论天燃气存量球罐的置换可行性及方法

论天燃气存量球罐的置换可行性及方法
作者：文上峰
来源：《城市建设理论研究》2013年第04期
摘要：在当今社会,随着经济的进步和科技的发展,在燃气行业中电脑开始占据着越来越重要的位置, 本文通过对天然气球罐几种置换方案介绍、分析和对比，并以学堂堡储配站天然气球罐置换为例介绍，说明天然气球罐可用天然气直接"置换"方法。

关键词：天然气；置换；安全
中图分类号：U473.2+4文献标识码：A文章编号：
1.球罐用天然气直接置换的可行性分析
天然气的主要成分为甲烷CH4，比重约为0.58，爆炸极限约为5%～15%，最小点火能量约为0.28MJ。

10000m3天然气球罐的设计压力为1.05MPa，设计温度为-21℃～44℃，工作压力为0.25～0.95MPa，气密试验压力为1.05MPa，气压试验压力为1.21MPa。

球罐安全阀启动压力为1.05MPa，回座压力为1.00MPa。

直接置换就是利用所要储存的天然气直接替换出罐内原有的空气达到合格标准后，球罐即可投入正常运行。

为了保证球罐首次供出的天然气能满足安全和用户的使用要求，一般来讲将混合气中含氧量2%作为置换终点。

此时，天然气与空气的混合比为9.5∶1。

以10000m3球罐为例。

向球罐内充装天然气，当球罐工作压力达到0.95MPa时，由气体定律得知，空气在球罐内占容积为954m3，天然气为9046m3。

此时，球罐内混合气体的含氧量为2%。

这就是说，可以采用只混气、不放散的特殊处理方式达到转换目的。

这样做既省时、省事，又省经费。

在向球罐内充装天然气与空气混合的过程中，当天然气的浓度达到5%～15%的爆炸极限范围时，若遇火源就会发生爆炸事故。

这是用天然气直接置换的最危险阶段。

再考虑到压力、温度对天然气爆炸极限的影响，以及天然气在球罐内与空气混合时的不均匀性等因素，故可把天然气浓度在45%以下视为存在爆炸危险。

球罐内天然气与空气混合形成的爆炸性气体要发生爆炸的条件是必须有火源。

在密封的球罐内可能产生火源的因素有两个：一个是在充装天然气时因高速气流与管道、球罐内壁摩擦产生静电放电火花;另一个是因高速气流吹动管道、球罐内残留的铁屑、焊渣等坚硬物体与罐壁碰撞产生火花。

这两个致火因素完全可以采取高压空气扫除、防静电接地、控制流速等有效措施加以消除，不会对球罐安全造成影响。

2.球罐用天然气直接置换应采取的安全措施
新建天然气储配站必须经公安消防监督部门和安全生产监督管理部门检查验收合格，方可对球罐进行置换。

置换前对球罐和输气管道应用流速不小于20m/s的空气认真吹扫，彻底清除其内部遗留的金属残渣等物体。

置换前要认真检测球罐和输气管道的防静电接地，其接地电阻不得大于10Ω。

罐壁不准用非良好导电性的防锈漆涂刷。

置换前要对球罐和输气管道上所有开关阀门、安全阀、压力表等设施认真检查维护，做到坚固、严密、有效，并要配备必要的抢修机具、设备和材料。

置换前要对储配站所有消防设施和器材认真检查维护，确保完整有效，符合规定。

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置换前要制定周密的置换方案和操作规程，落实各级领导和各个工作岗位的责任，并要确保置换时指挥联络畅通。

置换时要严格控制天然气流速。

当球罐内天然气浓度未达到15%时，流速不得超过5m/s;浓度超过15%时，可适当提高流速，但不应大于10m/s;浓度超过45%时，可将流速提高到
20m/s。

当球罐工作压力达到0.95MPa时停止进气。

此时可从球罐排污阀处放出气体取样分析，气体含氧量≤2%时为合格。

若气体含氧量高，应从排污阀处缓慢放散一定量气体，再从进气阀充进天然气，待压力回升到0.95MPa时，停止进气，然后再作气体含氧量分析，直到合格。

置换时要在储配站一定范围内设置防火安全警戒区域，禁止一切火源，禁止无关人员和车辆进入。

3.存量球罐的置换方案
3.1惰性气体置换法
用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体。

即把惰性气体作为置换中间介质，这里所说的"惰性气体"是指既不可燃又不可助燃的无毒气体。

如氮气（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、烟气等，均可以采用。

此法具体操作过程是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐时惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止；然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。

