大型天然气球罐 的置换

% 升压置换基本参数的确定
%&’ 流量的计算方式 充氮气开始时，压差最大，此时的流量也最大；
随着氮气的充入，球罐内的压力逐渐升高，因此压差
逐渐减小，流量也相对减小，直到充氮结束时，压差
达到最小，流量也最小。
（’）最大流量的计算
式中：!()*+ #’
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（ #’, $ #,,）%’ & .,!"( #( ’
! 置换的理论依据
在对罐内气体进行置换时，如果直接用燃气置 换空气或用空气置换燃气，则在置换过程中罐内必 定存在可能爆炸的燃气 " 空气浓度范围，即形成爆 炸性的混合气体。为使罐内不形成爆炸性气体，最 可靠的方法就是利用惰性气体作为置换介质，置换 储气罐中的燃气或空气。混合气中的惰性气体含量 增加，会缩小可燃气体的爆炸范围。惰性气体含量 增加到某一临界值时，空气或燃气的浓度都不会达 到该燃气爆炸范围。
另一种是等压置换方法，该方法是在不断充入 惰性气体的同时不断地排放出惰性气体与空气混合 物，或惰性气体与天然气的混合物，使罐内始终保持
一个稳定万的方不太数高据的压力，直至储罐中的氧气或甲
烷含量低于所规定临界值为止。为减少两种气体的 相互渗透稀释，要求进口管管径要相对较大以满足 较小流速的要求。
采取升压或等压置换方法各有其优缺点。等压 法用的氮气量少，但较大容积储气罐的置换容易形 成死角。其对流速的限制相对较大，同时，由于混合 气体连续地从罐顶排放，对于可燃气体来说，它的安 全性远 不 如 升 压 置 换 方 式。 而 且 控 制 阀 门 很 不 方 便，也不安全，特别是在可燃气体的浓度较大时，给 检测工作带来不便。而升压置换方式则是通过气体 的扰动和扩散，达到两种气体的混合，使被置换的气 体得到稀释，此方法所用氮气相对较多，但所受现场 条件的限制较少，容易实现。至于采取哪种方式还 要根据现场的具体条件来确定。
对于空气置换燃气，即先用惰性气体置换燃气 （称为一次置换），当混合气体内的甲烷含量达到所
规定的临 界 浓 度 时，即 完 成 置 换，之 后 即 可 充 入 空 气。对于燃气置换空气，即先用惰性气体置换空气 （称为二次置换），当其罐内混合气体中的氧浓度在 所规定临界氧含量以下，即完成二次置换，之后即可 充入可燃气体。
表 # 天然气组成、爆炸极限及临界氧含量（常温常压下） &
组分 *+’
体积分数 ,% $ ,’, ’
爆炸极限 临界氧条件下体积分数
上限 下限
（添加 )!）
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最大流量，)! / 0；
始端的绝对压力，1*；
#, 末端的绝对压力，1*；
#( 标准大气压力；
’ 管道计算长度，)；将管道变径和阀门
等局部阻力近似按当量长度计算，计算长度为
当量长度与实际长度之和；
% 管道内径，)；
"(
标准状况下的氮气密度，23 / )!；
! 摩擦阻力系数。
（,）平均流量根据最大流量和最小流量近似计
! 收作稿者日简万期介方：：&李"数"’ #清据（"’!#.%!’"—），男，北京人，高级工程师，学士，主要从事燃气与暖通技术的研究与开发工作。
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煤气与热力
!--/ 年
靠的方法。 对于大容积高压球罐进行安全、经济地置换，并
为今后的球罐置换积累经验就成为亟待解决的新课 题。为此，我们对球罐置换的方法、步骤、工艺流程 以及有关的理论进行了研究与实践。下面就置换中 遇到的一些问题进行分析和探讨。
算出平均流量。
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根据最大流量和平均流量选择氮气蒸发器。蒸
发器的选择十分重要，若选择小了易造成出气温度
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煤气与热力
#((& 年
