大型天然气球罐的置换.pdf

文章编号 “““ （ 2 5954 A5B C3D22 ,58E ，A0 D8I72H （“ H8;45775M42 5B2B 58J 9D2H 2K34BHO2 4H7H9B/ ,D2 BH95MH4H9L 58J ;25BHMH4H9L ; 23456H8 729DJB（2P54 32BB2，HBH8 32BB2）52 5854LN2J 58J 67352J/ Q59D2759H654 5854LBHB ; 32BB2，6D582 ; 729D582 58J KL28 689289 58J 9D2H 2459H8，8H928 5B 68B739H8 58J 2345627289 9H72 ; B5;2 2345627289 ; 85954 5B B3D2H654 5BD4J2 52 68J692J，58J 9D2 6546459H8 729DJ 52 39 ;R5J/ ,D2 592 ; H8S269H8 ; 8H928 5B 58J O289H8 7HK2J 5B2B，58J H8;42862 8 5B B3D2H654 5BD4J2 52 5854LN2J 58J 2B256D2J/ * ,-5B B952；85954 5B B3D2H654 5BD4J2；2345627289；8H928 5B 2345627289；6H9H654 KLI 28 689289；6H9H654 729D582 689289 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 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 第 ’ 卷第 期 ““’ 年 月 煤气与热力 A5B T *259 U4/ ’/ V8/ ““’ 收稿日期 ““’ “’ “ 作者简介 李清 （.’） ， 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。 万方数据 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。 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。 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。 图 甲烷 “ 空气 “ 氮气混合物的爆炸范围 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。 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 上限下限 临界氧条件下体积分数 （添加 ） *’,,’, ’-- *-,-. /-,- */0-/ ..-’ 1---- ’’/ *2/--- - 2--- 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 0/煤气与热力--/ 年 万方数据 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。 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。 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。 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 一个稳定的不太高的压力， 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。 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 * 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 算出平均流量。 *45 * 67 , 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 8,第 . 期李清等 大型天然气球罐的置换 万方数据 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 由于可燃气体存在爆炸上限和下限， 所以， 在置 换开始或过程中允许进入少量的氧气， 但不能超过 爆炸下限， 在具体置换中不能超过规定的临界值。 对于含有一定氧气的氮气 （在此只考虑氧体积分数， 不考虑其他杂质） ， 随着氮气的充入， 氮气体积分数 不断增加的同时， 带入的氧体积分数也不断地升高， 但只要在充氮气结束， 即甲烷浓度达到所规定的临 界值后， 氧体积分数也未超过临界值就可以。可以 根据临界氧体积分数确定此氮气纯度。因此， 氮气 纯度不必一定要达到 以上。氮气纯度的降低 将会大大地降低置换的成本。 “压力的确定 对于升压方式， 在甲烷临界浓度一定的情况下， 放散结束压力 ’越小， 则 越小， 则所用的氮气量 越少； 反之则越多。故在实际工程中确定一次置换 放散结束压力为 “ *,， 二次置换放散结束压力 为 “ *,， 充氮气结束压力为 “ *,。 结论 （’）通过对置换过程及临界浓度的分析， 以及 各种因素对爆炸极限和临界浓度极限的影响的研 究， 确定了一次和二次置换结束的甲烷和氧气的合 格浓度指标。 （）通过对各种置换方案的经济性、 适用性、 安 全可靠性的分析比较， 确立了经济合理且安全实用 的置换方案。 （）置换介质 氮气的纯度可不必过高， 而 是要根据所确定的置换极限浓度来确定氮气的纯 度。 （）等压置换方法和升压置换方法各有其特 点， 各有其适用范围和条件， 因此要根据现场的条 件， 进行合理的选择。 （）通过各种方案的氮气用量和置换时间的分 析和计算， 确定了比较合理的压力、 流速等数据。 （-）所研究的置换方案在北京燃气集团输配公 司小屯、 南湖渠、 北郊、 焦化厂等储配厂的 台球罐 置换中得到了实施， 既节省了氮气也节省了时间， 是 实用性较强的并且安全可靠的方案。 参考文献 ［’］ 钱信培， 黄时瑾“ 也谈 “低压湿式贮气罐的置换”［.］ “ 煤气与热力， ’/-，（） “ ［］ 马凤美“ 烟气置换燃气贮罐各项参数的确定 ［.］ “ 煤气 与热力， ’/0， （-） -/“ ［］ 李长明“ 气柜置换终止点探讨 ［.］ “ 煤气与热力， ’//， （-） “ ［］ 刘长生， 邹永生“ 低压湿式气柜的天然气置换 ［.］ “ 煤 气与热力， ’/，（） ’“ ［］ 邢同春， 朱富荣“ 焦炉煤气的直接置换 ［.］ “ 煤气与热 力， ’’， （） ’“ ［-］ 张建新“ 十万立方米气柜的直接置换 ［.］ “ 煤气与热 力， ’-，（） ’“ ［0］ 高金华， 彭亚伟“ 煤气逆向置换在焦化厂的应用 ［.］ “ 煤气与热力， ’，（） 0“ ［/］ 孙振刚， 王增光“ 焦炉煤气烟气发生装置的设计及其 在气柜置换中的应用 ［.］ “ 煤气与热力， ’， （-） /“ ［］ 彭世尼， 孙知音“ 燃气储罐置换过程的数学分析 ［.］ “ 煤气与热力， ，（） /“ ［’］ 刘亚士， 罗义英“ 燃气储罐置换过程的探讨 ［.］ “ 煤气 与热力， ’，（） “ ［’’］ 王志峰， 曲宪国“ 关于气柜置换方案的探讨 ［.］ “ 煤气 与热力， ’， （） ’“ 煤气与热力 年 万方数据