1 天然氣置換方法
為確保安全，在長輸管道和廠站的投產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。本文結合英國燃氣行業(yè)標準和國內實際工作，詳細探討城市天然氣管網的置換安全及置換方法。
1.1 置換安全
天然氣置換是一項非常危險的工作，若置換方案不當或操作失誤，可能發(fā)生惡性事故，給人民群眾的生命和財產造成損失。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施置換工作。
(1) 置換前必須進行風險評估。
(2) 戴上適合的個人防護裝置。
(3) 準備呼吸器并能正常使用。
(4) 準備滅火器并置于適當的位置。
(5) 管道內空氣的置換應在強度試驗、嚴密性試驗、吹掃清管、干燥合格后進行。
(6) 間接置換應采用氮氣或其他無腐蝕、無毒的惰性氣體為置換介質。
(7) 現場必須設置“禁止火源”、“禁止吸煙”等安全警示標牌。
(8) 置換進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管道時必須接地。
(11) 火源必須距離放散口的上風向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)的混合氣體應徹底放
(14) 采用阻隔置換法置換空氣時，氮氣或惰性氣體的隔離長度應保證到達置換管道末端空氣與天然氣不混合。
(15) 放空隔離區(qū)內不允許有煙火和靜電火花產生。
(16) 置換管道末端應配備氣體含量檢測設備，當置換管道末端放空管口氣體含氧量體積分數不大于2%或可燃氣體體積分數大于95%時即可認為置換合格[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，直至管道內的空氣(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、氮氣)的上方流動，或者密度大的氣體在密度小的氣體下流動時，容易出現兩種氣體分層流動的現象，稱之為分層現象[2]。天然氣置換空氣或氮氣的分層現象見圖1，空氣或氮氣置換天然氣的分層現象見圖2。
在置換過程中，將天然氣緩慢輸入到新建管道內，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氣就會滯留在管道內。當檢測人員從出口取樣檢測時，儀器會顯示體積分數為100%的天然氣，如果此時停止置換，滯留在管道內的空氣將與天然氣混合，非?？赡苄纬杀ㄐ曰旌蠚怏w，在用戶使用時發(fā)生危險。這種情況會給安全運行帶來極大的隱患。
通過實驗研究發(fā)現，必須保持一定的置換流速才能杜絕置換中的分層現象。英國研究機構對各種管徑的燃氣管道進行了實驗，測得了最小的可能發(fā)生分層現象的流速和流量，將數據列于表1中[2]。為了避免分層現象的出現，實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
靜電防護是安全置換的要素，燃氣在管道中的流速越快，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現減少靜電積累的目的[3]。
根據國外實驗得出以下管道燃氣安全流速公式[3]：
式中v——管道內氣體的平均流速，m/s
d——管道的公稱管徑，m
再結合以下流量計算公式：
q=3600Av (2)
式中q——置換氣體的安全流量，m3/h
A——管道截面積，m2
可得出安全流量計算式為：
g=720πd1.5 (3)
假如輸送管道管徑為200mm，按照上述公式計算其安全流量約為200m3/h。為了盡可能減少靜電帶來的危險，我們在管網的置換操作中，采用嚴格控制管網壓力，降低流速、流量的辦法，盡可能地減少靜電的積累。《城鎮(zhèn)燃氣設施運行、維護和搶修安全技術規(guī)程》CJJ 51—2006要求進行燃氣直接置換時，將壓力控制在5kPa以內，實際上也是出于控制流速從而達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數或氧氣體積分數。從檢測管的采樣口取樣，用高精度燃氣檢測儀進行實時的監(jiān)測分析，如果連續(xù)2次測得天然氣體積分數達到95%以上或取樣中的氧氣體積分數在2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數據為連續(xù)2次測得天然氣體積分數達到90%以上或取樣中的氧氣體積分數在4%以下即為合格[2])，可以確定已達到預定的置換標準，置換工作完成。
天然氣直接置換方法的特點是比較簡便也比較經濟，但是具有一定的危險性。因為在置換過程中，管道里必然要產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，很容易在某外界因素的誘發(fā)下(如管道內焊渣、金屬顆粒滾動等)產生爆炸，因此操作有嚴格的控制條件和要求，必須嚴格按規(guī)程實施，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，天然氣體積分數在45%以下均應視為危險區(qū)(見圖3，圖中數據均為體積分數)，遇火源就要發(fā)生爆炸。為此必須嚴格控制，采取各種安全措施，確保無火源。
由于天然氣管道是封閉的，管道建成后經歷了吹掃、強度試驗、嚴密性試驗等工序，管道內沒有活動部件，不可能因運動、撞擊產生火花?？赡艹霈F的火源有以下兩種：一是高速氣流會因摩擦產生靜電，所以置換時要對管道系統(tǒng)進行接地(見圖4[4])，即便有靜電負荷產生，也會立即通過接地裝置導入大地，不會有電荷積聚導致高電位而產生放電火花。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，與管道內壁碰撞產生火花。引起此類事故的根本原因是高速氣流，解決的關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，也就不可能產生火花。此外，為了避免將雜物帶進管道，應事先在進氣管道上設置過濾器。根據英國相關資料及國內應用經驗，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，這里所說的惰性氣體是指既不可燃又不助燃的無毒氣體，如氮氣、二氧化碳等。
