注氮封存与置换工艺技术在青靖线输气管道应用

马毛东，钟 磊，谢登科

(陕西延长石油(集团)管道运输输气第一分公司，陕西 榆林 718500)

天然气管道投产运行，就是使新建管道内充满天然气并且使其达到管输压力运行三天的过程。具体就是先在管道中注入适合的氮气，把管道内的空气替换出来，再将氮气从管道中使用天然气替换出来，在替换过程中并不是在管道中完全注入氮气，而是在注入首站和某一截断点间注入。天然气推着这段惰性气体前进，而氮气段则推着动空气排出管道，直至管道内充满天然气。从而完成管道投产试运行。

1 置换工作原理

关闭作业段管道两端的线路截断阀，对碰口作业段管道内天然气进行点火排放，当管内压力达到微正压(285～1177 Pa) 范围时，停止放空，将液氮罐车、低温液体泵、汽化器通过高压软管与站场(阀室)预留注

氮阀门连接好，打开阀门注入氮气，在另一站场(阀室)打开放空阀排放，并在压力表接口处和碰口点打孔用可燃气体分析仪持续检测管内天然气含量，当浓度小于爆炸下限的25%时认为置换合格，才能动火。

2 注氮方式及置换要求

2.1 置换方式选择

天然气管道投产置换采取“气推气”置换方式。根据管道工程的实际情况，需要选择一处注氮点，置换天然气时把空气和天然气分隔开。

站场工艺流程的置换采用同步置换方式，管道置换完毕后开始进行站内管道设备置换，按照工艺流程的主次分路置换，选择工艺流程的末端进行放空。

2.2 推进速度控制

在置换过程中，使用下列公式确定是否出现分层：

其中：g—重力加速度，9.81 m/s2；

D—管道内径，m；

ρa、 ρb—分别为两种气体的密度，kg/m3；

υ—平均速度，m/s；

根据经验，取R#=1时置换速度为：

天然气—氮气： υ≥1.96 m/s (7.06 km/h)，

氮气—空气： υ≥0.447 m/s (1.6 km/h)。

依据相关条款要求，天然气置换时的推进速度约为5～6 m/s。氮气置换速度控制要求:0.6～1 m/s。

3 注氮置换在青靖线的应用

考虑到本工程线路较短，因此全线选用通径较为合理，有利于施工，而且便于投产后的运营管理。本次初步设计采用对试运行管道采用注氮封存及置换工艺技术，根据管道投产氮气置换的注氮设施、注氮位置、注氮量、注氮温度、注氮速度及氮气封存范围等技术参数[1]，以及预定的推进速度，确定不同置换长度时的注入点压力，达到适时调节与优化控制等方面研究[2]，以达到安全置换的目的。

为了满足氮气置换过程中，氮气头在管线中流动速度在0.6～1.0 m/s(相对应流量计算在附件)，注氮设备应满足以下要求：氮气纯度大于98%；注氮设备出口温度最低5 ℃；注氮设备氮气出口压力在0.1～0.5 MPa之间；注氮设备上应安装流量控制和检测设备；设备注氮量最低每小时1000 Nm3。氮气分段及注入量计划见表1。

表1 氮气分段及注入量计划表

实际应用时按1 t液氮可转化为700 Nm3计算，则本工程共需要液态氮约15 t。

根据青靖线实际工况，选择注氮设备为注氮能力不低于1000 Nm3/h，制氮浓度>98%，出口压力0.8～1.0 MPa，出口温度45 ℃。

图1 氮气天然气置换示意图

天然气推进速度以18 km/h计算，从青阳岔首站及进天然气，进气量为每天1×104Nm3。本工程干线全长34.4 km，投产从青阳岔首站至榆林能化末站干线34.4 km，预计氮气头到达所需的时间是0.42 h，天然气头到达末站所需时间为3 h；氮气-空气混气段到达各站场阀室的预测时间见表2。

表2 氮气-空气混气段到达各站场阀室的预测时间表

东湾阀室注氮置换量为10500 m3，平均压力为0 .05 MPa，管容为174.42 m3/km，则计算氮气柱长度为：

10500/(174.42×1.5)=40.1 km

4 结论

本文综合青靖线管道试运行投产实际工况，确定合理的天然气管道投产工艺注氮量、注氮温度、注氮速度、注氮点、置换速度、等关键投产技参数，合理控制天然气推进速度，以确保安全平稳地进行试供气作业。