燃气管道置换关键参数控制及计量装置设计

张玉星， 马旭卿， 何 毅

(北京市燃气集团研究院，北京100011)

1 概述

控制置换工程的关键是严格把控置换的工艺参数。目前对各种参数在置换过程中的变化及影响规律研究较少，对置换气体推动速度也无法精确掌握[1]。本文结合国内外文献对置换速度的要求，设计并加工了适用于次高压及以下压力级制的燃气管道置换工程的移动计量装置。

2 城镇燃气管道置换关键参数控制

2.1 置换工程安全控制要素

静电防护是安全置换的关键，随着燃气在管道中流动加快，管道内的杂物会随着气流与管道碰撞，导致静电积聚，一旦达到燃气最小着火能量，极有可能导致事故[2]。在燃气管道置换过程中，通过控制流速或流量的方法可以避免静电的产生。

国内外关于置换安全控制相关文献表明，基于国外相关实验得到管道内气体安全流速的公式为[3]：

(1)

式中v——管道内气体的平均流速,m/s

D——管道的公称直径,m

2.2 置换高效化参数控制

在实际工程中，通过保持一定的天然气推进速度，从而避免天然气处于管道上层、空气或惰性气体处于管道下层而形成分层；同时通过达到一定的推进速度，可以大大缩短置换时间，使得置换工程更加高效。2007年某新建燃气管道采用直接置换法置换时，由于未保证管内燃气流速，发生燃气与空气明显分层，致使运行人员检测到管道燃气浓度合格即误认为置换完成，点火时回火发生爆炸[4]。

① 方法1

控制两种气体不发生分层，可以通过计算理查德系数来实现，该方法表达式为[1]：

(2)

式中R——理查德系数

g——重力加速度,m/s2

d——管道内直径,m

ρa、ρb——分别为两种气体密度,ρa>ρb,kg/m3

理查德系数R在1～5范围对应的混气量是允许的，理查德系数随着气体平均速度的增大而降低，即产生分层的概率较低[1]。

② 方法2

雷诺数是判别流动特性的依据。在管流中，雷诺数小于等于2 300的流动是层流，雷诺数大于2 300时属于湍流[5-6]，其表达式为：

(3)

式中Re——雷诺数

ρmix——两种气体介质密度的算术平均值,kg/m3

μmix——两种气体介质动力黏度的算术平均值,Pa·s

通过公式(3)计算可得气体在管道中流动状态，如果处于层流，此时两种气体介质干扰及混合程度较小，则需要提高平均流动速度，使雷诺数大于2 300，从而避免两种气体分层。同时可以得出管道内气体平均流动速度v的最小值，用于指导置换过程中气体的推进速度[7-8]。

3 置换现状、置换计量装置设计及试验

3.1 北京燃气置换现状

北京市燃气集团有限责任公司(以下简称北京燃气)涉及置换工程中的管道长度普遍较短，目前针对次高压及以下的燃气管道，采取天然气推动空气的直接置换法；对于高压管道采取氮气推动空气，随后天然气推动氮气的间接置换法。北京燃气结合置换工程中的安全因素以及作业效率的考虑，通过控制置换压力为5 kPa以内，从而在使得置换流速处于安全范围的前提下保证作业效率。目前置换工程的连接方式多为在阀门井的两个放散阀处(接口一般为DN 50、80、100 mm国标法兰)使用不锈钢软管连接。

3.2 置换计量装置设计及试验

由于新建次高压及以下管道置换工程采用天然气直接置换，会有天然气与空气的混合物排入大气中，但天然气放散量统计通过理论计算难以实现。在北京燃气精细化管理及降低供销差的背景下，结合北京燃气置换工程现状，我们设计了一套适用于次高压及以下燃气管道置换工程使用的移动计量橇。该计量装置安装在置换工程的燃气进气端，用于计量管道置换的燃气用量。移动计量橇基于小型化、可移动以及满足置换工程要求的原则，流量计挑选无需前后直管段且无阻流件的超声波流量计。计量橇设计为两路，其中一路为计量路，置换时启用；另一路为旁通路，当计量路发生故障时、或置换合格后升压时启用。

采用上述计量装置在北京燃气某处置换工程现场进行试验。采用直接置换法，用天然气直接置换管道内的空气。置换压力控制为5 kPa，待置换管道长度为3 988 m，管道规格为DN 500 mm。试验中，置换压力、燃气温度、标况燃气流量为燃气通过计量橇中流量计所显示数据。由于压力较低，因此，工况置换速度近似等于标况燃气流量除以待置换管道流通截面积。置换用燃气标况体积是指置换开始到置换结束的燃气用量。燃气放散标况体积是通过置换用燃气标况体积减去管存燃气标况体积求得，由于置换合格后压力较低，因此，管存燃气标况体积近似等于管道容积。现场试验数据记录见表1。

表1 现场试验数据记录

通过现场试验采集相关参数并计算得出，工况置换速度为0.72～0.97 m/s，满足公式(1)计算得出的管道内气体流动平均流速不大于1.13 m/s的要求。

由于天然气中甲烷体积分数大于90%，因此，在计算雷诺数时用甲烷物理参数替代天然气物理参数。由于置换压力为4.2～5.0 kPa(绝对压力为105.525～106.325 kPa)，燃气温度为17.6～18.3 ℃，且根据密度、动力黏度相关公式得出密度、动力黏度在置换工况下和标况(101.325 kPa、25 ℃)下相差较小，为了简化计算，计算雷诺数时密度、动力黏度采用标况下的数据进行计算。经查文献[9]，在101.325 kPa、25 ℃的条件下，空气及甲烷的密度分别为1.169 kg/m3及0.648 kg/m3，空气及甲烷的动力黏度分别为18.448×10-6Pa·s及11.067×10-6Pa·s。计算得标况下两种气体介质的密度算术平均值为0.908 5 kg/m3，两种气体介质的动力黏度算术平均值为14.757 5×10-6Pa·s。同时已知管道的内直径为0.5 m，管道内气体平均流速(即工况置换速度)为0.72～0.97 m/s。将以上已知数据代入公式(3)，计算得雷诺数为22 162～29 858。由计算结果可知雷诺数大于2 300，属于湍流状态，不存在天然气与空气分层现象。

是否可以在保证安全的情况下，通过适当加大置换速度进而提高置换效率及减少燃气放散量，还需要积累更多现场试验数据。该试验还得出该置换工况下，燃气放散量与管道容积之比近似为1。通过多次试验数据积累，可以进一步完善燃气放散量与管道容积的换算系数，便于置换工程放散量统计；且对置换过程中及置换结束后各类参数收集分析，获取不同参数对置换工程的影响规律。移动计量橇的使用不仅为供销差统计提供数据支撑，也为燃气企业逐步精细化管理奠定基础。