注氮封存與置換工藝技術在青靖線輸氣管道應用

馬毛東，鐘 磊，謝登科

(陜西延長石油(集團)管道運輸輸氣第一分公司，陜西 榆林 718500)

天然氣管道投產運行，就是使新建管道內充滿天然氣并且使其達到管輸壓力運行三天的過程。具體就是先在管道中注入適合的氮氣，把管道內的空氣替換出來，再將氮氣從管道中使用天然氣替換出來，在替換過程中并不是在管道中完全注入氮氣，而是在注入首站和某一截斷點間注入。天然氣推著這段惰性氣體前進，而氮氣段則推著動空氣排出管道，直至管道內充滿天然氣。從而完成管道投產試運行。

1 置換工作原理

關閉作業段管道兩端的線路截斷閥，對碰口作業段管道內天然氣進行點火排放，當管內壓力達到微正壓(285～1177 Pa) 范圍時，停止放空，將液氮罐車、低溫液體泵、汽化器通過高壓軟管與站場(閥室)預留注

氮閥門連接好，打開閥門注入氮氣，在另一站場(閥室)打開放空閥排放，并在壓力表接口處和碰口點打孔用可燃氣體分析儀持續檢測管內天然氣含量，當濃度小于爆炸下限的25%時認為置換合格，才能動火。

2 注氮方式及置換要求

2.1 置換方式選擇

天然氣管道投產置換采取“氣推氣”置換方式。根據管道工程的實際情況，需要選擇一處注氮點，置換天然氣時把空氣和天然氣分隔開。

站場工藝流程的置換采用同步置換方式，管道置換完畢后開始進行站內管道設備置換，按照工藝流程的主次分路置換，選擇工藝流程的末端進行放空。

2.2 推進速度控制

在置換過程中，使用下列公式確定是否出現分層：

其中：g—重力加速度，9.81 m/s2；

D—管道內徑，m；

ρa、 ρb—分別為兩種氣體的密度，kg/m3；

υ—平均速度，m/s；

根據經驗，取R#=1時置換速度為：

天然氣—氮氣： υ≥1.96 m/s (7.06 km/h)，

氮氣—空氣： υ≥0.447 m/s (1.6 km/h)。

依據相關條款要求，天然氣置換時的推進速度約為5～6 m/s。氮氣置換速度控制要求:0.6～1 m/s。

3 注氮置換在青靖線的應用

考慮到本工程線路較短，因此全線選用通徑較為合理，有利于施工，而且便于投產后的運營管理。本次初步設計采用對試運行管道采用注氮封存及置換工藝技術，根據管道投產氮氣置換的注氮設施、注氮位置、注氮量、注氮溫度、注氮速度及氮氣封存范圍等技術參數[1]，以及預定的推進速度，確定不同置換長度時的注入點壓力，達到適時調節與優化控制等方面研究[2]，以達到安全置換的目的。

為了滿足氮氣置換過程中，氮氣頭在管線中流動速度在0.6～1.0 m/s(相對應流量計算在附件)，注氮設備應滿足以下要求：氮氣純度大于98%；注氮設備出口溫度最低5 ℃；注氮設備氮氣出口壓力在0.1～0.5 MPa之間；注氮設備上應安裝流量控制和檢測設備；設備注氮量最低每小時1000 Nm3。氮氣分段及注入量計劃見表1。

表1 氮氣分段及注入量計劃表

實際應用時按1 t液氮可轉化為700 Nm3計算，則本工程共需要液態氮約15 t。

根據青靖線實際工況，選擇注氮設備為注氮能力不低于1000 Nm3/h，制氮濃度>98%，出口壓力0.8～1.0 MPa，出口溫度45 ℃。

圖1 氮氣天然氣置換示意圖

天然氣推進速度以18 km/h計算，從青陽岔首站及進天然氣，進氣量為每天1×104Nm3。本工程干線全長34.4 km，投產從青陽岔首站至榆林能化末站干線34.4 km，預計氮氣頭到達所需的時間是0.42 h，天然氣頭到達末站所需時間為3 h；氮氣-空氣混氣段到達各站場閥室的預測時間見表2。

表2 氮氣-空氣混氣段到達各站場閥室的預測時間表

東灣閥室注氮置換量為10500 m3，平均壓力為0 .05 MPa，管容為174.42 m3/km，則計算氮氣柱長度為：

10500/(174.42×1.5)=40.1 km

4 結論

本文綜合青靖線管道試運行投產實際工況，確定合理的天然氣管道投產工藝注氮量、注氮溫度、注氮速度、注氮點、置換速度、等關鍵投產技參數，合理控制天然氣推進速度，以確保安全平穩地進行試供氣作業。