城镇天然气管道直接置换探讨

韩 双

(贵州燃气热力设计有限责任公司,贵州 贵阳 550001)

1 概述

天然气管道在新建投产或检修时需要进行管内气体置换,常用方法有间接置换和直接置换。间接置换是采用惰性气体或水置换燃气设施中的空气或燃气后,再用燃气或空气置换燃气设施中的惰性气体或水的过程,具有安全性好但操作复杂、置换时间长、成本高的特点[1]。直接置换是采用燃气置换燃气设施中的空气或采用空气置换燃气设施中的燃气的过程,具有操作过程简单、置换时间短、成本低但安全性较差的特点[1]。随着置换技术的提升及操作流程越来越规范,城镇次高压、中压燃气管道越来越多采用直接置换法。贵阳市城镇天然气管道置换以直接置换法为主,间接置换法为辅。

天然气管道直接置换过程中,管内一定存在空气与天然气混合气,易发生燃烧甚至爆炸,造成严重社会影响和经济损失。因此,天然气置换的安全问题是置换过程中的重中之重,合理的置换参数及规范操作是置换安全的保障。

2 直接置换参数的确定

2.1 置换合格标准

当采用直接置换法时,应在置换管段末端连续3次检测天然气的体积分数,相邻2次检测时间间隔不应少于5 min,每次检测的测定值符合下列要求即可判断为置换合格[2]:采用天然气置换空气时,天然气体积分数测定值应大于90%;采用空气置换天然气时,天然气体积分数测定值不应大于其爆炸下限的20%。

2.2 置换压力

虽然相关规范对天然气直接置换的压力无要求,但实践经验证明压力控制在5 kPa以内能确保直接置换的安全性。北京市燃气集团有限责任公司在天然气管道直接置换时将置换压力设置在5 kPa以内[3]。目前,贵州燃气集团股份有限公司在天然气管道直接置换过程中也是将置换压力设置在5 kPa以内,并且要求压力变化不宜过快。

2.3 置换流速

在置换过程中,气体与管壁和管道内杂质、管道内杂质与管壁之间均会发生摩擦,产生静电,随着置换进行,静电累积,当达到可燃混合气体的最小点火能时,极有可能导致事故发生,因此需要保证一定的置换流速。管道内气体安全流速的计算式为[4]:

(1)

式中v--管道内气体安全流速,m/s

D--管道的公称直径,m

根据式(1),得到安全流量计算式为:

q=2 260.8D-0.5d2

(2)

式中q--管道内气体安全流量,m3/h

d--管道的内直径,m

置换流速应控制在管道内气体安全流速附近。

2.4 分层现象

在天然气直接置换过程中,因空气与天然气的密度不同,在层流状态下,空气在管道内下部流动,天然气在管道内上部流动,出现两种气体分层流动的现象,称为分层现象。分层现象易导致置换合格的假象,使置换后的管道内还残存爆炸性混合气体,从而导致事故发生。控制置换时不发生分层,可以通过控制理查德系数来实现,理查德系数计算式为[5]:

(3)

式中R--理查德系数

g--重力加速度,m/s2

ρa、ρb--较重、较轻气体的密度,kg/m3

v1--管道内气体平均流速,m/s

理查德系数随着管道内气体平均流速增大而降低,理查德系数越小越不容易出现分层现象,理查德系数在1～5范围时直接置换不出现分层现象[5]。

另外,也可以控制雷诺数来避免出现分层现象,当雷诺数小于等于2 300时属于层流运动,当雷诺数大于2 300时属于湍流运动。在直接置换过程中,需要提高管道内气体的流速,使雷诺数大于2 300,从而避免分层现象。

2.5 置换时间

置换过程所需的理论时间计算式为[6]:

(4)

式中t--置换过程所需的理论时间,h

d1--放散管的内直径,m

L--置换天然气管道的长度,m

v2--置换时放散管的气体流速,m/s

实际置换过程所需的时间一般为理论时间的2倍左右。

2.6 接地电阻[6]

在直接置换的过程中,一方面需要减少摩擦而减少静电荷的产生,另一方面需要保证静电荷流畅地导入大地,因此,置换天然气管道应有良好的接地,且接地电阻不大于100 Ω。

3 置换放散点的选取及置换流程

在置换过程中,为了保证置换能顺利进行且全段置换合格,合理地选取放散点是关键之一。放散点应选在人员稀疏、通风良好、远离高压输电架空线、地势平坦、操作方便的区域。因此,每次置换作业前,应现场踏勘、熟悉地形、掌握置换内容,根据管道类型、管径、管长等因素选择最佳的放散点和设计合理的置换方案。常见需置换的城镇天然气管道包括干线管道(无支管)、环状管网及枝状管网,分别见图1～3。对干线管道(无支管)、环状管网及枝状管网分别进行天然气置换空气。

