輸氣管道置換技術探討

【摘要】為了確保天然氣管道試運投產過程中的安全，采用置換的方式對天然氣管道進行試運投產，即先將惰性氣體注入管線，用惰性氣體作為天然氣與空氣間的隔離介質，投產時天然氣推動惰性氣體、惰性氣體推動空氣進行管道線路及站場、閥室置換，從而使天然氣管道、站場達到順利投產條件。

【關鍵詞】輸氣管道 惰性氣體 置換投產

【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. 置換方式

（1）空氣-天然氣混合物是一種高度易燃易爆的危險品，因此減少在燃燒極限、爆炸極限之內的空氣-天然氣混合物數量極為重要，通常在天然氣管道投產前為了清除管線中的空氣或空氣-天然氣混合物需要進行置換，置換方式一般分為兩種類型：采用天然氣置換空氣；采用惰性氣體置換空氣，天然氣置換惰性氣體。

（2）采用天然氣直接置換空氣存在一定的安全風險，因此在近年來的大中型項目上使用比較少，通常先采用惰性氣體置換空氣，然后再用天然氣置換惰性氣體。

2. 置換介質及設備選擇

（1）惰性氣體的選擇應從制備氣體的可實施性、經濟性上考慮，目前國內普遍選用的惰性氣體是氮氣，可選用的設備主要是制氮車或液氮罐車（1t液氮轉化為1個標準大氣壓、5℃狀態下的氮氣體積約為800m3）。

（2）制氮車有車載氮氣生產設備，在現場直接將生產的氮氣注入管道，排量較大，但制取的氮氣純度與排量成反比關系；液氮罐車通過對液氮加熱使其汽化后注入管道，制取的氮氣純度高且出口壓力高，可以以氮氣為介質試壓，但制氣量受罐車儲量的限制。

3. 質量要求及用量計算

3.1氮氣質量的要求。向管道內注氮氣的溫度必須高于5℃；注到管道內氮氣的含氧量要低于2%。

3.2氮氣用量的計算。

3.2.1管道內氣體平均壓力的計算：

Pm= 21 3 P1+ P221 P1+P2 （1）

式中： Pm——管道內氣體平均壓力（絕），MPa；

P1——管道計算段內起點氣體壓力（絕），MPa；

P2——管道計算段內終點氣體壓力（絕），MPa；

3.2.2管道內氣體平均溫度計算：

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

式中： t——管道計算段內氣體平均溫度，℃； t0——管道鋪設處的土壤溫度，℃；

t1——管道計算段內起點氣體溫度，℃； a——計算常數；

L——管道計算段的實際長度，m； D——管道外直徑，m；

K——管道內氣體到土壤的總傳熱系數， W/m2·°C；

G——氣體質量流量， Kg/s；

CP——氣體定壓比熱， J/（Kg·°C） ；

e =2.718； π =3.1416。

3.2.3管道儲氣量計算

Q儲 =VT01 P0T （P1m-P2m） （3）

式中： Q儲 ——管道的儲氣量， ； V ——管道容積， ；

T——氣體的平均溫度，K； P1m——管道計算段內氣體的最高平均壓力，MPa；

P2m——管道計算段內氣體的最低平均壓力，MPa；

P0=0.101325MPa； T0=293.15K。

根據國內的施工經驗，天然氣長輸管道投產前需對前段約20Km的管道進行氮氣置換。

4. 氮氣置換步驟

（1）注氮口一般選擇在首站，氮氣順氣流方向進行置換。

（2）根據氮氣的流速，計算出氮氣-空氣混氣段氣頭到達閥室的預計時間，方便操作人員按時在閥室進行氣體檢測等操作。

（3）將注氮設備連接至首站管道，注氮過程中，在下游閥室或末站進行引氣放空。首站先置換主管道，當在出站的管道上檢測到純氮氣后，分別對放空和排污管線進行置換，方法是將DN50以上閥門打開30%后立即關閉、DN50及以下閥門全開然后關閉。（4）根據測算混氣頭到達閥室的時間。提前在閥室用0～25%便攜式含氧量分析儀在管道上壓力變送器或壓力表的取樣口檢測混合段氣體的含氧量，當檢測到氧氣含量從21%開始下降時，說明氮氣-空氣混氣頭已到檢測點，當氧氣含量降至2%時既可認為管道內是純氮氣，然后停止放空直至管道壓力升至0.04MPa時氮氣置換工作完成。

