道上设置过滤器。根 据英国相关资料及国内应用经验, 我们将置换管道 用天然气的气流速度控制在最小置换流速以上, 一 般最大流速控制在 3m/ s 以下。在置换过程中采用 流速计或 U型压力表观察管道升压速度的办法来 测量其充气流速, 用阀门的开度来控制流速( 混气 过程中控制阀前的压力要保持稳定) 。 立管 未表示出支撑 放散控制阀 测试控制阀 取样口 接地端子 水平地面 气体流动方向 阀门盲端 图 4 主干管天然气放散口设置[ 4 ] 1 . 4 间接置换 以天然气置换空气为例, 用惰性气体先置换管 道里的空气, 再用天然气置换管道里的惰性气体, 即 把惰性气体作为置换的中间介质, 这里所说的惰性 气体是指既不可燃又不助燃的无毒气体, 如氮气、 二 氧化碳等。 间接置换方法具体操作过程是先将惰性气体注 入管道, 在管道末端放散, 使用惰性气体置换出空 气, 直至放散管取样口惰性气体的体积分数达到预 91B w w w . w a t e r g a s h e a t . c o m陈 莉, 等 天然气管道安全置换方法的探讨 第 3 0卷 第 1 1期 定的置换标准为止。在实际操作过程中一般用氧气 体积分数来衡量, 如果连续 2次取样中的氧气体积 分数达到 2 %以下即为合格[ 1 ]( 在英国的置换要求 中, 此数据为连续 2次测得取样中的氧气体积分数 达到 4 %以下即为合格[ 2 ]) , 停止通入惰性气体。然 后再将天然气通入管道, 同样操作, 在检测管的取样 口取样, 用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析, 如果连续 2次测得天然气体积分数达到 9 5 %以上 即为合格[ 1 ]( 在英国的置换要求中, 此数据为连续 2 次测得天然气体积分数达到 9 0 % 以上即为合 格[ 2 ]) , 置换完成。此法操作复杂、 繁琐, 进行 2次 换气, 不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气, 费 用较高, 并且换气时间长, 工作量大。但是, 它可以 确保进入管道内的燃气不会与管道内空气接触, 不 会形成具有爆炸性的混合气体。因此, 此法可靠性 好, 安全系数高, 成功率也高。主干管网天然气间接 置换见图 5 [ 4 ]。 测压点 取样 放散口 气体流动方向 图 5 主干管网天然气间接置换[ 4 ] 1 . 5 阻隔置换 阻隔置换方法是近几年在我国逐步推广使用 的, 简便易行、 安全可靠。本文主要说明使用惰性气 体做中间介质的置换方法, 氮气介质阻隔置换见图 6 。 天然气氮气空气 图 6 氮气介质阻隔置换 阻隔置换的方法比完全使用间接置换更经济, 也比间接置换技术要求高, 操作难度大, 但是如果管 道距离长, 此方法的安全性和经济性优势明显。此 方法可以用于长度大于 2 5 0m的管道, 但局限于公 称管径小于等于 6 0 0m m的管道。惰性气体阻隔体 的体积必须不小于管道体积的 1 0 %。充入管道的 惰性气体的体积不能小于表 2的数据[ 2 ]。 表 2 惰性气体阻隔体体积[ 2 ]m 3 公称管 径/ m m 管道长度/ m 2 5 0~ 5 0 0 5 0 0~ 10 0 0 10 0 0~ 15 0 0 15 0 0~ 20 0 0 25 0 0~ 50 0 0 50 0 0~ 1 00 0 0 1 0 0112248 1 5 0123791 8 2 0 024581 63 2 2 5 03581 32 55 0 3 0 0481 11 83 67 2 4 0 071 31 93 26 41 2 8 4 5 081 62 44 08 01 6 0 6 0 01 53 04 57 51 5 03 0 0 使用惰性气体作中间介质的阻隔置换方法与使 用清管器为隔离设备的方法相比有如下优势 ① 大多数的天然气管道有较大的高程变化, 清管器在管道中的运行速度难以精确控制, 清管器 速度的变化加快混气的形成, 造成较大的混气段。 ② 由于天然气管道内没有润滑剂, 仅靠清管 器与管道的干摩擦, 清管器皮碗磨损严重, 且前后压 差较大, 因此会产生较大的混气量。 ③ 清管器在管道弯头处易产生混气量。 ④ 采用清管器隔离增加了工艺操作难度。 2 置换方法应用 在城市燃气管道天然气与空气置换过程中, 多 数管道都存在分支, 除了管网末端很少有无支管的 管道系统( 见图 7 [ 5 ]) 。必须针对管网系统选择置换 方法, 以保证置换安全顺利完成。一般情况下采用 两种方式 同时置换和顺序置换, 下文将介绍管网系 统置换和用户管道系统的置换。表 3为管网压力为 0 . 2M P a 的旁通管、 放散管公称管径速查表[ 5 ]。 散放口 旁通管 放散口 放散口 放散口 置换方向 图 7 压力为 0 . 