天然氣球罐置換方案初探

摘 要：本文通過對天然氣球罐幾種置換方案介紹、分析和對比，并以學堂堡儲配站天然氣球罐置換為例介紹，說明天然氣球罐可用天然氣直接"置換"方法。

隨著城市燃氣事業(yè)的迅速發(fā)展，為解決天然氣供氣不均勻性即日負荷調(diào)峰問題，根據(jù)重慶的天然氣資源、實際環(huán)境條件和多年的實踐經(jīng)驗證明，一般在儲配站按要求宜設(shè)置多臺球型儲罐。目前，重慶燃氣有限責任公司共建設(shè)了19臺球罐，幾何容積共23，600m3。同時為滿足逐年用氣量增加的趨勢，還計劃在江北區(qū)溉瀾溪頭塘建造6臺（每臺幾何容積為10000m3）球罐的大型儲配站。按照國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，公司每年都有球罐開罐檢查的任務(wù)，它包括超聲波或磁粉探傷、射線照相檢查、測厚和球罐表面的防腐處理等工作。并對有缺陷部位進行維修，檢查合格后需對球罐進行強度和嚴密性試驗；試壓合格后再對球罐進行置換。球罐置換首先要確保球罐的自身安全；其次是確保第一次由球罐中供出的燃氣能滿足用戶的使用要求。球罐置換是一項危險性的工作，若置換方案選擇不當或操作失誤，均可能發(fā)生惡性事故造成慘重損失。為此，球罐置換的安全問題顯得特別重要；其次，球罐置換還應(yīng)考慮經(jīng)濟問題，若方案不當將造成置換工作量大，費用高。用什么安全、經(jīng)濟的方法將罐內(nèi)的空氣置換到允許標準，這是一個值得探討的問題。對此發(fā)表一些看法和意見，僅供參考。

根據(jù)目前的技術(shù)水平和儲配站的具體情況，球罐的置換方案一般有如下三種方法可以采納。

1 惰性氣體置換法

用惰性氣體先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的惰性氣體。即把惰性氣體作為置換中間介質(zhì)，這里所說的"惰性氣體"是指既不可燃又不可助燃的無毒氣體。如氮氣（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、煙氣等，均可以采用。

此法具體操作過程是先將惰性氣體充滿球罐，加壓到一定程度置換出空氣，直至罐時惰性氣體的濃度達到預(yù)定的置換標準為止；然后再以燃氣充滿球罐，同樣加壓到一定程度置換出惰性氣體，從而完成置換程序。此法操作復雜、煩瑣反復進行兩次換氣，不僅耗用大量惰性氣體還耗用大量的燃氣發(fā)生費用較高，其換氣時間長，工作量大，既不經(jīng)濟且費事。但是它可以確保進人罐內(nèi)的燃氣不會與罐內(nèi)空氣接觸，不會形成具有爆炸的混合氣體。因此此法可靠性好，安全系數(shù)高，成功性大。對于本身有制氣（惰性氣體）手段和條件的工業(yè)、燃氣行業(yè)普遍采用這一成熟的傳統(tǒng)置換方案。

2 水置換法

用水先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的水。即把水作為置換中間介質(zhì)。

此方法操作過程是先將球罐灌滿水以水排盡罐內(nèi)空氣，然后再排掉水同時充入燃氣，待罐內(nèi)水排盡時天然氣也充滿，置換就完成了。因為此法不但確保了進入罐內(nèi)的天然氣不會與罐內(nèi)空氣接觸，不會產(chǎn)生具有爆炸性的混合氣體，絕對安全可靠；而且水比其它惰性氣體便宜得多，也很容易解決。而對于儲配站內(nèi)一般都設(shè)置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的儲水量以及配備的雙電源等，這些給水置換帶來了良好的條件。若是將置換工作安排在球罐的強度（水）試壓會格后進行，即排水的同時進行充氣置換，那更是一件很經(jīng)濟的事情。因此此法具有安全可靠、成功率高、操作簡單、置換周期短、費用低和還可多臺罐連續(xù)置換等優(yōu)點。但是它要求球罐基礎(chǔ)條件較好，即球罐基礎(chǔ)（基座）可承擔置換重量，同時置換用水浪費較大，對于1000m3以上球罐置換，考慮到球罐基礎(chǔ)條件（因球罐投運多年）和置換用水量因素，一般不宜采用此法。

