天然气管道氮气置换技术研究精.docx
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天然气管道氮气置换技术研究精
收稿日期:
2006-10-03 收修改稿日期:
2006-12-07
天然气管道氮气置换技术研究
谭力文1,敬加强1,戴志向2,吕 郑3,邵红梅4
（1.西南石油大学油气藏地质及开发国家重点实验室,四川成都 610500;2.中国石油西南油气田分公司 蜀南气矿地
面建设工程项目部,四川泸州 646001;3.中国石油西南油气田分公司 川东北气矿地面建设工程项目部,四川达州,
635000;4.西南石油大学储运系,四川成都 610500
摘要:
针对新建或需要检修的天然气管道,,施步骤,对比分析了它们的优缺点,,、注氮压力、注氮点、注氮量、,础。
关键词:
天然气;管道;中图分类号 :
1004-9614（200703-0025-04
StudyofGasPipelineReplacementTechnologybyNitrogenGas
TANLi2wen1,JINGJia2qiang1,DAIZhi2xiang2,LVZheng3,SHAOHong2mei4（1.StateKeyLaboratoryforGeologyandDevelopmentEngineeringofOilandGasReservoirs,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;
2.ConstructionProjectDepartmentSouthwestFieldFilialeShuNanFieldCPNC,Luzhou646001,China;3.ConstructionProjectDepartmentSouthwestFieldFilialeNortheastinSichuanFieldCPNC,Dazhou635000,China;4.OilandGasStorageandTransportationDepartment,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,ChinaAbstract:
Thepaperintroducedprinciplesandoperationstepsfordifferentreplacementmethodsusedtofulfillthereplacementofneworrepairednaturalgaspipelinesbynitrogengas.andalsopresenttheirdifferentapplicableoccasionsbyanalyzingtheirmeritsanddefects,anddiscussmethodsfordeterminationofthetemperature,pressure,place,amountforinjectingnitrogengasandtheadvancevelocityofnaturalgasinpipelineandthenmakecorrespondingconclusions.GaspipelineputintoproductionisbaseduponalltheaboveConditions.Andthethoughtsandopinionsaboutoptimizationmethodsfordeterminingreplacementtechnologyandoperationparametersweregivenintheend.
Keywords:
naturalgas;pipeline;nitrogengas;replacement;method;parametersforinjectingnitrogengas0 引言
目前,国家政府与石油部门在生产中着重强调的就是安全问题。
为了确保安全,新建或检修后的天然气管道投用前采用惰性气体置换输气站及管道内的空气。
置换用惰性气体一般采用氮气,当惰性气体中的空气含量低于2%时,管道置换为合格[1]。
天然气管道置换的操作失误,将会导致严重的安全事故,造成巨大损失。
在投产之前,新建输气管道内存有空气,直接用天然气置换非常危险[1-2]。
即使中间用清管器隔离,但由于清管器本身的磨损、弯头、高程以及推动的压力、速度等影响,部分天然气泄漏到清管器前与空气混合,空气中的天然气含量达到5%～
15%时,混合气体就会处在爆炸范围[3],所以直接用天然气置
换空气的方法存在极大的安全隐患。
利用氮气作为置换气体显得安全可靠[4],它同时是极佳的干燥气体,具有很高的吸水性,也适用于水压试验后的管道干燥。
天然气管道氮气置换的方法有2种:
氮气全线置换方式和
隔离置换方式。
氮气全线置换方式又可分为分段置换方式和整体置换方式;而隔离置换又可分为加隔离器置换和不加隔离器置换。
1 全线氮气置换111 分段氮气置换11111 工作原理
实行天然气管道分段置换,起点为首站（发球筒,经管线各个截止阀门至末站内收球筒。
一般每段长度为5～20km,并以阀间为界。
从第一段、第二段、第三段管线……依次置换,直到最后一段管道置换完成。
管道内混合气体中的氮气体积百分比大于98%（即氧气体积含量小于2%,并且连续3次（间隔为5min对放气口取样都低于此值时,置换合格。
11112 置换步骤
（1确认管线第一段（首站发球筒至某个截止阀门末的阀
门处于关闭状态;
（2打开放球筒后的阀门,将高纯度氮气（≥99%从首站
发球筒注入管线内,当氮气注入量等于该段管子容积时,在放
气口处进行检测,直至置换合格,并作好记录,确认第一段置换
2007年 第3期管 道 技 术 与 设 备
