城鎮(zhèn)天然氣管道直接置換探討

韓 雙

(貴州燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 概述

天然氣管道在新建投產(chǎn)或檢修時(shí)需要進(jìn)行管內(nèi)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?xì)庠O(shè)施中的空氣或燃?xì)夂?再用燃?xì)饣蚩諝庵脫Q燃?xì)庠O(shè)施中的惰性氣體或水的過(guò)程,具有安全性好但操作復(fù)雜、置換時(shí)間長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)[1]。直接置換是采用燃?xì)庵脫Q燃?xì)庠O(shè)施中的空氣或采用空氣置換燃?xì)庠O(shè)施中的燃?xì)獾倪^(guò)程,具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、置換時(shí)間短、成本低但安全性較差的特點(diǎn)[1]。隨著置換技術(shù)的提升及操作流程越來(lái)越規(guī)范,城鎮(zhèn)次高壓、中壓燃?xì)夤艿涝絹?lái)越多采用直接置換法。貴陽(yáng)市城鎮(zhèn)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(guò)程中,管內(nèi)一定存在空氣與天然氣混合氣,易發(fā)生燃燒甚至爆炸,造成嚴(yán)重社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此,天然氣置換的安全問(wèn)題是置換過(guò)程中的重中之重,合理的置換參數(shù)及規(guī)范操作是置換安全的保障。

2 直接置換參數(shù)的確定

2.1 置換合格標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)采用直接置換法時(shí),應(yīng)在置換管段末端連續(xù)3次檢測(cè)天然氣的體積分?jǐn)?shù),相鄰2次檢測(cè)時(shí)間間隔不應(yīng)少于5 min,每次檢測(cè)的測(cè)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(shí),天然氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定值應(yīng)大于90%;采用空氣置換天然氣時(shí),天然氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定值不應(yīng)大于其爆炸下限的20%。

2.2 置換壓力

雖然相關(guān)規(guī)范對(duì)天然氣直接置換的壓力無(wú)要求,但實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明壓力控制在5 kPa以內(nèi)能確保直接置換的安全性。北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司在天然氣管道直接置換時(shí)將置換壓力設(shè)置在5 kPa以內(nèi)[3]。目前,貴州燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司在天然氣管道直接置換過(guò)程中也是將置換壓力設(shè)置在5 kPa以內(nèi),并且要求壓力變化不宜過(guò)快。

2.3 置換流速

在置換過(guò)程中,氣體與管壁和管道內(nèi)雜質(zhì)、管道內(nèi)雜質(zhì)與管壁之間均會(huì)發(fā)生摩擦,產(chǎn)生靜電,隨著置換進(jìn)行,靜電累積,當(dāng)達(dá)到可燃混合氣體的最小點(diǎn)火能時(shí),極有可能導(dǎo)致事故發(fā)生,因此需要保證一定的置換流速。管道內(nèi)氣體安全流速的計(jì)算式為[4]:

(1)

式中v--管道內(nèi)氣體安全流速,m/s

D--管道的公稱直徑,m

根據(jù)式(1),得到安全流量計(jì)算式為:

q=2 260.8D-0.5d2

(2)

式中q--管道內(nèi)氣體安全流量,m3/h

d--管道的內(nèi)直徑,m

置換流速應(yīng)控制在管道內(nèi)氣體安全流速附近。

2.4 分層現(xiàn)象

在天然氣直接置換過(guò)程中,因空氣與天然氣的密度不同,在層流狀態(tài)下,空氣在管道內(nèi)下部流動(dòng),天然氣在管道內(nèi)上部流動(dòng),出現(xiàn)兩種氣體分層流動(dòng)的現(xiàn)象,稱為分層現(xiàn)象。分層現(xiàn)象易導(dǎo)致置換合格的假象,使置換后的管道內(nèi)還殘存爆炸性混合氣體,從而導(dǎo)致事故發(fā)生。控制置換時(shí)不發(fā)生分層,可以通過(guò)控制理查德系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),理查德系數(shù)計(jì)算式為[5]:

(3)

式中R--理查德系數(shù)

g--重力加速度,m/s2

ρa(bǔ)、ρb--較重、較輕氣體的密度,kg/m3

v1--管道內(nèi)氣體平均流速,m/s

理查德系數(shù)隨著管道內(nèi)氣體平均流速增大而降低,理查德系數(shù)越小越不容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象,理查德系數(shù)在1～5范圍時(shí)直接置換不出現(xiàn)分層現(xiàn)象[5]。