3 燃氣直接置換法

此法操作過程是直接將燃氣緩慢通人球罐替換出空氣，從而達到置換目的。其置換示意如圖1所示。

當置換到一定程度時，從排空管的采樣口取樣，通過氣相色譜儀進行分析，可以確定空氣達到預(yù)定的置換標準，置換宣告結(jié)束。

此方法的特點是比較簡便也較經(jīng)濟，但是具有一定的危險性。因為在置換過程中，球罐里必然要產(chǎn)生燃氣與空氣的混合氣體，并且要經(jīng)歷爆炸極限范圍。對于純天然氣來講，它的爆炸極限為5～15％，再考慮到其混合的不均勻性，天然氣含量45％以下均應(yīng)視為危險區(qū)，遇火源，就要發(fā)生爆炸。為此必須嚴格控制，采取各種安全措施，確保無火種，才能安全地渡過其"危險區(qū)"。

要確保置換過程中，沒有任何火源引爆這極具危險的混會氣。為此進行如下分析：球罐的檢查入孔、接管（進出氣管、排污管）全部是封閉的，不可能由外部投入火種；球罐封閉前進行了開罐檢查、試壓、清掃等工序，有時還擱置了一段時間，內(nèi)部不可能有殘留火種；罐內(nèi)沒有活動部件，不可能因運動、撞擊產(chǎn)生火花；唯一可能并需要控制的就是隨進罐天然氣流"帶入"的火種。這種"帶人"火種有兩種：一是高速氣流會因"摩擦"產(chǎn)生靜電。但是，由于球罐及管道系統(tǒng)都有良好的接地，即便有靜電負荷產(chǎn)生，也會立即通過接地裝置導人大地，不會有電荷集聚導致高電位，而產(chǎn)生放電火花。二是高速氣流吹動管道中可能殘留下來的石塊、鐵屑、焊條頭等固體物品帶進球罐，與罐壁、內(nèi)梯等碰撞產(chǎn)生火花，這種可能性是存在的，這就是危險。根源是高速氣流，解決它關(guān)鍵是堅決杜絕高速氣流而確保低速；即便有石塊等"雜物"，也不會被吹動，也就不可能產(chǎn)生火花了；同時為了避免"雜物"帶進球罐，應(yīng)事先在進氣管道上設(shè)置"過濾器"。根據(jù)暖通資料及管道實際吹掃經(jīng)驗，我們確定將置換球罐用天然氣速度控制在3m/s以下并采用流速計或

U型壓力表（計）觀察球罐升壓速度的辦法來測量其充氣流速，用閥門的開度來控制流速（混氣過程中控制閥前的壓力要保持穩(wěn)定）。

經(jīng)上述分析、認識與措施，說明天然氣球罐可用天然氣直接"置換"；即先少量充氣置換后再投入運行。該法必須注意排除其危險性，方法較簡單，經(jīng)濟合理。目前我公司以及附近地區(qū)各燃氣公司球罐的置換工作均采用"天然氣直接置換球罐里的空氣"方法，歷經(jīng)過了四十多次試驗，已積累了一定的經(jīng)驗。

4 燃氣直接置換法實例

沙坪壩學堂堡儲配站投產(chǎn)于1987年，擔負著沙坪壩區(qū)民用氣調(diào)峰任務(wù)。站內(nèi)設(shè)置了四臺每臺幾何容積為1000m3的球形儲罐，其貯氣能力為3.2萬m3。按要求1999年對3#、4#球罐進行了開罐檢查；而2000年9月份，又對1#、2#球罐進行開罐檢查，經(jīng)重慶市鍋檢所對其進行超聲波或磁粉探傷、X光照片和測厚等檢測，并對有缺陷部位進行維修，合格后即進行氣壓試驗，試壓介質(zhì)選用空氣。試壓合格后隨即進行置換，步驟操作如下：

（1）試壓、置換前的準備工作

①成立球罐開罐檢查（試壓、置換）工作領(lǐng)導小組，明確具體的分工，各負其責。

②經(jīng)過多方研究討論，確定了試壓、置換方案，并制定了實施細則和具體措施，打印成文以便遵照實施。

③對與球罐相聯(lián)接的管道和設(shè)備進行了試壓，對閥門、法蘭、焊縫等各種設(shè)備和聯(lián)接處都進行認真細致的檢查，對有泄漏之處進行處理。

④

聯(lián)接好試壓、置換工作所需用的臨時管道和設(shè)備。如加氣管、排氣管、空壓機等；并作好其它一切有關(guān)的安全防范物質(zhì)準備工作。

（2）試壓及置換工藝流程

①在球罐的排污閥（6）之后，加一短節(jié)。短節(jié)一端采用法蘭聯(lián)接，另一端盲死；在短節(jié)兩側(cè)各焊一加氣管，并裝上控制閥（7或8）加以控制，它們與空壓機（9）相連。