Pipeline Technique and Equipment2007 No13
结束;
（3确认管线第二段末（第一个截止阀至第二个截止阀的
阀门处于关闭状态;
（4打开第一个截止阀阀门,用制氮车将高纯度氮气（≥99%从首站经第一段管道注入第二段管线内,当氮气注入量
等于该段管子容积时,在放气口处进行检测直至置换合格,确认第二段置换结束;
（5管线第3段、第4段……（第3个至第4个阀门……
依次重复上次过程,直到最后一段置换完成。
（6管线全线氮气置换合格后,
持正压状态。
为此,99%站注入管线内,气,然后静置6h,测得管线2%,管线全线氮气置换合格。
112 整体氮气置换11211 工作原理
从管线首站（起点开始,放空首站发球筒,装入清管器,打开出站阀门,开启末（站端放空口,将高纯度氮气（≥99%从首站注入管线内,用氮气推动清管器前进,同时清管器推动空气前进以达到置换空气的效果,在接收清管器后,从收球筒取样口取样分析,若排出的气体中体积含氧量小于2%,并且连续
3次（间隔为5min,检验达到此值,即氮气置换合格,如图1所
示。
图1 整体氮气置换原理图
11212 置换步骤
（1放空首站发球筒,装入清管器,
打开出站阀门,开启末
站放空阀;
（2开始往首站注入高纯度氮气,推动清管器前进;（3当清管器到达收球筒后,关闭收球筒前的阀门,并停止
充氮气,接收清管器;
（4在接收清管器后,从收球筒取样口取样分析,若排出的
气体含氧量小于2%,并且连续3次（间隔为5min检验达到此值,即置换合格;
（5管线全线氮气置换合格后,使管线内氮气的压力保持
正压力,同11112中步骤（6。
2 隔离氮气置换211 加隔离器置换21111 工作原理
该置换工艺是以天然气为动力、以氮气置换空气、再用天然气置换氮气的方法,通过在首站发送2个中间夹带高纯度氮气隔离段的清管器进行管道段内的空气置换。
在沿途各阀室
监听清管器的到达时间,在清管站和分输站对前端气体到达时间和管内气体浓度进行监测,并记录清管器的收发时间,直至置换合格,如图2所示。
图2
1（1,先装入第一个清管器;
（2开始往首站注入高纯度氮气,推动清管器前进（正常情
况下,氮气压力一般为0104～012MPa方能推动清管器前进;
（3通常情况下,当氮气进入管线长度达到5～6km时,在
首站（起点发球筒内放置第二个清管器;
（4当第一个清管器到达收球筒后,关闭收球筒前的阀门,
停止供气,接收清管器;
（5接收第二个清管器,然后,即可将流程倒成正式投产流
程,正式生产,如果暂时不投产,管线两端阀门均应关闭密封。
212 不加隔离器置换21211 工作原理
不加隔离器的置换工艺,即先从首站向下游管道内注入一定量的氮气,然后通过阀门的开启、关闭向管道内直接注入天然气,通过气体之间的直接接触实现氮气置换空气、天然气置换氮气的投产方案,见示意图3。
图3 不加隔离器氮气置换示意图
21212 置换步骤
（1打开出站阀,开启下站放空口;
（2用液氮车（或其他氮气发生装置将高纯度氮气（≥99%从首站注入管线内（正常情况下,氮气进入管线的压力一
般为0102MPa;
（3通常情况下,当氮气注入管线长度达到5～6km时,再
向首站（起点发球筒内注入天然气推着氮气前进;
（4当管道末端空气和氮气混合气体中的氮气体积百分比
大于98%（即氧气体积含量小于2%,并且连续3次（间隔为5
min对放气口取样都低于此值时,置换合格。
这时可将流程倒
成正式投产流程,进入正式生产。
3 氮气置换方法的优缺点分析311 全线置换和隔离置换
全线置换方式:
一般说来,对于管线投产时间不确定、管线空置时间较长或管线位于城市居民区时,采用全线置换方式。
隔离置换方式:
对于投产时间已确定或氮气气源不足时,可采用隔离段置换方式。
312 加分隔器和不加分隔器
26 PipelineTechniqueandEquipment
May12007
加分隔器:
对于地形简单,地势平坦,且弯头较少的管道,可采用加分隔器置换方式,可以减少混气量,提高置换质量,清管器能进一步清楚管道内的污物,能够使具有收发球筒的站场重新隔离空气、氮气,天然气,但同时为了防止2个清管器在管道内碰撞,需要的氮气量很大,地形复杂地段容易出现清管器停滞的现象,投产过程不易控制。
不加分隔器:
安全可靠,操作简便,对于地形复杂,地势高低交错,且弯头较多的天然气长输管道,采用不加分隔器置换方式,通过气体之间的直接接触实现置换,可减小推动清管器前行的管道内压力,减少混气量,并避免由于清管器的磨损滞,4 注氮操作参数的确定411 注氮温度
温度较低,需对液氮进行加热（或使用氮气蒸发器,氮气蒸发器选择小了易造成出气温度过低甚至过液的危险;选择大了浪费和受到场地的限制,可以使氮气进入输气管道之前温度控制在5～15℃之间,以保证管道材质不受损坏。
412 注氮压力
封存在管道内的提前所注氮气的压力不宜过高,否则,正式置换开始后氮气段自身的扩散会使氮气-空气混气头到达各场站、阀室的时间和预计时间出现偏差。
从置换口注入氮气,注氮气压力一般控制在011～013MPa,注氮压力和注入天然气压力应保持一致,在注氮结束后要马上注入天然气,尽量减小混气段,减少氮气的损失。
直到氮气压力足以保证推动清管器前进,并置换完成后,需保持氮气压力保持正压力。
413 注氮点
从经济上来考虑,因此应尽可能减少注氮点数量,同时要考虑工程的实际进度,未完工的管道可单独置换,站场用氮量少,可用氮气瓶或可利用管道内置换的氮气进行置换。
414 注氮量
（1对于全线氮气置换所需氮气量,其最小理论用量为
[6]
V2=7185×10
-4
D2
L
式中:
V2为全线氮气置换氮气的用量,m3;D为置换管段的管径,mm;L为置换管段的长度,km.