5. 天然氣置換投產

（1）根據上游供氣能力、管徑及天然氣流速，測算出每小時的供氣量，投產時控制天然氣流量，保證管道內天然氣流速不大于5m/s；根據天然氣的流速，計算出氮氣-空氣混氣頭和天然氣-氮氣混氣段氣頭到達各閥室及末站的預計時間，方便操作人員按時在站場、閥室進行氣體檢測等操作。

（2）天然氣置換投產采用氣推氣的置換方式，即天然氣推動氮氣、氮氣推動空氣的置換方式，先置換主管線，再置換閥室、站場放空和排污等管線。投產期間用上游供氣閥門調節天然氣流量，天然氣推動提前注入的氮氣段開始進行管道、閥室和站場的置換，全線置換期間，分別在下游閥室或站場進行引氣放空，根據沿線閥室、站場各檢測點的檢測情況及時進行沿線閥室、站場放空和排污等管線的氮氣-天然氣置換。

6. 天然氣置換檢驗

根據測算的混氣頭抵達各閥室或站場的時間，先用便攜式含氧量分析儀在主管道上檢測氮氣含量，當檢測到純氮氣時，立即對放空、排污管線進行氮氣置換。然后再采用便攜式可燃氣體檢測儀對氮氣-天然氣混氣段進行檢測，當混氣段通過檢測地點時，天然氣含量會從0逐漸上升，當上升至高于99%時即可視為管道內已為純天然氣，接著對放空、排污等管線進行天然氣置換，直到全線閥室、站場主管線、放空及排污等管線各檢測點都檢測到純天然氣為止，待全線平均壓力升至約0.2MPa時，天然氣置換工作全部結束。

7. 升壓及試運行

當天然氣置換完成后，開始全線升壓，當全線平均壓力升至1.0MPa時，首站停止進氣24h，進行全線穩壓檢漏，經檢查無異常后再繼續升壓至工作壓力，開始72h試運行，試運行正常后，置換投產工作全部結束。

8. 應用實例

（1）懷仁-原平輸氣管道工程一期（神池-陽方口-原平段）管道全長約84.7Km，管徑分別為DN350和DN450，沿線設有神池首站l座、陽方口分輸站1座、原平末站l座和線路截斷閥室3座，因沿線地形起伏、高差變化較大，采用管道內加清管球隔離氣推氣的置換方式。制氮設備選擇的移動式制氮車，生產能力約450m3/h左右。根據置換方案首先對神池首站及神池首站至首個閥室（7#閥室）的約22Km管道進行氮氣置換，根據管道儲氣量公式計算出氮氣用量，置換完成后壓力達到0.04MPa，共需用氮氣量約為7250m3。此段管道于2011年12月8日12時開始氮氣置換，于2011年l2月22日投產，投產期間混氣段到達各閥室及末站實際時間和計劃時間基本吻合。

（2）因置換期間壓力、流速都比較低，再加上地形起伏較大等因素影響會導致各階段的混氣量都比較大，從環保和節能方面考慮，建議在空氣-氮氣、氮氣-天然氣的分界面加清管球或清管器隔離。

參考文獻

[1]《天然氣管道試運投產規范》，中國石油天然氣股份有限公司管道分公司.

[2]《輸氣管道工程設計》， 《石油和化工工程設計工作手冊》編委會.

[文章編號]1619-2737（2017）06-19-485

[作者簡介] 張小強（1985.06-），男，學歷：大學本科，職稱：工程師，工作單位：中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，現主要從事油氣長輸、集輸管道的設計和施工。