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天然气管道安全置换方法的探讨

作者:陈莉 寇振夺  
评论: 更新日期:2012年03月16日
表1 不同管径对应的最小置换流速、流量[2]

 

公称管径/mm
最小置换流速/(m·s-1)
最小流量/(m3·h-1)
0~150
0.6
0.7
151~200
0.7
1.4
201~250
0.8
2.4
251~300
0.9
3.9
301~450
1.0
9.6
451~600
1.2
20.4
601~900
1.5
60.0
901~1200
1.7
120.0
   ② 控制流速或流量,减少静电积累
   静电防护是安全置换的要素,燃气在管道中的流速越快,静电的积累就越大;管道的管径越大,静电的积累也越大。采用控制流速或流量的方法可以实现减少静电积累的目的[3]
根据国外实验得出以下管道燃气安全流速公式[3]
 
式中v——管道内气体的平均流速,m/s
    d——管道的公称管径,m
   再结合以下流量计算公式:
    q=3600Av    (2)
式中q——置换气体的安全流量,m3/h
    A——管道截面积,m2
   可得出安全流量计算式为:
    g=720πd1.5    (3)
   假如输送管道管径为200mm,按照上述公式计算其安全流量约为200m3/h。为了尽可能减少静电带来的危险,我们在管网的置换操作中,采用严格控制管网压力,降低流速、流量的办法,尽可能地减少静电的积累。《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》CJJ 51—2006要求进行燃气直接置换时,将压力控制在5kPa以内,实际上也是出于控制流速从而达到减少静电影响的考虑。
1.3 直接置换
直接置换操作过程以直接将天然气缓慢通入管道替换空气为例,过程中必须监控置换情况和出口的天然气体积分数或氧气体积分数。从检测管的采样口取样,用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析,如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上或取样中的氧气体积分数在2%以下即为合格[1](在英国的置换要求中,此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上或取样中的氧气体积分数在4%以下即为合格[2]),可以确定已达到预定的置换标准,置换工作完成。
天然气直接置换方法的特点是比较简便也比较经济,但是具有一定的危险性。因为在置换过程中,管道里必然要产生天然气与空气的混合气体,天然气的前部气体与空气混合后,有一部分的混合气在爆炸极限内,很容易在某外界因素的诱发下(如管道内焊渣、金属颗粒滚动等)产生爆炸,因此操作有严格的控制条件和要求,必须严格按规程实施,否则非常可能发生事故。对于天然气来讲,它的爆炸极限为5%~15%,再考虑到其混合的不均匀性,天然气体积分数在45%以下均应视为危险区(见图3,图中数据均为体积分数),遇火源就要发生爆炸。为此必须严格控制,采取各种安全措施,确保无火源。
    由于天然气管道是封闭的,管道建成后经历了吹扫、强度试验、严密性试验等工序,管道内没有活动部件,不可能因运动、撞击产生火花。可能出现的火源有以下两种:一是高速气流会因摩擦产生静电,所以置换时要对管道系统进行接地(见图4[4]),即便有静电负荷产生,也会立即通过接地装置导入大地,不会有电荷积聚导致高电位而产生放电火花。二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物质,与管道内壁碰撞产生火花。引起此类事故的根本原因是高速气流,解决的关键是确保气流的低速,这样即便有石块等杂物,也不会被吹动,也就不可能产生火花。此外,为了避免将杂物带进管道,应事先在进气管道上设置过滤器。根据英国相关资料及国内应用经验,我们将置换管道用天然气的气流速度控制在最小置换流速以上,一般最大流速控制在3m/s以下。在置换过程中采用流速计或U型压力表观察管道升压速度的办法来测量其充气流速,用阀门的开度来控制流速(混气过程中控制阀前的压力要保持稳定)。
 
1.4 间接置换
    以天然气置换空气为例,用惰性气体先置换管道里的空气,再用天然气置换管道里的惰性气体,即把惰性气体作为置换的中间介质,这里所说的惰性气体是指既不可燃又不助燃的无毒气体,如氮气、二氧化碳等。
    间接置换方法具体操作过程是先将惰性气体注入管道,在管道末端放散,使用惰性气体置换出空气,直至放散管取样口惰性气体的体积分数达到预定的置换标准为止。在实际操作过程中一般用氧气体积分数来衡量,如果连续2次取样中的氧气体积分数达到2%以下即为合格[1](在英国的置换要求中,此数据为连续2次测得取样中的氧气体积分数达到4%以下即为合格[2]),停止通入惰性气体。然后再将天然气通入管道,同样操作,在检测管的取样口取样,用高精度燃气检测仪进行实时的监测分析,如果连续2次测得天然气体积分数达到95%以上即为合格[1](在英国的置换要求中,此数据为连续2次测得天然气体积分数达到90%以上即为合格[2]),置换完成。此法操作复杂、繁琐,进行2次换气,不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气,费用较高,并且换气时间长,工作量大。但是,它可以确保进入管道内的燃气不会与管道内空气接触,不会形成具有爆炸性的混合气体。因此,此法可靠性好,安全系数高,成功率也高。主干管网天然气间接置换见图5[4]
 

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