实际用量应为最小理论用量的115～210倍。
（2对于隔离置换法所需的氮气的量为
[5]
V3=7185×10
-7
D2
l
式中:
V3为氮气的用量,m3;D为置换管段的管径,mm;l为氮气所占置换管段的长度,m.
由于l远小于置换管段长度,因此隔离置换工艺的氮气用量V3远小于全线氮气置换工艺。
总地来看,氮气混气量（每个注氮点的注氮期间的氮气混气量和氮气段通过全线时的混气量、沿线场站、阀室置换用氮气量、氮气段到达末站时的剩余量和保险富裕量4部分组成。
注氮时和置换时的混气量一般分别取注氮总量的20%;氮气段到达末站时的剩余量,为确保氮气段经过各场站之前,完成场
站的氮气置换,氮气段到达末站时要有一定的剩余量,该剩余量相当于在012MPa（表压,5℃状态下充满5km管道的体积量,由于注氮期间的氮气混气量和氮气段通过全线时的混气量的计算为借鉴国内其它输气管道的经验,不够成熟,所以,在以上计算的基础上增加一个保险富裕量,其值为由以上3部分计算出的所需氮气量的10%。
可根据公式进行粗略计算。
415 天然气推进速度
在置换中,天然气,如果注入天然气时的、流速高,气体之间的速度不一致,导致混气段增长。
选取的原则如下[6]:
（1在天然气置换时,在层流流态下,一种气体的锲头大量
的进入另一种气体中,形成大量混气。
因此须防止气体流态层流化,为此,引入无量纲理查德系数（R#,是确定在净化过程中是否存在分层现象的一种方法。
R#=（g′・d/v2
ρ
g′=（g・Δρ/ρare（1ρare=（ρa+ρb/2
式中:
R#为无量纲理查德系数;d为管道内径,m;vρ为平均速度,m/s;g为重力加速度,取9181m/s;Δ
ρ为不同气体密度差值,kg/m3;ρa、ρb为两种气体密度,kg/m3
.
根据经验,R#在1～5之间对应的混气量是可接受的,速度越大,R#越小,出现分层的可能性越小;为保证混气量最少,当R#=1时,对天然气-氮气的速度要求为2107m/s,氮气置换空气的速度要求为0159m/s.
在实际作业中,天然气至氮气段和氮气至空气段的置换速度是相同的。
为确保混气段最小,天然气置换氮气再置换空气段的速度v≥2107m/s.
（2尽量保证实际作业可行的情况下,用于置换的时间越
少越好,即天然气推进速度越大越好。
但是,天然气推进速度越大,要求气源供气流量越大,所以天然气的流速要确保不超过气源的供气能力。
5 结论
（1从实际情况出发,根据不同的情况选择最佳的氮气置
换方法;
（2置换前要确保符合置换所必须具备的条件;
（3置换前粗略确定所需氮气量,避免浪费或出现不足的
情况;
（4置换时合理控制注氮温度、压力,应与注入天然气压力
应保持一致,尽量减小混气段,减少氮气的损失;
（5置换时合理控制管道内气体流速,天然气至氮气段和
氮气至空气段的置换速度应是相同的,为确保混气段最小,其流速一般控制在3～5m/s.
