输气管道置换技术探讨

【摘要】为了确保天然气管道试运投产过程中的安全，采用置换的方式对天然气管道进行试运投产，即先将惰性气体注入管线，用惰性气体作为天然气与空气间的隔离介质，投产时天然气推动惰性气体、惰性气体推动空气进行管道线路及站场、阀室置换，从而使天然气管道、站场达到顺利投产条件。

【关键词】输气管道 惰性气体 置换投产

【Abstract】In order to ensure that the natural gas pipeline commissioning process safety， by way of replacement of natural gas pipeline commissioning， the inert gas injection pipeline， using inert gas as the isolation medium of natural gas and air， inert gas， natural gas to promote the production of inert gas to promote air pipe line and station field， valve chamber replacement， so that achieve the smooth operation conditions of natural gas pipeline station。

【Key words】Gas transmission pipeline，Inert gas；Replacement commissioning

1. 置换方式

（1）空气-天然气混合物是一种高度易燃易爆的危险品，因此减少在燃烧极限、爆炸极限之内的空气-天然气混合物数量极为重要，通常在天然气管道投产前为了清除管线中的空气或空气-天然气混合物需要进行置换，置换方式一般分为两种类型：采用天然气置换空气；采用惰性气体置换空气，天然气置换惰性气体。

（2）采用天然气直接置换空气存在一定的安全风险，因此在近年来的大中型项目上使用比较少，通常先采用惰性气体置换空气，然后再用天然气置换惰性气体。

2. 置换介质及设备选择

（1）惰性气体的选择应从制备气体的可实施性、经济性上考虑，目前国内普遍选用的惰性气体是氮气，可选用的设备主要是制氮车或液氮罐车（1t液氮转化为1个标准大气压、5℃状态下的氮气体积约为800m3）。

（2）制氮车有车载氮气生产设备，在现场直接将生产的氮气注入管道，排量较大，但制取的氮气纯度与排量成反比关系；液氮罐车通过对液氮加热使其汽化后注入管道，制取的氮气纯度高且出口压力高，可以以氮气为介质试压，但制气量受罐车储量的限制。

