城鎮天然氣管道直接置換探討

韓 雙

(貴州燃氣熱力設計有限責任公司,貴州 貴陽 550001)

1 概述

天然氣管道在新建投產或檢修時需要進行管內氣體置換,常用方法有間接置換和直接置換。間接置換是采用惰性氣體或水置換燃氣設施中的空氣或燃氣后,再用燃氣或空氣置換燃氣設施中的惰性氣體或水的過程,具有安全性好但操作復雜、置換時間長、成本高的特點[1]。直接置換是采用燃氣置換燃氣設施中的空氣或采用空氣置換燃氣設施中的燃氣的過程,具有操作過程簡單、置換時間短、成本低但安全性較差的特點[1]。隨著置換技術的提升及操作流程越來越規范,城鎮次高壓、中壓燃氣管道越來越多采用直接置換法。貴陽市城鎮天然氣管道置換以直接置換法為主,間接置換法為輔。

天然氣管道直接置換過程中,管內一定存在空氣與天然氣混合氣,易發生燃燒甚至爆炸,造成嚴重社會影響和經濟損失。因此,天然氣置換的安全問題是置換過程中的重中之重,合理的置換參數及規范操作是置換安全的保障。

2 直接置換參數的確定

2.1 置換合格標準

當采用直接置換法時,應在置換管段末端連續3次檢測天然氣的體積分數,相鄰2次檢測時間間隔不應少于5 min,每次檢測的測定值符合下列要求即可判斷為置換合格[2]:采用天然氣置換空氣時,天然氣體積分數測定值應大于90%;采用空氣置換天然氣時,天然氣體積分數測定值不應大于其爆炸下限的20%。

2.2 置換壓力

雖然相關規范對天然氣直接置換的壓力無要求,但實踐經驗證明壓力控制在5 kPa以內能確保直接置換的安全性。北京市燃氣集團有限責任公司在天然氣管道直接置換時將置換壓力設置在5 kPa以內[3]。目前,貴州燃氣集團股份有限公司在天然氣管道直接置換過程中也是將置換壓力設置在5 kPa以內,并且要求壓力變化不宜過快。

2.3 置換流速

在置換過程中,氣體與管壁和管道內雜質、管道內雜質與管壁之間均會發生摩擦,產生靜電,隨著置換進行,靜電累積,當達到可燃混合氣體的最小點火能時,極有可能導致事故發生,因此需要保證一定的置換流速。管道內氣體安全流速的計算式為[4]:

(1)

式中v--管道內氣體安全流速,m/s

D--管道的公稱直徑,m

根據式(1),得到安全流量計算式為:

q=2 260.8D-0.5d2

(2)

式中q--管道內氣體安全流量,m3/h

d--管道的內直徑,m

置換流速應控制在管道內氣體安全流速附近。

2.4 分層現象

在天然氣直接置換過程中,因空氣與天然氣的密度不同,在層流狀態下,空氣在管道內下部流動,天然氣在管道內上部流動,出現兩種氣體分層流動的現象,稱為分層現象。分層現象易導致置換合格的假象,使置換后的管道內還殘存爆炸性混合氣體,從而導致事故發生。控制置換時不發生分層,可以通過控制理查德系數來實現,理查德系數計算式為[5]:

(3)

式中R--理查德系數

g--重力加速度,m/s2

ρa、ρb--較重、較輕氣體的密度,kg/m3

v1--管道內氣體平均流速,m/s

理查德系數隨著管道內氣體平均流速增大而降低,理查德系數越小越不容易出現分層現象,理查德系數在1～5范圍時直接置換不出現分層現象[5]。

另外,也可以控制雷諾數來避免出現分層現象,當雷諾數小于等于2 300時屬于層流運動,當雷諾數大于2 300時屬于湍流運動。在直接置換過程中,需要提高管道內氣體的流速,使雷諾數大于2 300,從而避免分層現象。

2.5 置換時間

置換過程所需的理論時間計算式為[6]:

(4)

式中t--置換過程所需的理論時間,h

d1--放散管的內直徑,m

L--置換天然氣管道的長度,m

v2--置換時放散管的氣體流速,m/s

實際置換過程所需的時間一般為理論時間的2倍左右。

2.6 接地電阻[6]

在直接置換的過程中,一方面需要減少摩擦而減少靜電荷的產生,另一方面需要保證靜電荷流暢地導入大地,因此,置換天然氣管道應有良好的接地,且接地電阻不大于100 Ω。

3 置換放散點的選取及置換流程

在置換過程中,為了保證置換能順利進行且全段置換合格,合理地選取放散點是關鍵之一。放散點應選在人員稀疏、通風良好、遠離高壓輸電架空線、地勢平坦、操作方便的區域。因此,每次置換作業前,應現場踏勘、熟悉地形、掌握置換內容,根據管道類型、管徑、管長等因素選擇最佳的放散點和設計合理的置換方案。常見需置換的城鎮天然氣管道包括干線管道(無支管)、環狀管網及枝狀管網,分別見圖1～3。對干線管道(無支管)、環狀管網及枝狀管網分別進行天然氣置換空氣。

