燃氣管道置換關鍵參數控制及計量裝置設計

張玉星， 馬旭卿， 何 毅

(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

控制置換工程的關鍵是嚴格把控置換的工藝參數。目前對各種參數在置換過程中的變化及影響規律研究較少，對置換氣體推動速度也無法精確掌握[1]。本文結合國內外文獻對置換速度的要求，設計并加工了適用于次高壓及以下壓力級制的燃氣管道置換工程的移動計量裝置。

2 城鎮燃氣管道置換關鍵參數控制

2.1 置換工程安全控制要素

靜電防護是安全置換的關鍵，隨著燃氣在管道中流動加快，管道內的雜物會隨著氣流與管道碰撞，導致靜電積聚，一旦達到燃氣最小著火能量，極有可能導致事故[2]。在燃氣管道置換過程中，通過控制流速或流量的方法可以避免靜電的產生。

國內外關于置換安全控制相關文獻表明，基于國外相關實驗得到管道內氣體安全流速的公式為[3]：

(1)

式中v——管道內氣體的平均流速,m/s

D——管道的公稱直徑,m

2.2 置換高效化參數控制

在實際工程中，通過保持一定的天然氣推進速度，從而避免天然氣處于管道上層、空氣或惰性氣體處于管道下層而形成分層；同時通過達到一定的推進速度，可以大大縮短置換時間，使得置換工程更加高效。2007年某新建燃氣管道采用直接置換法置換時，由于未保證管內燃氣流速，發生燃氣與空氣明顯分層，致使運行人員檢測到管道燃氣濃度合格即誤認為置換完成，點火時回火發生爆炸[4]。

① 方法1

控制兩種氣體不發生分層，可以通過計算理查德系數來實現，該方法表達式為[1]：

(2)

式中R——理查德系數

g——重力加速度,m/s2

d——管道內直徑,m

ρa、ρb——分別為兩種氣體密度,ρa>ρb,kg/m3

理查德系數R在1～5范圍對應的混氣量是允許的，理查德系數隨著氣體平均速度的增大而降低，即產生分層的概率較低[1]。

② 方法2

雷諾數是判別流動特性的依據。在管流中，雷諾數小于等于2 300的流動是層流，雷諾數大于2 300時屬于湍流[5-6]，其表達式為：

(3)

式中Re——雷諾數

ρmix——兩種氣體介質密度的算術平均值,kg/m3

μmix——兩種氣體介質動力黏度的算術平均值,Pa·s

通過公式(3)計算可得氣體在管道中流動狀態，如果處于層流，此時兩種氣體介質干擾及混合程度較小，則需要提高平均流動速度，使雷諾數大于2 300，從而避免兩種氣體分層。同時可以得出管道內氣體平均流動速度v的最小值，用于指導置換過程中氣體的推進速度[7-8]。

3 置換現狀、置換計量裝置設計及試驗

3.1 北京燃氣置換現狀

北京市燃氣集團有限責任公司(以下簡稱北京燃氣)涉及置換工程中的管道長度普遍較短，目前針對次高壓及以下的燃氣管道，采取天然氣推動空氣的直接置換法；對于高壓管道采取氮氣推動空氣，隨后天然氣推動氮氣的間接置換法。北京燃氣結合置換工程中的安全因素以及作業效率的考慮，通過控制置換壓力為5 kPa以內，從而在使得置換流速處于安全范圍的前提下保證作業效率。目前置換工程的連接方式多為在閥門井的兩個放散閥處(接口一般為DN 50、80、100 mm國標法蘭)使用不銹鋼軟管連接。

3.2 置換計量裝置設計及試驗

由于新建次高壓及以下管道置換工程采用天然氣直接置換，會有天然氣與空氣的混合物排入大氣中，但天然氣放散量統計通過理論計算難以實現。在北京燃氣精細化管理及降低供銷差的背景下，結合北京燃氣置換工程現狀，我們設計了一套適用于次高壓及以下燃氣管道置換工程使用的移動計量橇。該計量裝置安裝在置換工程的燃氣進氣端，用于計量管道置換的燃氣用量。移動計量橇基于小型化、可移動以及滿足置換工程要求的原則，流量計挑選無需前后直管段且無阻流件的超聲波流量計。計量橇設計為兩路，其中一路為計量路，置換時啟用；另一路為旁通路，當計量路發生故障時、或置換合格后升壓時啟用。

采用上述計量裝置在北京燃氣某處置換工程現場進行試驗。采用直接置換法，用天然氣直接置換管道內的空氣。置換壓力控制為5 kPa，待置換管道長度為3 988 m，管道規格為DN 500 mm。試驗中，置換壓力、燃氣溫度、標況燃氣流量為燃氣通過計量橇中流量計所顯示數據。由于壓力較低，因此，工況置換速度近似等于標況燃氣流量除以待置換管道流通截面積。置換用燃氣標況體積是指置換開始到置換結束的燃氣用量。燃氣放散標況體積是通過置換用燃氣標況體積減去管存燃氣標況體積求得，由于置換合格后壓力較低，因此，管存燃氣標況體積近似等于管道容積。現場試驗數據記錄見表1。

表1 現場試驗數據記錄

通過現場試驗采集相關參數并計算得出，工況置換速度為0.72～0.97 m/s，滿足公式(1)計算得出的管道內氣體流動平均流速不大于1.13 m/s的要求。

由于天然氣中甲烷體積分數大于90%，因此，在計算雷諾數時用甲烷物理參數替代天然氣物理參數。由于置換壓力為4.2～5.0 kPa(絕對壓力為105.525～106.325 kPa)，燃氣溫度為17.6～18.3 ℃，且根據密度、動力黏度相關公式得出密度、動力黏度在置換工況下和標況(101.325 kPa、25 ℃)下相差較小，為了簡化計算，計算雷諾數時密度、動力黏度采用標況下的數據進行計算。經查文獻[9]，在101.325 kPa、25 ℃的條件下，空氣及甲烷的密度分別為1.169 kg/m3及0.648 kg/m3，空氣及甲烷的動力黏度分別為18.448×10-6Pa·s及11.067×10-6Pa·s。計算得標況下兩種氣體介質的密度算術平均值為0.908 5 kg/m3，兩種氣體介質的動力黏度算術平均值為14.757 5×10-6Pa·s。同時已知管道的內直徑為0.5 m，管道內氣體平均流速(即工況置換速度)為0.72～0.97 m/s。將以上已知數據代入公式(3)，計算得雷諾數為22 162～29 858。由計算結果可知雷諾數大于2 300，屬于湍流狀態，不存在天然氣與空氣分層現象。

是否可以在保證安全的情況下，通過適當加大置換速度進而提高置換效率及減少燃氣放散量，還需要積累更多現場試驗數據。該試驗還得出該置換工況下，燃氣放散量與管道容積之比近似為1。通過多次試驗數據積累，可以進一步完善燃氣放散量與管道容積的換算系數，便于置換工程放散量統計；且對置換過程中及置換結束后各類參數收集分析，獲取不同參數對置換工程的影響規律。移動計量橇的使用不僅為供銷差統計提供數據支撐，也為燃氣企業逐步精細化管理奠定基礎。