②以球罐的進（出）氣管作為置換的進氣管，球罐上的安全放空、增設(shè)的加氣管（卸下空壓機后）作為空氣的放空管，也可作為取樣點。如圖2所示。

（3）試壓、置換的操作步驟

①為了便于指揮、控制，不致操作失誤，在試壓、置換前，首先關(guān)閉全部閥門，并加裝盲板，使整個系統(tǒng)成為密閉狀態(tài)。

②啟動空壓機（9），打開加氣管的控制閥門（7或8），向球罐充空氣，使壓力先緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力的10％，保壓5-10分鐘并對所有焊縫和連接部位進行初次檢查；如無泄漏可繼續(xù)升壓到試驗壓力的50％；如無異�，F(xiàn)象，其后按規(guī)定試驗壓力的10％逐級升壓，直至試驗壓力0.92MPa時（因球罐設(shè)計壓力為0.8MPa，實際運行壓力為0.78MPa，試驗壓力為設(shè)計壓力的1.15借人停止加壓穩(wěn)壓半小時，在試壓前應(yīng)將球罐的安全閥送國家壓力容器檢驗部門將其開啟壓力調(diào)至0.92MPa（試壓后將其壓力調(diào)至設(shè)計壓力，但不得超過設(shè)計壓力的1.05倍），以確保球罐試壓安全；最后將壓力降至設(shè)計壓力，保壓足夠時間進行檢查，檢查期間壓力應(yīng)保持穩(wěn)定，觀察球罐及基礎(chǔ)均無異常情況，經(jīng)肥皂液或其他檢漏液檢查無漏氣、無可見變形即為合格。

③試壓合格后進行置換。首先拆下空壓機沙），打開加氣管的閥門（7或8）和安全閥（2）進行放空，待與大氣相平衡為止，關(guān)閉各放空部位的閥門。這時球罐里空氣體積在計算工況（0.1MPa，20℃）下為1000m3。

④打開球罐的進（出）氣管上的閥門（4），向球罐緩慢充氣，流速控制在3m/s以下；當球罐充氣到0.05MPa時，可適當提高充氣速度，流速不超過5m/s；當充裝天然氣到0.1MPa后，關(guān)閉進氣閥（4）停止進氣，開啟加氣管上的控制閥（7或8）緩慢地向外放散，其速度不超過10m/s，表壓為10KPa時停止放散，這時取樣進行分析，確認天然氣含量達到置換標準（50％以上）；再次開啟球罐的進氣閥（4）以不超過10m／s流速向球罐充裝天然氣，直至球罐運行壓力0.78MPa為止，置換完畢。

在置換過程中，球罐的表壓P（MPa）隨進罐天然氣體積V（m3）變化而變化，其變化過程視為等溫過程（注：Pn為當?shù)卮髿鈮�，取�?.1MPa）。

（a）當球罐壓力升至0.1MPa（表壓）時，球罐里空氣體積在計算工況（0.1MPa，20℃）下為1000m3，而在某一工況P下其空氣體積為（1000-V）m3，其關(guān)系式為：

（b）當球罐充氣至0.1MPa（表壓）時，停止進氣，進行放空至10KPa止，這時球罐里空氣和天然氣的體積在計算工況（0.1MPa，20℃）下各為550m3。再次將球罐壓力升至其運行壓力0.78MPa為止。其關(guān)系式為：

通過以上關(guān)系式，可以算出各個工況下球罐里的天然氣、空氣體積組成及其壓力變化情況見表1。

綜上所述，經(jīng)球罐置換的幾種方案比較，以天然氣直接置換較為方便、經(jīng)濟。雖然存在不安全因素，但是可以通過控制進氣速度，以及采取各種安全措施協(xié)調(diào)配合，完全可以安全地越過混合氣體爆炸極限范圍，對于天然氣球罐置換可以廣泛采用此法。

參 考 文 獻

[1]盧永昌等編，城市燃氣工人技術(shù)培訓教材《燃氣輸配工》，中國建筑工業(yè)出版社，1996

[2]《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒布1999.6

[3]李澤震等編《壓力容器安全評定》勞動人事出版社，1987

[4]《球形貯罐診斷與修復技術(shù)》勞動人事出版社，冶金工業(yè)鋼鐵研究總院編，1987 

作者：陳全樹 王繼武 劉冠軍 裴云秦 

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