过低甚至过液的危险；选择大了，会造成浪费，也会 受到场地的限制。在选择蒸发器时，不仅要考虑最 大流量和蒸发器的额定流量，还要考虑环境温度和 湿度对蒸发器的影响，必要时还要相应采取关小阀 门、控制流量以及控制液氮出口压力等方法。 !"# 氮气纯度的分析
第.期
李 清等：大型天然气球罐的置换
· !,8 ·
组分线进行。 根据三角形线图可以合理选择储气罐内气体的
置换方式和置换过程，以达到经济、安全的目的。实 际的操作过程中，所有临界参数值应该留有一定的 余地，以保证绝对安全。因此，在确定最终的置换结 束的标准点即合格浓度时应考虑以下几点：! 由于 来源不同的天然气组成存在一定的差异，相应的爆 炸极限也存在一定的差异；" 取样点的气体与整个 球罐内气体的差异；# 检测混合气体成分时的误差 （包括仪器和观察产生的误差）；$ 将储罐内空气置 换为燃气时，应采用临界氧含量作为安全的标准，将 燃气置换为空气时，则采用爆炸下限作为判断标准 更为方便；% 球罐置换结束后的氮气可用于吹扫罐 区内的工艺管线，因此氮气浓度要相应地高一些更 安全。
第 &’ 卷 第 % 期 &""’ 年 % 月
文章编号：!""" # $$!（% &""’）"% # "’&( # "$
煤气与热力 A5B T *259
大型天然气球罐的置换!
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李 清，高春梅 （北京市公用事业科学研究所，北京 !"""!!）
摘要：通过对可燃气体成分及爆炸浓度的分析，分析了置换介质及其浓度、临界含氧量、临界甲烷含
有惰性气体的燃气 " 空气混合物的爆炸范围可 用图 # 表示。该图的特点是：在由某单一成分相对 应的顶点所引的直线上，能表示其他两种成分之比， 故甲烷与空气的混合物之比能由图 # 所示的氮气组 分线求得。
! !"# 为甲烷气的爆炸范围；临界线 # 为空气 置换燃气的临界线；临界线 ! 为燃气置换空气的临 界线；" 为置换的临界点；$ 表示甲烷的成分；% 表 示空气的成分；& 表示氮气的成分。
要［!—!!］。 球罐置换通常采用水置换和惰性气体置换的方
法。前者一般用于小型储罐，而后者则用于大型储 罐。常用的惰性气体包括二氧化碳、烟气、水蒸气和 氮气。由于烟气中含有水蒸气及酸性气体，可能产 生酸性物质，对球罐产生不良影响；水蒸气对球罐也 会产生锈蚀等不利影响，水蒸气的产生与传输在现 场条件下不太容易实现；而氮气是一种惰性气体，利 用氮气作为中间介质对球罐进行置换是一种安全可
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图 # 甲烷 " 空气 " 氮气混合物的爆炸范围
万方数据
!$! 空气置换燃气 当检修储罐前需置换出罐内的甲烷气时，其过
程与前面所述的过程正相反，也就是当罐内氮气体 积分数 0( $ %& ，甲烷为 #/ $ %& 时，罐内气体就没有 爆炸性，这 时 罐 内 再 进 入 空 气，就 不 存 在 爆 炸 范 围 了。其置换过程线为图 # 中的 (% 线，沿 (% 线由 ( 点移至 % 点。(% 线为临界线，! %(& 为安全区。 为安全起见，置换时要超过此线进入安全区沿氮气
!前 言
随着天然气的发展及用量的不断增长，大型高 压天然气球罐相继建成。作为压力容器，储罐的安 全十分重要，它关系到供气的安全。因此，需要定期 对储罐进行开罐检验。每一次停产检修前和检修后 及储气罐建成投入运行前，均需对罐内气体进行置 换，以防止罐内形成爆炸性混合气体而发生爆炸事 故。因 此，球 罐 的 置 换 以 及 置 换 的 安 全 至 关 重
综合考虑以上几点后，并取一定的安全系数，即 当以氮气置换空气时，储罐中氧体积分数!!" ，即 认为已达到置换合格标准；用氮气置换 #$% 时，当 #$% 体积分数!!" 时，即认为置换已达合格标准。
! 置换方式的选择
依据上述的置换理论，利用氮气进行置换，其置 换过程有两种方式。
一是升压置换方法，即在储罐中充入一定数量 的惰性气体，罐内的混合气体不排出，这时储罐内的 压力升高。升到一定的压力后，停止充气，静置一段 时间，通过气体的扩散使其相互掺混。然后排放混 合气体。这样反复几次，直至合格为止。此方法要 求进口管的流速要相对较大，以使两种气体充分混 合。