另外,也可以控制雷諾數(shù)來(lái)避免出現(xiàn)分層現(xiàn)象,當(dāng)雷諾數(shù)小于等于2 300時(shí)屬于層流運(yùn)動(dòng),當(dāng)雷諾數(shù)大于2 300時(shí)屬于湍流運(yùn)動(dòng)。在直接置換過(guò)程中,需要提高管道內(nèi)氣體的流速,使雷諾數(shù)大于2 300,從而避免分層現(xiàn)象。

2.5 置換時(shí)間

置換過(guò)程所需的理論時(shí)間計(jì)算式為[6]:

(4)

式中t--置換過(guò)程所需的理論時(shí)間,h

d1--放散管的內(nèi)直徑,m

L--置換天然氣管道的長(zhǎng)度,m

v2--置換時(shí)放散管的氣體流速,m/s

實(shí)際置換過(guò)程所需的時(shí)間一般為理論時(shí)間的2倍左右。

2.6 接地電阻[6]

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

3 置換放散點(diǎn)的選取及置換流程

在置換過(guò)程中,為了保證置換能順利進(jìn)行且全段置換合格,合理地選取放散點(diǎn)是關(guān)鍵之一。放散點(diǎn)應(yīng)選在人員稀疏、通風(fēng)良好、遠(yuǎn)離高壓輸電架空線、地勢(shì)平坦、操作方便的區(qū)域。因此,每次置換作業(yè)前,應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、熟悉地形、掌握置換內(nèi)容,根據(jù)管道類(lèi)型、管徑、管長(zhǎng)等因素選擇最佳的放散點(diǎn)和設(shè)計(jì)合理的置換方案。常見(jiàn)需置換的城鎮(zhèn)天然氣管道包括干線管道(無(wú)支管)、環(huán)狀管網(wǎng)及枝狀管網(wǎng),分別見(jiàn)圖1～3。對(duì)干線管道(無(wú)支管)、環(huán)狀管網(wǎng)及枝狀管網(wǎng)分別進(jìn)行天然氣置換空氣。

圖1 天然氣干線管道(無(wú)支管)

邢小旗等[6]建議,當(dāng)需要置換的天然氣管道管徑較大或長(zhǎng)度較長(zhǎng)(管道長(zhǎng)度大于5 km)時(shí),應(yīng)實(shí)施分段置換。GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(2020年版)規(guī)定,在次高壓、中壓燃?xì)飧晒苌?應(yīng)設(shè)置分段閥門(mén),并應(yīng)在閥門(mén)兩側(cè)設(shè)置放散管。置換時(shí),當(dāng)自然環(huán)境允許時(shí),可利用放散管放散。

① 天然氣干線管道(無(wú)支管)的置換流程

圖1中,點(diǎn)B、C、D均為放散點(diǎn),相應(yīng)位置設(shè)置放散閥,開(kāi)始放散閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。首先打開(kāi)點(diǎn)B放散閥進(jìn)行管段AB置換,在點(diǎn)B使用取樣袋每10 min進(jìn)行1次取樣試燒,火焰長(zhǎng)而黃、呈擴(kuò)散式燃燒即為試燒合格。試燒合格后,使用CH4全量程檢測(cè)儀在點(diǎn)B檢測(cè)甲烷的體積分?jǐn)?shù),連續(xù)檢測(cè)3次,相鄰2次檢測(cè)時(shí)間間隔為5 min,每次檢測(cè)得到的甲烷體積分?jǐn)?shù)大于90%視為置換合格。當(dāng)點(diǎn)B檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)B放散閥的同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)C放散閥進(jìn)行管段BC的置換,重復(fù)管段AB的置換流程。當(dāng)點(diǎn)C檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)C放散閥的同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)D放散閥進(jìn)行管段CD的置換,重復(fù)管段AB的置換流程,點(diǎn)D檢測(cè)合格,證明該干線管道全線置換合格。