圖1 天然氣干線管道(無支管)

邢小旗等[6]建議,當需要置換的天然氣管道管徑較大或長度較長(管道長度大于5 km)時,應實施分段置換。GB 50028-2006《城鎮燃氣設計規范》(2020年版)規定,在次高壓、中壓燃氣干管上,應設置分段閥門,并應在閥門兩側設置放散管。置換時,當自然環境允許時,可利用放散管放散。

① 天然氣干線管道(無支管)的置換流程

圖1中,點B、C、D均為放散點,相應位置設置放散閥,開始放散閥均處于關閉狀態。首先打開點B放散閥進行管段AB置換,在點B使用取樣袋每10 min進行1次取樣試燒,火焰長而黃、呈擴散式燃燒即為試燒合格。試燒合格后,使用CH4全量程檢測儀在點B檢測甲烷的體積分數,連續檢測3次,相鄰2次檢測時間間隔為5 min,每次檢測得到的甲烷體積分數大于90%視為置換合格。當點B檢測合格后,關閉點B放散閥的同時打開點C放散閥進行管段BC的置換,重復管段AB的置換流程。當點C檢測合格后,關閉點C放散閥的同時打開點D放散閥進行管段CD的置換,重復管段AB的置換流程,點D檢測合格,證明該干線管道全線置換合格。

② 天然氣環狀管網的置換流程

環狀管網放散點的選取應有利于天然氣流向各管段,不存在置換死角。圖2中,點B、C、D、E、F均為放散點,相應位置設置放散閥,開始放散閥均處于關閉狀態。首先同時打開點B、C放散閥,置換管段AB、AC,目的是為了置換管段AB、AC的同時,將天然氣引流至環路。當放散點B、C檢測合格后,關閉點B、C放散閥的同時打開點D、E放散閥,進行管段BD、CE的置換。當放散點D、E檢測合格后,關閉點D、E放散閥的同時打開點F放散閥進行管段DF、EF的置換。點F檢測合格,證明該環狀管網全線置換合格。各段的置換流程與天然氣干線管道(無支管)的置換流程一致。若管段BD、CE過長,應進行分段置換。

圖2 天然氣環狀管網

③ 天然氣枝狀管網的置換流程

枝狀管網放散點的選取應有利于天然氣流向各管段,不存在置換死角,宜按管道長、管徑大優先的原則依次進行。實際管網中,枝狀管網形狀各異,支管數量各異、長短各異。圖3中,點B、C、D、E、F均為放散點,相應位置設置放散閥,開始放散閥均處于關閉狀態。管段AF為最不利管道,點B、C所在管段為短支管,點D、E所在管段為長支管。應首先打開點F放散閥置換最不利管道。當點F檢測合格后,關閉點F放散閥的同時分別打開點D、E放散閥,依次置換長支管。當點D、E檢測合格后,關閉點D、E放散閥的同時分別打開點B、C放散閥,依次置換短支管。點B、C檢測合格,證明該枝狀管網全線置換合格。各管段的置換流程與天然氣干線管道(無支管)的置換流程一致。

圖3 天然氣枝狀管網

4 直接置換的安全注意事項

為確保直接置換過程的安全,除確定合理的置換參數外,還應營造安全的置換環境。在管道施工時應規范施工,管內不殘留較大的雜質。直接置換前,應嚴格執行吹掃、強度試驗、嚴密性試驗等程序,各項均合格后才能進入置換過程。直接置換過程中,應嚴格按操作流程進行,操作規范,保護措施執行到位。直接置換完成后,應做好各項收尾工作,將資料整理歸檔。對城鎮天然氣管道直接置換過程的安全注意事項總結如下。

① 在置換的前一天,置換人員進行現場踏勘、熟悉地形、掌握置換流程和內容,對作業現場進行風險評估,采取適當風險控制措施,最大限度降低作業風險。

② 置換人員必須按規定穿戴和使用個人勞動防護用品、用具,應穿戴防止靜電產生的衣服和鞋,涉及車行道作業必須穿反光背心。

③ 置換人員在出發前確認檢測儀、放散工器具等能正常使用。

④ 安全監護人員對置換過程進行實時監控,并對置換現場的安全措施進行監督。

⑤ 以各放散點為中心,周圍5 m范圍內設置警示帶,并在警示帶外設置安全警示牌或安全警示標志。

⑥ 置換時必須控制壓力在5 kPa以內,如發現壓力過高或壓力變化過快,立即向指揮員報告,根據指揮員指令調整閥門開度控制壓力。

⑦ 放散點安全范圍內,禁止煙火,不得撥打手機;放散點不得選在通風不良的地方,不得選在有密閉空間的地方;各放散點必須配置有效的滅火器。

⑧ 被置換的天然氣管道應有效接地,且接地電阻不大于100 Ω;放散管必須連接牢固并搭接地線。