2M P a 的枝状管网置换[ 5 ] 02B 第 3 0卷 第 1 1期 煤 气 与 热 力w w w . w a t e r g a s h e a t . c o m 表 3 旁通管、 放散管公称管径速查表[ 5 ] 公称管径/ m m旁通管和放散管的公称管径/ m m 0~ 1 5 03 2 1 5 1~ 2 0 03 2 2 0 1~ 2 5 03 2 2 5 1~ 3 0 03 2 3 0 1~ 4 5 06 3 4 5 1~ 6 0 06 3 6 0 1~ 9 0 06 3 9 0 1~ 12 0 01 2 5 2 . 1 管网系统置换 ① 顺序置换 顺序置换就是按照管道管径大小顺序, 先大管 径后小管径, 依次置换每个支管。在置换时一般的 选择方法是从最大管径的管道开始置换, 选择最远 端放散, 然后再依次置换其他支管。置换支管也是 按大管径优先的原则进行。例如在图 7中, 管道综 合考虑按照放散口 1→放散口 3→放散口 4→放散 口 2的顺序进行。顺序置换的方法简单易行, 在置 换时, 需要的操作人员少, 容易控制。适用于人力有 限或者同时置换时管道内气体流速不能达到最小的 置换流速时, 可以依次置换。 ② 同时置换 同时置换就是一个进气口通入天然气, 所有支 管上的放散口同时放散。这种方法要求较高, 需要 进行计算, 必须保证所有支管的天然气流速大于最 小置换流速。而且此方法需要操作人员较多, 控制 复杂。此方法优点是置换时间短, 效率高, 对周边影 响小。当所有支管的放散口取样检测的氧气体积分 数低于 2 %时, 置换完成。注意, 在置换过程中至少 保持一个放散口始终打开, 理论上要求最远端的放 散口在置换完成前一直打开。 2 . 2 用户管道系统置换 用户管道系统置换中, 需要完成从用户支阀到 建筑物外低压管网控制阀的天然气置换。一般这类 置换管道长度较短, 管道总容积较小, 可以采用管道 最远端置换的方法[ 6 、 7 ]。用户室内管道置换见图 8 [ 5 ]。具体操作是将连接隔焰器的软管连接于顶层 用户支阀, 打开单元总阀进行置换, 置换过程中持续 取样监测, 直至连续 2次测得天然气体积分数达到 9 5 %以上或取样中的氧气体积分数在 2 %以下即为 合格[ 1 ]( 在英国的置换要求中, 此数据为连续 2次 测得天然气体积分数达到 9 0 %以上或取样中的氧 气体积分数在 4 %以下即为合格[ 2 ]) , 停止放散, 置 换完成。 隔焰器 需要置换的立管 单元总阀 低压管网控制阀 水平地面 图 8 用户室内管道置换[ 5 ] 参考文献 [ 1 ] S Y/ T 5 9 2 2 2 0 0 3 , 天然气管道运行规范[ S ] . [ 2 ] I G E / S R/ 2 2 , 英国气体工程师学会标准 燃气在传 输分配和贮存过程中的置换操作[ S ] . [ 3 ] 刘晓涛, 汪海波.浅析环路燃气管道安全置换[ J ] .城 市燃气, 2 0 0 6 , ( 5 ) 1 5- 1 8 . [ 4 ] I G E / T D/ 1 , 英国气体工程师学会标准 配气主管 [ S ] . [ 5 ] I G E / T D/ 4 , 英国气体工程师学会标准 燃气支管 [ S ] . [ 6 ] 林铭荣.天然气置换的探讨[ J ] .煤气与热力, 2 0 0 5 , 2 5 ( 6 ) 4 9- 5 2 . [ 7 ] 耿景堂.煤气输配系统投产前的气体置换[ J ] .煤气 与热力, 1 9 9 7 , 1 7 ( 4 ) 2 6- 2 6 . 作者简介 陈莉( 1 9 7 1- ) , 女, 山东潍坊人, 工程师, 大学, 从事特种设备检验与研究工作, 现任山东省特种 设备检验研究院潍坊分院副院长。 电话 ( 0 5 3 6 ) 8 5 7 2 6 6 0 E- ma i l w f c l 2 0 0 8 @1 6 3 . c o m 收稿日期 2 0 1 0- 0 8- 2 5 ; 修回日期 2 0 1 0- 0 9- 3 0 12B w w w . w a t e r g a s h e a t . c o m陈 莉, 等 天然气管道安全置换方法的探讨 第 3 0卷 第 1 1期 天然气管道安全置换方法的探讨天然气管道安全置换方法的探讨 作者陈莉, 寇振夺, CHEN Li, KOU Zhen-duo 作者单位陈莉,CHEN Li山东省特种设备检验研究院,潍坊分院,山东,潍坊,261061, 寇振夺,KOU Zhen-duo英国优特 莱发展有限公司,北京,100026 刊名 煤气与热力 英文刊名GAS HEAT 年,卷期2010,3011 参考文献7条参考文献7条 1.SY/T 5922-2003.天然气管道运行规范 2.IGE/SR/22.英国气体工程师学会标准--燃气在传输分配和贮存过程中的置换操作 3.刘晓涛.汪海波 浅析环路燃气管道安全置换 20065 4.IGE/TD/1.英国气体工程师学会标准--配气主管 5.IGE/TD/4.英国气体工程师学会标准--燃气支管 6.林铭荣.傅占明.邵小兰 天然气置换的探讨 20056 7.耿景堂 煤气输配系统投产前的气体置换 19974 本文链接
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