輸氣管道置換技術(shù)探討

【摘要】為了確保天然氣管道試運(yùn)投產(chǎn)過程中的安全，采用置換的方式對天然氣管道進(jìn)行試運(yùn)投產(chǎn)，即先將惰性氣體注入管線，用惰性氣體作為天然氣與空氣間的隔離介質(zhì)，投產(chǎn)時(shí)天然氣推動惰性氣體、惰性氣體推動空氣進(jìn)行管道線路及站場、閥室置換，從而使天然氣管道、站場達(dá)到順利投產(chǎn)條件。

【關(guān)鍵詞】輸氣管道 惰性氣體 置換投產(chǎn)

【Abstract】In order to ensure that the natural gas pipeline commissioning process safety， by way of replacement of natural gas pipeline commissioning， the inert gas injection pipeline， using inert gas as the isolation medium of natural gas and air， inert gas， natural gas to promote the production of inert gas to promote air pipe line and station field， valve chamber replacement， so that achieve the smooth operation conditions of natural gas pipeline station。

【Key words】Gas transmission pipeline，Inert gas；Replacement commissioning

1. 置換方式

（1）空氣-天然氣混合物是一種高度易燃易爆的危險(xiǎn)品，因此減少在燃燒極限、爆炸極限之內(nèi)的空氣-天然氣混合物數(shù)量極為重要，通常在天然氣管道投產(chǎn)前為了清除管線中的空氣或空氣-天然氣混合物需要進(jìn)行置換，置換方式一般分為兩種類型：采用天然氣置換空氣；采用惰性氣體置換空氣，天然氣置換惰性氣體。

（2）采用天然氣直接置換空氣存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在近年來的大中型項(xiàng)目上使用比較少，通常先采用惰性氣體置換空氣，然后再用天然氣置換惰性氣體。

2. 置換介質(zhì)及設(shè)備選擇

（1）惰性氣體的選擇應(yīng)從制備氣體的可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性上考慮，目前國內(nèi)普遍選用的惰性氣體是氮?dú)?，可選用的設(shè)備主要是制氮車或液氮罐車（1t液氮轉(zhuǎn)化為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃狀態(tài)下的氮?dú)怏w積約為800m3）。

（2）制氮車有車載氮?dú)馍a(chǎn)設(shè)備，在現(xiàn)場直接將生產(chǎn)的氮?dú)庾⑷牍艿溃帕枯^大，但制取的氮?dú)饧兌扰c排量成反比關(guān)系；液氮罐車通過對液氮加熱使其汽化后注入管道，制取的氮?dú)饧兌雀咔页隹趬毫Ω?，可以以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)試壓，但制氣量受罐車儲量的限制。

3. 質(zhì)量要求及用量計(jì)算

3.1氮?dú)赓|(zhì)量的要求。向管道內(nèi)注氮?dú)獾臏囟缺仨毟哂?℃；注到管道內(nèi)氮?dú)獾暮趿恳陀?%。

3.2氮?dú)庥昧康挠?jì)算。

3.2.1管道內(nèi)氣體平均壓力的計(jì)算：

Pm= 21 3 P1+ P221 P1+P2 （1）

式中： Pm——管道內(nèi)氣體平均壓力（絕），MPa；

P1——管道計(jì)算段內(nèi)起點(diǎn)氣體壓力（絕），MPa；

P2——管道計(jì)算段內(nèi)終點(diǎn)氣體壓力（絕），MPa；

3.2.2管道內(nèi)氣體平均溫度計(jì)算：

T=t0+ t1-t01 aL （1-e-al） ，a= KπD1 GCp （2）

式中： t——管道計(jì)算段內(nèi)氣體平均溫度，℃； t0——管道鋪設(shè)處的土壤溫度，℃；

t1——管道計(jì)算段內(nèi)起點(diǎn)氣體溫度，℃； a——計(jì)算常數(shù)；

L——管道計(jì)算段的實(shí)際長度，m； D——管道外直徑，m；

K——管道內(nèi)氣體到土壤的總傳熱系數(shù)， W/m2·°C；

G——?dú)怏w質(zhì)量流量， Kg/s；

CP——?dú)怏w定壓比熱， J/（Kg·°C） ；

e =2.718； π =3.1416。

3.2.3管道儲氣量計(jì)算

Q儲 =VT01 P0T （P1m-P2m） （3）

式中： Q儲 ——管道的儲氣量， ； V ——管道容積， ；

T——?dú)怏w的平均溫度，K； P1m——管道計(jì)算段內(nèi)氣體的最高平均壓力，MPa；

P2m——管道計(jì)算段內(nèi)氣體的最低平均壓力，MPa；

P0=0.101325MPa； T0=293.15K。

根據(jù)國內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)，天然氣長輸管道投產(chǎn)前需對前段約20Km的管道進(jìn)行氮?dú)庵脫Q。

4. 氮?dú)庵脫Q步驟

（1）注氮口一般選擇在首站，氮?dú)忭槡饬鞣较蜻M(jìn)行置換。

（2）根據(jù)氮?dú)獾牧魉?，?jì)算出氮?dú)?空氣混氣段氣頭到達(dá)閥室的預(yù)計(jì)時(shí)間，方便操作人員按時(shí)在閥室進(jìn)行氣體檢測等操作。