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數達到預定的置換標準為止。在實際操作過程中一般用氧氣體積分數來衡量，如果連續(xù)2次取樣中的氧氣體積分數達到2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數據為連續(xù)2次測得取樣中的氧氣體積分數達到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，用高精度燃氣檢測儀進行實時的監(jiān)測分析，如果連續(xù)2次測得天然氣體積分數達到95%以上即為合格[1](在英國的置換要求中，此數據為連續(xù)2次測得天然氣體積分數達到90%以上即為合格[2])，置換完成。此法操作復雜、繁瑣，進行2次換氣，不僅耗用大量惰性氣體還耗用大量的燃氣，費用較高，并且換氣時間長，工作量大。但是，它可以確保進入管道內的燃氣不會與管道內空氣接觸，不會形成具有爆炸性的混合氣體。因此，此法可靠性好，安全系數高，成功率也高。主干管網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的置換方法，氮氣介質阻隔置換見圖6。
阻隔置換的方法比完全使用間接置換更經濟，也比間接置換技術要求高，操作難度大，但是如果管道距離長，此方法的安全性和經濟性優(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的數據[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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|||||
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250～500
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500～1000
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1000～1500
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1500～2000
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2500～5000
|
5000～10000
|
|
|
100
|
1
|
1
|
2
|
2
|
4
|
8
|
|
150
|
1
|
2
|
3
|
7
|
9
|
18
|
|
200
|
2
|
4
|
5
|
8
|
16
|
32
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|
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的阻隔置換方法與使用清管器為隔離設備的方法相比有如下優(yōu)勢：
① 大多數的天然氣管道有較大的高程變化，清管器在管道中的運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，清管器皮碗磨損嚴重，且前后壓差較大，因此會產生較大的混氣量。
③ 清管器在管道彎頭處易產生混氣量。
④ 采用清管器隔離增加了工藝操作難度。
2 置換方法應用
在城市燃氣管道天然氣與空氣置換過程中，多數管道都存在分支，除了管網末端很少有無支管的管道系統(tǒng)(見圖7[5])。必須針對管網系統(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：同時置換和順序置換，下文將介紹管網系統(tǒng)置換和用戶管道系統(tǒng)的置換。表3為管網壓力為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
|
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901～1200
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125
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2.1 管網系統(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，依次置換每個支管。在置換時一般的選擇方法是從最大管徑的管道開始置換，選擇最遠端放散，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的順序進行。順序置換的方法簡單易行，在置換時，需要的操作人員少，容易控制。適用于人力有限或者同時置換時管道內氣體流速不能達到最小的置換流速時，可以依次置換。
② 同時置換
同時置換就是一個進氣口通入天然氣，所有支管上的放散口同時放散。這種方法要求較高，需要進行計算，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，控制復雜。此方法優(yōu)點是置換時間短，效率高，對周邊影響小。當所有支管的放散口取樣檢測的氧氣體積分數低于2%時，置換完成。注意，在置換過程中至少保持一個放散口始終打開，理論上要求最遠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控制閥的天然氣置換。一般這類置換管道長度較短，管道總容積較小，可以采用管道最遠端置換的方法[6、7]。用戶室內管道置換見圖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數達到95%以上或取樣中的氧氣體積分數在2%以下即為合格[1](在英國的置換要求中，此數據為連續(xù)2次測得天然氣體積分數達到90%以上或取樣中的氧氣體積分數在4%以下即為合格[2])，停止放散，置換完成。
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