此法操作复杂、烦琐反复进行两次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气发生费用较高，其换气时间长，工作量大，既不经济且费事。

但是它可以确保进人罐内的燃气不会与罐内空气接触，不会形成具有爆炸的混合气体。

因此此法可靠性好，
安全系数高，成功性大。

对于本身有制气（惰性气体）手段和条件的工业、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方案。

3.2水置换法
用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。

即把水作为置换中间介质。

此方法操作过程是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。

因为此法不但确保了进入罐内的天然气不会与罐内空气接触，不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠；而且水比其它惰性气体便宜得多，也很容易解决。

而对于储配站内一般都设置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的储水量以及配备的双电源等，这些给水置换带来了良好的条件。

若是将置换工作安排在球罐的强度（水）试压会格后进行，即排水的同时进行充气置换，那更是一件很经济的事情。

因此此法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。

但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础（基座）可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件（因球罐投运多年）和置换用水量因素，一般不宜采用此法。

3.3燃气直接置换法
此法操作过程是直接将燃气缓慢通人球罐替换出空气，从而达到置换目的。

当置换到一定程度时，从排空管的采样口取样，通过气相色谱仪进行分析，可以确定空气达到预定的置换标准，置换宣告结束。

此方法的特点是比较简便也较经济，但是具有一定的危险性。

因为在置换过程中，球罐里必然要产生燃气与空气的混合气体，并且要经历爆炸极限范围。

对于纯天然气来讲，它的爆炸极限为5～15％，再考虑到其混合的不均匀性，天然气含量45％以下均应视为危险区，遇火源，就要发生爆炸。

为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保无火种，才能安全地渡过其"危险区"。

要确保置换过程中，没有任何火源引爆这极具危险的混会气。

为此进行如下分析：球罐的检查入孔、接管（进出气管、排污管）全部是封闭的，不可能由外部投入火种；球罐封闭前进行了开罐检查、试压、清扫等工序，有时还搁置了一段时间，内部不可能有残留火种；罐内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花；唯一可能并需要控制的就是随进罐天然气流"带入"的火种。

这种"带人"火种有两种：一是高速气流会因"摩擦"产生静电。

但是，由于球罐及管道系统都有良好的接地，即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导人大地，不会有电荷集聚导致高电位，而产生放电火花。

二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物品带进球罐，与罐壁、内梯等碰撞产生火花，这种可能性是存在的，这就是危险。

根源是高速气流，解决它关键是坚决杜绝高速气流而确保低速；即便有石块等"杂物"，也
不会被吹动，也就不可能产生火花了；同时为了避免"杂物"带进球罐，应事先在进气管道上设置"过滤器"。

根据暖通资料及管道实际吹扫经验，我们确定将置换球罐用天然气速度控制在
3m/s以下并采用流速计或
U型压力表（计）观察球罐升压速度的办法来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。

经上述分析、认识与措施，说明天然气球罐可用天然气直接"置换"；即先少量充气置换后再投入运行。

该法必须注意排除其危险性，方法较简单，经济合理。

目前我公司以及附近地区各燃气公司球罐的置换工作均采用"天然气直接置换球罐里的空气"方法，历经过了四十多次试验，已积累了一定的经验。

4.总结
综上所述，经球罐置换的几种方案比较，以天然气直接置换较为方便、经济。

虽然存在不安全因素，但是可以通过控制进气速度，以及采取各种安全措施协调配合，完全可以安全地越过混合气体爆炸极限范围，对于天然气球罐置换可以广泛采用此法。

参考文献：
[1] 高伟.;;天然气管道氮气置换混气长度的影响因素[J]. 油气田地面工程. 2009(01).
[2] 张鹏云,薛继军,武喜怀,曾学军.;;天然气管道投产置换过程模拟实验研究[J]. 西安石油大学学报(自然科学版). 2006(06).
[3] 薛继军,张鹏云,王俊奇,曾学军,武喜怀.;;输气管道投产置换过程气体混合规律研究[J]. 天然气工业. 2006(12).。