② 天然氣環(huán)狀管網(wǎng)的置換流程

環(huán)狀管網(wǎng)放散點(diǎn)的選取應(yīng)有利于天然氣流向各管段,不存在置換死角。圖2中,點(diǎn)B、C、D、E、F均為放散點(diǎn),相應(yīng)位置設(shè)置放散閥,開(kāi)始放散閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。首先同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)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(shí),將天然氣引流至環(huán)路。當(dāng)放散點(diǎn)B、C檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)B、C放散閥的同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)D、E放散閥,進(jìn)行管段BD、CE的置換。當(dāng)放散點(diǎn)D、E檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)D、E放散閥的同時(shí)打開(kāi)點(diǎn)F放散閥進(jìn)行管段DF、EF的置換。點(diǎn)F檢測(cè)合格,證明該環(huán)狀管網(wǎng)全線置換合格。各段的置換流程與天然氣干線管道(無(wú)支管)的置換流程一致。若管段BD、CE過(guò)長(zhǎng),應(yīng)進(jìn)行分段置換。

圖2 天然氣環(huán)狀管網(wǎng)

③ 天然氣枝狀管網(wǎng)的置換流程

枝狀管網(wǎng)放散點(diǎn)的選取應(yīng)有利于天然氣流向各管段,不存在置換死角,宜按管道長(zhǎng)、管徑大優(yōu)先的原則依次進(jìn)行。實(shí)際管網(wǎng)中,枝狀管網(wǎng)形狀各異,支管數(shù)量各異、長(zhǎng)短各異。圖3中,點(diǎn)B、C、D、E、F均為放散點(diǎn),相應(yīng)位置設(shè)置放散閥,開(kāi)始放散閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。管段AF為最不利管道,點(diǎn)B、C所在管段為短支管,點(diǎn)D、E所在管段為長(zhǎng)支管。應(yīng)首先打開(kāi)點(diǎn)F放散閥置換最不利管道。當(dāng)點(diǎn)F檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)F放散閥的同時(shí)分別打開(kāi)點(diǎn)D、E放散閥,依次置換長(zhǎng)支管。當(dāng)點(diǎn)D、E檢測(cè)合格后,關(guān)閉點(diǎn)D、E放散閥的同時(shí)分別打開(kāi)點(diǎn)B、C放散閥,依次置換短支管。點(diǎn)B、C檢測(cè)合格,證明該枝狀管網(wǎng)全線置換合格。各管段的置換流程與天然氣干線管道(無(wú)支管)的置換流程一致。

圖3 天然氣枝狀管網(wǎng)

4 直接置換的安全注意事項(xiàng)

為確保直接置換過(guò)程的安全,除確定合理的置換參數(shù)外,還應(yīng)營(yíng)造安全的置換環(huán)境。在管道施工時(shí)應(yīng)規(guī)范施工,管內(nèi)不殘留較大的雜質(zhì)。直接置換前,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行吹掃、強(qiáng)度試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)等程序,各項(xiàng)均合格后才能進(jìn)入置換過(guò)程。直接置換過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格按操作流程進(jìn)行,操作規(guī)范,保護(hù)措施執(zhí)行到位。直接置換完成后,應(yīng)做好各項(xiàng)收尾工作,將資料整理歸檔。對(duì)城鎮(zhèn)天然氣管道直接置換過(guò)程的安全注意事項(xiàng)總結(jié)如下。

① 在置換的前一天,置換人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘、熟悉地形、掌握置換流程和內(nèi)容,對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,采取適當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施,最大限度降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

② 置換人員必須按規(guī)定穿戴和使用個(gè)人勞動(dòng)防護(hù)用品、用具,應(yīng)穿戴防止靜電產(chǎn)生的衣服和鞋,涉及車(chē)行道作業(yè)必須穿反光背心。

③ 置換人員在出發(fā)前確認(rèn)檢測(cè)儀、放散工器具等能正常使用。

④ 安全監(jiān)護(hù)人員對(duì)置換過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,并對(duì)置換現(xiàn)場(chǎng)的安全措施進(jìn)行監(jiān)督。

⑤ 以各放散點(diǎn)為中心,周?chē)? m范圍內(nèi)設(shè)置警示帶,并在警示帶外設(shè)置安全警示牌或安全警示標(biāo)志。

⑥ 置換時(shí)必須控制壓力在5 kPa以內(nèi),如發(fā)現(xiàn)壓力過(guò)高或壓力變化過(guò)快,立即向指揮員報(bào)告,根據(jù)指揮員指令調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度控制壓力。

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

⑧ 被置換的天然氣管道應(yīng)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。