（3）將注氮設(shè)備連接至首站管道，注氮過程中，在下游閥室或末站進(jìn)行引氣放空。首站先置換主管道，當(dāng)在出站的管道上檢測到純氮?dú)夂?，分別對放空和排污管線進(jìn)行置換，方法是將DN50以上閥門打開30%后立即關(guān)閉、DN50及以下閥門全開然后關(guān)閉。（4）根據(jù)測算混氣頭到達(dá)閥室的時(shí)間。提前在閥室用0～25%便攜式含氧量分析儀在管道上壓力變送器或壓力表的取樣口檢測混合段氣體的含氧量，當(dāng)檢測到氧氣含量從21%開始下降時(shí)，說明氮?dú)?空氣混氣頭已到檢測點(diǎn)，當(dāng)氧氣含量降至2%時(shí)既可認(rèn)為管道內(nèi)是純氮?dú)?，然后停止放空直至管道壓力升?.04MPa時(shí)氮?dú)庵脫Q工作完成。

5. 天然氣置換投產(chǎn)

（1）根據(jù)上游供氣能力、管徑及天然氣流速，測算出每小時(shí)的供氣量，投產(chǎn)時(shí)控制天然氣流量，保證管道內(nèi)天然氣流速不大于5m/s；根據(jù)天然氣的流速，計(jì)算出氮?dú)?空氣混氣頭和天然氣-氮?dú)饣鞖舛螝忸^到達(dá)各閥室及末站的預(yù)計(jì)時(shí)間，方便操作人員按時(shí)在站場、閥室進(jìn)行氣體檢測等操作。

（2）天然氣置換投產(chǎn)采用氣推氣的置換方式，即天然氣推動氮?dú)?、氮?dú)馔苿涌諝獾闹脫Q方式，先置換主管線，再置換閥室、站場放空和排污等管線。投產(chǎn)期間用上游供氣閥門調(diào)節(jié)天然氣流量，天然氣推動提前注入的氮?dú)舛伍_始進(jìn)行管道、閥室和站場的置換，全線置換期間，分別在下游閥室或站場進(jìn)行引氣放空，根據(jù)沿線閥室、站場各檢測點(diǎn)的檢測情況及時(shí)進(jìn)行沿線閥室、站場放空和排污等管線的氮?dú)?天然氣置換。

6. 天然氣置換檢驗(yàn)

根據(jù)測算的混氣頭抵達(dá)各閥室或站場的時(shí)間，先用便攜式含氧量分析儀在主管道上檢測氮?dú)夂?，?dāng)檢測到純氮?dú)鈺r(shí)，立即對放空、排污管線進(jìn)行氮?dú)庵脫Q。然后再采用便攜式可燃?xì)怏w檢測儀對氮?dú)?天然氣混氣段進(jìn)行檢測，當(dāng)混氣段通過檢測地點(diǎn)時(shí)，天然氣含量會從0逐漸上升，當(dāng)上升至高于99%時(shí)即可視為管道內(nèi)已為純天然氣，接著對放空、排污等管線進(jìn)行天然氣置換，直到全線閥室、站場主管線、放空及排污等管線各檢測點(diǎn)都檢測到純天然氣為止，待全線平均壓力升至約0.2MPa時(shí)，天然氣置換工作全部結(jié)束。

7. 升壓及試運(yùn)行

當(dāng)天然氣置換完成后，開始全線升壓，當(dāng)全線平均壓力升至1.0MPa時(shí)，首站停止進(jìn)氣24h，進(jìn)行全線穩(wěn)壓檢漏，經(jīng)檢查無異常后再繼續(xù)升壓至工作壓力，開始72h試運(yùn)行，試運(yùn)行正常后，置換投產(chǎn)工作全部結(jié)束。

8. 應(yīng)用實(shí)例

（1）懷仁-原平輸氣管道工程一期（神池-陽方口-原平段）管道全長約84.7Km，管徑分別為DN350和DN450，沿線設(shè)有神池首站l座、陽方口分輸站1座、原平末站l座和線路截?cái)嚅y室3座，因沿線地形起伏、高差變化較大，采用管道內(nèi)加清管球隔離氣推氣的置換方式。制氮設(shè)備選擇的移動式制氮車，生產(chǎn)能力約450m3/h左右。根據(jù)置換方案首先對神池首站及神池首站至首個(gè)閥室（7#閥室）的約22Km管道進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，根據(jù)管道儲氣量公式計(jì)算出氮?dú)庥昧?，置換完成后壓力達(dá)到0.04MPa，共需用氮?dú)饬考s為7250m3。此段管道于2011年12月8日12時(shí)開始氮?dú)庵脫Q，于2011年l2月22日投產(chǎn)，投產(chǎn)期間混氣段到達(dá)各閥室及末站實(shí)際時(shí)間和計(jì)劃時(shí)間基本吻合。

（2）因置換期間壓力、流速都比較低，再加上地形起伏較大等因素影響會導(dǎo)致各階段的混氣量都比較大，從環(huán)保和節(jié)能方面考慮，建議在空氣-氮?dú)?、氮?dú)?天然氣的分界面加清管球或清管器隔離。

參考文獻(xiàn)

[1]《天然氣管道試運(yùn)投產(chǎn)規(guī)范》，中國石油天然氣股份有限公司管道分公司.

[2]《輸氣管道工程設(shè)計(jì)》， 《石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊》編委會.

[文章編號]1619-2737（2017）06-19-485

[作者簡介] 張小強(qiáng)（1985.06-），男，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：工程師，工作單位：中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，現(xiàn)主要從事油氣長輸、集輸管道的設(shè)計(jì)和施工。