西宁中油燃气有限责任公司 810000
摘要：参考国内燃气公司成熟经验，对城市天然气管道置换技术进行分析，对城镇管网管道系统置换控制参数及控制方法进行探讨。
关键词：天然气管道；置换技术；过程控制
1天然气置换方法
为确保天然气管道、设施在投产环节的安全，一般在长输管道、天然气厂站和新建管网的投产中都选用惰性气体进行管道、设备的整体置换。但在城市管网维修后和用户低压管道的投产过程中，由于管网结构的多样化、惰性气体置换操作复杂且成本高等原因，一般采用天然气直接置换。本文结合燃气行业标准和国内实际情况，详细探讨城市天然气管网的置换及置换控制方法。
1.1置换准备
天然气置换是一项具有高度风险的操作，在置换过程中若控制不当，就极可能发生恶性事故，造成严重的人员伤亡和财产损失。结合国内燃气行业在天然气置换中普遍采取的安全措施和要求，置换前必须进行以下准备工作：
（1）新建管道的置换应在强度试验、严密性试验、吹扫清管、干燥合格后进行。
（2）间接置换应采用氮气或其他无腐蚀、无毒的惰性气体为置换介质。
（3）置换前必须要制定详细的置换方案，并对方案进行评估。
（4）参与置换的人员穿戴防止静电的服装和装备，现场准备防爆工具。
（5）准备足够数量的呼吸器、准备灭火器并置于适当的位置。
（6）现场必须设置安全警戒范围，并设置“禁止火源”、“禁止吸烟”等安全警示标牌。
（7）置换进气端处必须安装压力表、温度计，条件允许时尽量将进气端设置于流量计前端。
（8）放散点选择较为空旷的场所，放散管口应高出地面2.5m以上，同样设置警戒隔离区。
（9）置换前进行管道接地，并测试接地电阻不大于10欧姆。
（10）置换管道末端应设置取样检测口，并配备气体含量检测仪器，当置换末端气体含氧量不大于2%或可燃气体浓度大于90%时即可认为置换合格。
1.2置换方法
国内城市燃气采用的置换方法一般为：间接置换和直接置换。直接置换：将天然气(或空气)直接通入管道中，天然气（或空气）与待投产管道中的空气(或天然气)直接接触，直至天然气（空气）完全替换空气（天然气），这种方法称为直接置换。间接置换：将惰性气体通入管道内，直至管道内的空气(或天然气)完全被替换，然后再将天然气(或空气)通入管道直至惰性气体完全被替换，这种用惰性气体作为中间介质置换的方法称为间接置换。
1.3置换流速的选择
在置换过程中，将天然气（氮气）缓慢注入到管道的过程中，由于置换用气体和管内气体密度的不同，在流速较小时，在管道内置换气体和被置换气体易形成分层现象，必须保持一定的置换流速才能杜绝置换中的分层现象。同时置换中因气体在管内流动产生静电的控制也是非常关键的。有关研究表明气体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。我们将管道置换中气体流速和置换压力进行一定的控制，基本可以解决置换中管道分层和静电积累过大问题。
1.4间接置换
以天然气置换空气为例，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，国内天然气管道置换的惰性气体一般选择氮气。在实际置换操作中一般用管道内氧气体积分数来衡量置换的进程，如果连续3次取样中（间隔时间5min）的氧气体积分数达到2%以下即为合格。然后同样操作，将天然气通入管道，在检测管的取样口取样，用燃气检测仪进行实时的监测分析，如果连续3次（间隔时间5min）测得天然气体积分数达到90%以上即为合格，整个置换完成。
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天然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，间接置换法可靠性好，安全系数高，成功率也高。
1.5直接置换
直接置换操作一般是直接将天然气缓慢通入管道，替换管道内的空气，过程中必须监控置换流速和出口的天然气百分含量或氧气百分含量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆从检测管的采样口燃气检测仪进行实时的监测分析，如果连续3次测得天然气百分浓度达到95%以上或取样中的氧气体积百分浓度在2%以下即为合格，可以确定达到置换标准，置换工作完成。
天然气直接置换的特点是操作简便、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，置换气流的前端有一部分的混合气处于爆炸范围内，很容易在管道内不良因素的诱发下(如管道内焊渣、金属颗粒滚动摩擦、管道静电等)产生爆炸，因此在操作中必须要严格的按规程实施，控制好置换的流速和管道内压力。
2置换过程的安全控制
天然气管道在置换过程中是封闭的，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，即便有静电产生也会立即通过接地导入大地，不会有电荷积聚导致高电位而产生放电火花。二是高速气流带动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊渣等固体物质，与管道内壁碰撞产生火花。引起此类事故的根本原因是气体流速过高，因而保证置换过程安全的关键是将置换的气体流速控制在安全范围，这样即便管道内有石块等杂物，也不会被吹动进而产生火花。根据国外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3m/s以下，同时将置换过程中管道内压力控制在50kPa以下，在置换过程中采用流量计或U型压力表观察管道升压速度的办法来测量置换流速，用置换阀门的开度来控制流速和管道内压力。
2.1间接置换中置换流速的控制
在间接置换的氮气置换过程中，一般选择液氮气化后进行管道内空气的置换，置换流速按照不超过3m/s，可根据所置换管道的管径，选定合适气化流量的气化器来实现置换流速的控制。气化器最大流量的选择按照下式计算：
Q=ν×1/4πD2
Q=0.00848D2 （1）
Q——置换所需最大流量，单位m3/h
D——待置换管道直径（mm）
如：要置换管径为DN200的管道，液氮置换的最大流量为339m3/h，可选择300～400m3/h气化量的气化器进行液氮气化后置换。
2.2天然气直接置换中流速的控制
天然气直接置换过程中，置换流速的控制可依托既有管道上的计量设备参照公式（1）进行计算后，按照流量上限进行管道内置换流速的控制。
但在城市管网检修后的置换过程中，往往没有可参照的计量设备来控制流速，此时应通过观测被置换管道升压速度的方法来换算置换流速。在置换过程中我们认为管道内气体的温度并无较大的变化，因而将温度的影响不予考虑，被置换管道气体流速的控制可按照管道升压速率进行推算如下：
P0?V0=P1?V1
即，P0?（V0+νt）= (P0+?P)?V0
以管道内流速不超过3m/s计算，每分钟被置换管道的升压速度为：
?P=180P0/L （2）
△P——升压速度，单位Mpa/min
P0——当前时刻的压力值，单位Mpa
L——管道长度，单位m
间接置换中天然气置换惰性气体过程的置换流速控制可参照以上公式（2）进行估算控制。
3结束语
天然气管道置换过程中置换流速的控制尤为重要，置换过程中可根据以上方法进行管道内气体流速的估算。同时在实际置换中，当置换气流注入的同时，被置换管道内的气体有一部分将通过放散排出，因而，以上通过式（2）推算的结果不能直接应用到置换流速的控制中，可采用置换初期,暂停放散来观测管道内压力升高速度的方法来推测、判定管道置换流速，并控制阀门的开度达到控制置换流速的目的。
参考文献
[1]SY/T5922—2003，天然气管道运行规范[S].
[2]林铭荣.天然气置换的探讨[J].煤气与热力，2005，25(6)：49-52.
[3]陈莉寇振夺.天然气管道置换控制方法研究，百度文库2010，31（12）
论文作者:星玉华,李靖
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/12
标签：管道论文; 流速论文; 天然气论文; 惰性气体论文; 气体论文; 过程中论文; 空气论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;