量，并对各种置换方式（如等压、升压等）适用性和可行性进行了分析比较；对置换过程中的压力、
)*$ 及 +& 浓度的变化及相互关系，对氮气用量和置换时间进行了分析，并提出计算方法；对充入氮 气的速度及排放混合气体及其对储罐的影响进行分析和研究。
关键词：燃气储存；天然气球罐；置换；氮气置换；临界含氧量；临界甲烷含量
!"#$%&’$：,D2 =2345627289 72JH@7 58J 6:86289=59H:8，6=H9H654 :KL>28 6:89289，6=H9H654 729D582 6:89289 5=2 J292=7H82J ML 5854LNH8> 9D2 6:73:8289B :; H8;45775M42 >5B2B 58J 9D2H= 2K34:BHO2 4H7H9B / ,D2 B@H95MH4H9L 58J ;25BHMH4H9L :; =23456H8> 729D:JB（2P@54 3=2BB@=2，=HBH8> 3=2BB@=2）5=2 5854LN2J 58J 6:735=2J / Q59D2759H654 5854LBHB :; 3=2BB@=2，6D58>2 :; 729D582 58J :KL>28 6:89289 58J 9D2H= =2459H:8，8H9=:>28 >5B 6:8B@739H:8 58J =2345627289 9H72 ;:= B5;2 =2345627289 :; 859@=54 >5B B3D2=H654 >5BD:4J2= 5=2 6:8J@692J，58J 9D2 6546@459H:8 729D:J 5=2 3@9 ;:=R5=J / ,D2 =592 :; H8S269H8> :; 8H9=:>28 >5B 58J O289H8> 7HK2J >5B2B，58J H8;4@2862 :8 >5B B3D2=H654 >5BD:4J2= 5=2 5854LN2J 58J =2B25=6D2J / ()* +,%-#：>5B B9:=5>2；859@=54 >5B B3D2=H654 >5BD:4J2=；=2345627289；8H9=:>28 >5B =2345627289；6=H9H654 :KLI >28 6:89289；6=H9H654 729D582 6:89289
!$# 燃气置换空气 当储罐内的初始气体为空气，最终在其中充装
天然气时，如果不添加惰性气体，而直接充装的话， 必然要 经 过 爆 炸 区。 如 果 先 充 入 氮 气 到 一 定 程 度 后，再充入天然气就能避开这一区域。
各种可燃气体都有其爆炸极限和相应的临界氧 含量（见表 #）。图 # 中! %!" 为爆炸区域。甲烷 在空气中的爆炸下限为 %& ，上限为 #%& 。加入氮 气后，爆炸下限变化不明显，而爆炸上限则降低。如 先以氮气置换出 ’#& 的空气，则氧气体积分数降低 到 #! $ #& ，混合气体的爆炸上限和下限在 (& 一点 相重合，即在氮气置换空气量超过 ’#& 时，甲烷就 失去爆炸性能。爆炸上下限相重合的一点称为爆炸 临界点，是以该点的惰性气体的体积分数来表示的。 因此，置换合格点即置换终止点一定要大于该点，进 入安全区! ’$& 内。因此，在天然气储罐投产及检 修完成后，需充入 ’#& 的氮气，即当测得取样气体 中氧体积分数降低到 #! $ #& 以下时，即已完成气体 的置换工 作，可 输 入 甲 烷，其 置 换 过 程 线 为 图 中 的 ’$ 线，由 ’ 点向 $ 点方向移动。’$ 线为氮气置换空 气的临界线，为保证充装 )! 过程的安全性，一般要 超过临界线进入安全区内沿氮气组分线进行，直至 置换过程结束。
中图分类号：,-..% / %!
文献标识码：0
12345627289 :; <5=>2 ?59@=54 A5B C3D2=2 ,58E
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