图1 天然气干线管道(无支管)

邢小旗等[6]建议,当需要置换的天然气管道管径较大或长度较长(管道长度大于5 km)时,应实施分段置换。GB 50028-2006《城镇燃气设计规范》(2020年版)规定,在次高压、中压燃气干管上,应设置分段阀门,并应在阀门两侧设置放散管。置换时,当自然环境允许时,可利用放散管放散。

① 天然气干线管道(无支管)的置换流程

图1中,点B、C、D均为放散点,相应位置设置放散阀,开始放散阀均处于关闭状态。首先打开点B放散阀进行管段AB置换,在点B使用取样袋每10 min进行1次取样试烧,火焰长而黄、呈扩散式燃烧即为试烧合格。试烧合格后,使用CH4全量程检测仪在点B检测甲烷的体积分数,连续检测3次,相邻2次检测时间间隔为5 min,每次检测得到的甲烷体积分数大于90%视为置换合格。当点B检测合格后,关闭点B放散阀的同时打开点C放散阀进行管段BC的置换,重复管段AB的置换流程。当点C检测合格后,关闭点C放散阀的同时打开点D放散阀进行管段CD的置换,重复管段AB的置换流程,点D检测合格,证明该干线管道全线置换合格。

② 天然气环状管网的置换流程

环状管网放散点的选取应有利于天然气流向各管段,不存在置换死角。图2中,点B、C、D、E、F均为放散点,相应位置设置放散阀,开始放散阀均处于关闭状态。首先同时打开点B、C放散阀,置换管段AB、AC,目的是为了置换管段AB、AC的同时,将天然气引流至环路。当放散点B、C检测合格后,关闭点B、C放散阀的同时打开点D、E放散阀,进行管段BD、CE的置换。当放散点D、E检测合格后,关闭点D、E放散阀的同时打开点F放散阀进行管段DF、EF的置换。点F检测合格,证明该环状管网全线置换合格。各段的置换流程与天然气干线管道(无支管)的置换流程一致。若管段BD、CE过长,应进行分段置换。

图2 天然气环状管网

③ 天然气枝状管网的置换流程

枝状管网放散点的选取应有利于天然气流向各管段,不存在置换死角,宜按管道长、管径大优先的原则依次进行。实际管网中,枝状管网形状各异,支管数量各异、长短各异。图3中,点B、C、D、E、F均为放散点,相应位置设置放散阀,开始放散阀均处于关闭状态。管段AF为最不利管道,点B、C所在管段为短支管,点D、E所在管段为长支管。应首先打开点F放散阀置换最不利管道。当点F检测合格后,关闭点F放散阀的同时分别打开点D、E放散阀,依次置换长支管。当点D、E检测合格后,关闭点D、E放散阀的同时分别打开点B、C放散阀,依次置换短支管。点B、C检测合格,证明该枝状管网全线置换合格。各管段的置换流程与天然气干线管道(无支管)的置换流程一致。

图3 天然气枝状管网

4 直接置换的安全注意事项

为确保直接置换过程的安全,除确定合理的置换参数外,还应营造安全的置换环境。在管道施工时应规范施工,管内不残留较大的杂质。直接置换前,应严格执行吹扫、强度试验、严密性试验等程序,各项均合格后才能进入置换过程。直接置换过程中,应严格按操作流程进行,操作规范,保护措施执行到位。直接置换完成后,应做好各项收尾工作,将资料整理归档。对城镇天然气管道直接置换过程的安全注意事项总结如下。

① 在置换的前一天,置换人员进行现场踏勘、熟悉地形、掌握置换流程和内容,对作业现场进行风险评估,采取适当风险控制措施,最大限度降低作业风险。

② 置换人员必须按规定穿戴和使用个人劳动防护用品、用具,应穿戴防止静电产生的衣服和鞋,涉及车行道作业必须穿反光背心。

③ 置换人员在出发前确认检测仪、放散工器具等能正常使用。

④ 安全监护人员对置换过程进行实时监控,并对置换现场的安全措施进行监督。

⑤ 以各放散点为中心,周围5 m范围内设置警示带,并在警示带外设置安全警示牌或安全警示标志。

⑥ 置换时必须控制压力在5 kPa以内,如发现压力过高或压力变化过快,立即向指挥员报告,根据指挥员指令调整阀门开度控制压力。

⑦ 放散点安全范围内,禁止烟火,不得拨打手机;放散点不得选在通风不良的地方,不得选在有密闭空间的地方;各放散点必须配置有效的灭火器。

⑧ 被置换的天然气管道应有效接地,且接地电阻不大于100 Ω;放散管必须连接牢固并搭接地线。