3. 质量要求及用量计算

3.1氮气质量的要求。向管道内注氮气的温度必须高于5℃；注到管道内氮气的含氧量要低于2%。

3.2氮气用量的计算。

3.2.1管道内气体平均压力的计算：

Pm= 21 3 P1+ P221 P1+P2 （1）

式中： Pm——管道内气体平均压力（绝），MPa；

P1——管道计算段内起点气体压力（绝），MPa；

P2——管道计算段内终点气体压力（绝），MPa；

3.2.2管道内气体平均温度计算：

T=t0+ t1-t01 aL （1-e-al） ，a= KπD1 GCp （2）

式中： t——管道计算段内气体平均温度，℃； t0——管道铺设处的土壤温度，℃；

t1——管道计算段内起点气体温度，℃； a——计算常数；

L——管道计算段的实际长度，m； D——管道外直径，m；

K——管道内气体到土壤的总传热系数， W/m2·°C；

G——气体质量流量， Kg/s；

CP——气体定压比热， J/（Kg·°C） ；

e =2.718； π =3.1416。

3.2.3管道储气量计算

Q储 =VT01 P0T （P1m-P2m） （3）

式中： Q储 ——管道的储气量， ； V ——管道容积， ；

T——气体的平均温度，K； P1m——管道计算段内气体的最高平均压力，MPa；

P2m——管道计算段内气体的最低平均压力，MPa；

P0=0.101325MPa； T0=293.15K。

根据国内的施工经验，天然气长输管道投产前需对前段约20Km的管道进行氮气置换。

4. 氮气置换步骤

（1）注氮口一般选择在首站，氮气顺气流方向进行置换。

（2）根据氮气的流速，计算出氮气-空气混气段气头到达阀室的预计时间，方便操作人员按時在阀室进行气体检测等操作。

（3）将注氮设备连接至首站管道，注氮过程中，在下游阀室或末站进行引气放空。首站先置换主管道，当在出站的管道上检测到纯氮气后，分别对放空和排污管线进行置换，方法是将DN50以上阀门打开30%后立即关闭、DN50及以下阀门全开然后关闭。（4）根据测算混气头到达阀室的时间。提前在阀室用0～25%便携式含氧量分析仪在管道上压力变送器或压力表的取样口检测混合段气体的含氧量，当检测到氧气含量从21%开始下降时，说明氮气-空气混气头已到检测点，当氧气含量降至2%时既可认为管道内是纯氮气，然后停止放空直至管道压力升至0.04MPa时氮气置换工作完成。

5. 天然气置换投产

（1）根据上游供气能力、管径及天然气流速，测算出每小时的供气量，投产时控制天然气流量，保证管道内天然气流速不大于5m/s；根据天然气的流速，计算出氮气-空气混气头和天然气-氮气混气段气头到达各阀室及末站的预计时间，方便操作人员按时在站场、阀室进行气体检测等操作。

（2）天然气置换投产采用气推气的置换方式，即天然气推动氮气、氮气推动空气的置换方式，先置换主管线，再置换阀室、站场放空和排污等管线。投产期间用上游供气阀门调节天然气流量，天然气推动提前注入的氮气段开始进行管道、阀室和站场的置换，全线置换期间，分别在下游阀室或站场进行引气放空，根据沿线阀室、站场各检测点的检测情况及时进行沿线阀室、站场放空和排污等管线的氮气-天然气置换。

6. 天然气置换检验

根据测算的混气头抵达各阀室或站场的时间，先用便携式含氧量分析仪在主管道上检测氮气含量，当检测到纯氮气时，立即对放空、排污管线进行氮气置换。然后再采用便携式可燃气体检测仪对氮气-天然气混气段进行检测，当混气段通过检测地点时，天然气含量会从0逐渐上升，当上升至高于99%时即可视为管道内已为纯天然气，接着对放空、排污等管线进行天然气置换，直到全线阀室、站场主管线、放空及排污等管线各检测点都检测到纯天然气为止，待全线平均压力升至约0.2MPa时，天然气置换工作全部结束。

7. 升压及试运行

当天然气置换完成后，开始全线升压，当全线平均压力升至1.0MPa时，首站停止进气24h，进行全线稳压检漏，经检查无异常后再继续升压至工作压力，开始72h试运行，试运行正常后，置换投产工作全部结束。

8. 應用实例

（1）怀仁-原平输气管道工程一期（神池-阳方口-原平段）管道全长约84.7Km，管径分别为DN350和DN450，沿线设有神池首站l座、阳方口分输站1座、原平末站l座和线路截断阀室3座，因沿线地形起伏、高差变化较大，采用管道内加清管球隔离气推气的置换方式。制氮设备选择的移动式制氮车，生产能力约450m3/h左右。根据置换方案首先对神池首站及神池首站至首个阀室（7#阀室）的约22Km管道进行氮气置换，根据管道储气量公式计算出氮气用量，置换完成后压力达到0.04MPa，共需用氮气量约为7250m3。此段管道于2011年12月8日12时开始氮气置换，于2011年l2月22日投产，投产期间混气段到达各阀室及末站实际时间和计划时间基本吻合。

（2）因置换期间压力、流速都比较低，再加上地形起伏较大等因素影响会导致各阶段的混气量都比较大，从环保和节能方面考虑，建议在空气-氮气、氮气-天然气的分界面加清管球或清管器隔离。

参考文献

[1]《天然气管道试运投产规范》，中国石油天然气股份有限公司管道分公司.

[2]《输气管道工程设计》， 《石油和化工工程设计工作手册》编委会.

[文章编号]1619-2737（2017）06-19-485

[作者简介] 张小强（1985.06-），男，学历：大学本科，职称：工程师，工作单位：中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，现主要从事油气长输、集输管道的设计和施工。