大型天然气球罐的置换.docx

大型天然气球罐的置换李清 ,高春梅(北京市公用事业科学研究所 , 北京 100011)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 、ch4 及 o2 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 ;临界甲烷含量中图分类号 : tu996 . 61文献标识码 :areplacement of large natural gas sphere tankl i qing , gao chun2mei( beijing public utility science instiute , beijing 100011 , china)abstract : the replacement medium and concentration , critical oxygen content , critical methane content aredetermined by analyzing the components of inflammable gases and their explosive limits. the suitability and feasibility of replacing methods ( equal pressure , rising pressure) are analyzed and compared. mathematical analysis of pressure , change of methane and oxygen content and their relation , nitrogen gas consumption and replacement time for safe replacement of natural gas spherical gasholder are conducted , and the calculation method are put forward. the rate of injecting of nitrogen gas and venting mixed gases , and influence on gas spherical gasholder are analyzed and researched.key words : gas storage ; natural gas spherical gasholder ; replacement ; nitrogen gas replacement ; critical oxy2gen content ; critical methane content要1 11前言。1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 收稿日期 :2003 - 03 - 10作者简介 :李 清(1963 ) ,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。煤气与热力2003 年328 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 。2 . 1 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 1) 。图 1 中 d ef 为爆炸区域 。甲烷在空气中的爆炸下限为 5 % ,上限为 15 % 。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 41 %的空气 ,则氧气体积分数降低 到 12 . 1 % ,混合气体的爆炸上限和下限在 6 %一点相重合 ,即在氮气置换空气量超过 41 %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 ab h 内 。因此 ,在天然气储罐投产及检 修完成后 ,需充入 41 %的氮气 , 即当测得取样气体 中氧体积分数降低到 12 . 1 %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ab 线 ,由 a 点向b 点方向移动。ab 线为氮气置换空 气的临界线 ,为保证充装 n2 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 。置换的理论依据2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 1 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 1 所示的氮气组 分线求得 。 efg 为甲烷气的爆炸范围 ;临界线 1 为空气 置换燃气的临界线 ; 临界线 2 为燃气置换空气的临界线 ; f 为置换的临界点 ; b 表示甲烷的成分 ; d 表 示空气的成分 ; h 表示氮气的成分 。表 1 天然气组成 、爆炸极限及临界氧含量 (常温常压下)%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 86 . 5 % ,甲烷为 13 . 5 %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 1 中的 cd 线 ,沿 cd 线由 c点移至 d 点。cd 线为临界线 , dch 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图 1 甲烷 - 空气 - 氮气混合物的爆炸范围组分体积分数爆炸极限临界氧条件下体积分数( 添加 n2 )上 限下 限ch495 . 949 415 . 05 . 012 . 1c2 h60 . 907 513 . 02 . 911 . 0c3 h80 . 136 711 . 72 . 011 . 4h2 s0 . 000 245 . 54 . 3co23 . 000 0h2 o0 . 006 2第 6 期李清等 :大型天然气球罐的置换329 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 3 % ,即 认为已达到置换合格标准 ; 用氮气置换 ch4 时 , 当 ch4 体积分数 3 %时 ,即认为置换已达合格标准 。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 。4 升压置换基本参数的确定4 . 1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 。(1) 最大流量的计算置换方式的选择3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2 2 5 ( p1 - p2 ) d q0max=1. 620 p0 l3式中 : q0max最大流量 ,m h ;始端的绝对压力 ,pa ;末端的绝对压力 ,pa ;标准大气压力 ;p1p2p0l管道计算长度 , m ; 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 ,m ;d03标准状况下的氮气密度 ,kgm ;摩擦阻力系数 。(2) 平均流量根据最大流量和最小流量近似计算出平均流量 。q0max + q0minq 0ave 2根据最大流量和平均流量选择氮气蒸发器 。蒸煤气与热力2003 年330 发器的选择十分重要 ,若选择小了易造成出气温度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 。4 . 2 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 99 %以上 。氮气纯度的降低 将会大大地降低置换的成本 。4 . 3 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 p1 越小 ,则p 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 0 . 05 mpa ,二次置换放散结束压力为 0 . 02 mpa ,充氮气结束压力为 0 . 2 mpa 。是要根据所确定的置换极限浓度来确定氮气的纯度 。(4) 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 。(5) 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 。(6) 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 9 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 :1钱信培 ,黄时瑾. 也谈“低压湿式贮气罐的置换”j .煤气与热力 ,1986 , (2) :40 42.马凤美. 烟气置换燃气贮罐各项参数的确定j . 煤气 与热力 ,1987 , (6)