6 意见与建议
一方面,目前,氮气置换的各种方法都有各种成功应用的范例,从经济、安全和合理上考虑,进一步开发氮气置换的新方
第3期
谭力文等:
天然气管道氮气置换技术研究
27
法是值得国内外有关单位期待的。
另一方面,虽然氮气置换在国内已有不少得以成功操作实施的经验,但是其置换的操作参数的确定大多都是根据实践应用和经验取得,至今在某些领域还没有准确量化,如注氮速度、混气段长度的准确计算还需要进行深层次的理论研究与计算。
在这些方面,应根据已有实践经验的各种参数的记录、整理和分析,为以后其他管道和压力容器的投产积累更宝贵的经验。
具体可从以下几个方面作出考虑:
（1加强输气管道氮气置换的物理数学模型研究:
针对不同的
置换方法,研究空气、氮气与天然气在流动过程中的物理模型;于流体流动的基本控制方程,建立3边界条件,确定3（2:
在
ANSYS与
PHONEICS等对输气管道氮气置换过程进行数值模拟或仿真计
算,剖析混气段的主要影响因素及其形成机理,提出控制混气
段的有效方法;围绕安全经济操作的目标,确定最优的置换工艺与操作参数;
（3可结合现场试验研究:
基于实际输气管道氮气置换过
程的仿真计算结果与最优操作参数,通过现场试验验证理论计算的正确性,同时完善物理数学模型。
参考文献:
[1] SY/T6233—1996.
[2] SAA/AS3—.澳大利亚.[3],1991.,.管道清洗技术综述.管道技术与
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],张帆.靖边-上海输气管道的投产置换.油气储运,2005,
24（5:
54-57.
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经济性分析.煤气与热力,2002,22（4:
352-356.
作者简介:
谭力文（1982—,硕士研究生,从事油气储运工程工艺与理
论方面的研究。
（上接第22页波。
从图5（a中可看出,当以8/20电流波测量
压敏电阻的残压时,电流波达到峰值Ip的时刻ti,与电压波达到峰值Up的时刻tu并不重合,tu先于ti.由于氧化锌压敏电阻抑制冲击电压作用的延时小于1ns,这是由压敏电阻本身的特性所决定的。
即导通电阻从大到小达到稳态值,则需要较长的时间。
也就是说,在8/20电流波的作用时间内,压敏电阻的电阻值R还在不断地减小,而电压波是每一时刻的电流值i,与该时刻的电阻值R相乘所形成的,因而电压波的峰点与电流波的峰点不会在同一时刻出现。
在压敏电阻的8/20冲击电流试验中,经常会看到图5（b所示的电压波,它一开始有一个尖峰,且波顶明显下倾,这不是压敏电阻真实的限制电压波,而是放电电流的辐射干扰电压和连接线电感电压迭加在正常限制电压上的结果,应改进测试技术,排除这种附加成分。
（a真实的波形（b受干扰的电压波形
图5 8
/20电流波和压敏电阻的限制电压波
5 SPD应用中的电压关系
在低压电源保护用SPD的应用中,涉及到多个电压值,易于混淆。
掌握这些电压值之间的相互关系,对于正确使用SPD十分重要。
SPD的应用涉及到供电电源、冲击源、SPD和被保护对象等4个环节,协调好这4个环节的电压关系是SPD应用技术中的一个重要课题。
对于以压敏电阻作为非线性元件的低压电源用SPD,可用图6来表示各种电压量之间的相对大小关系。
对于供电电源,不仅要注意系统电压的正常波动范围,更要注意供电
系统故障时的最高暂时过电压（TOV,这个电压应低于SPD的允许最大持续工作电压。
就SPD本身而言,要考虑它的直流参考
电压（压敏电阻器的压敏电压Un和标称放电电流下的保护水平。
SPD与放电电流相关的电压有残压、限制电压和保护水平。
对于被保护对象,则要确定它允许的冲击耐压值。
应用SPD的一个基本要求是SPD的保护水平应低于被保护对象的允许冲击耐压值。
从这一要求出发,在应用中倾向于选用限制电压和直流参考电压低的SPD.但另一方面,对压敏电阻器而言,直流参考电压越高,在TOV条件下损坏的概率就越小,承受电源系统电压应力的工作寿命也越长,从这方面考虑,在应用中又倾向于选用直流参考电压高的SPD.显然,上面2个方面的要求是互相矛盾的,在实际工作中应作折衷处理。
特别是当被保护对象允许的冲击耐压与电源系统电压差距不大时,SPD直流参考电压的选定,是个困难的课题,有时不得不采取一些特殊的措施。
图6 低压电涌保护用SPD应用中的电压关系
参考文献:
[1] GeneralElectricCompany.TransientVoltageSuppressionManual.[2] IEEEstd.C62.62-2000.TestSpecificationforSurgeProtectiveDevices
forLow-VoltageACPowerCircuits.
[3] KazuoE.DestructionmechanismofznOvaristorsduetohighcurrents.J.
Appl.phys.1984（11:
2948-2956.
作者简介:
李江（1953—,工程师,从事电气专业技术管理工作。
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