張玉星， 馬旭卿， 何 毅

(北京市燃?xì)饧瘓F研究院，北京100011)

1 概述

控制置換工程的關(guān)鍵是嚴(yán)格把控置換的工藝參數(shù)。目前對各種參數(shù)在置換過程中的變化及影響規(guī)律研究較少，對置換氣體推動速度也無法精確掌握[1]。本文結(jié)合國內(nèi)外文獻對置換速度的要求，設(shè)計并加工了適用于次高壓及以下壓力級制的燃?xì)夤艿乐脫Q工程的移動計量裝置。

2 城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐脫Q關(guān)鍵參數(shù)控制

2.1 置換工程安全控制要素

靜電防護是安全置換的關(guān)鍵，隨著燃?xì)庠诠艿乐辛鲃蛹涌?，管道?nèi)的雜物會隨著氣流與管道碰撞，導(dǎo)致靜電積聚，一旦達到燃?xì)庾钚≈鹉芰?，極有可能導(dǎo)致事故[2]。在燃?xì)夤艿乐脫Q過程中，通過控制流速或流量的方法可以避免靜電的產(chǎn)生。

國內(nèi)外關(guān)于置換安全控制相關(guān)文獻表明，基于國外相關(guān)實驗得到管道內(nèi)氣體安全流速的公式為[3]：

(1)

式中v——管道內(nèi)氣體的平均流速,m/s

D——管道的公稱直徑,m

2.2 置換高效化參數(shù)控制

在實際工程中，通過保持一定的天然氣推進速度，從而避免天然氣處于管道上層、空氣或惰性氣體處于管道下層而形成分層；同時通過達到一定的推進速度，可以大大縮短置換時間，使得置換工程更加高效。2007年某新建燃?xì)夤艿啦捎弥苯又脫Q法置換時，由于未保證管內(nèi)燃?xì)饬魉伲l(fā)生燃?xì)馀c空氣明顯分層，致使運行人員檢測到管道燃?xì)鉂舛群细窦凑`認(rèn)為置換完成，點火時回火發(fā)生爆炸[4]。

① 方法1

控制兩種氣體不發(fā)生分層，可以通過計算理查德系數(shù)來實現(xiàn)，該方法表達式為[1]：

(2)

式中R——理查德系數(shù)

g——重力加速度,m/s2

d——管道內(nèi)直徑,m

ρa、ρb——分別為兩種氣體密度,ρa>ρb,kg/m3

理查德系數(shù)R在1～5范圍對應(yīng)的混氣量是允許的，理查德系數(shù)隨著氣體平均速度的增大而降低，即產(chǎn)生分層的概率較低[1]。

② 方法2

雷諾數(shù)是判別流動特性的依據(jù)。在管流中，雷諾數(shù)小于等于2 300的流動是層流，雷諾數(shù)大于2 300時屬于湍流[5-6]，其表達式為：

(3)

式中Re——雷諾數(shù)

ρmix——兩種氣體介質(zhì)密度的算術(shù)平均值,kg/m3

μmix——兩種氣體介質(zhì)動力黏度的算術(shù)平均值,Pa·s

通過公式(3)計算可得氣體在管道中流動狀態(tài)，如果處于層流，此時兩種氣體介質(zhì)干擾及混合程度較小，則需要提高平均流動速度，使雷諾數(shù)大于2 300，從而避免兩種氣體分層。同時可以得出管道內(nèi)氣體平均流動速度v的最小值，用于指導(dǎo)置換過程中氣體的推進速度[7-8]。

3 置換現(xiàn)狀、置換計量裝置設(shè)計及試驗

3.1 北京燃?xì)庵脫Q現(xiàn)狀

北京市燃?xì)饧瘓F有限責(zé)任公司(以下簡稱北京燃?xì)?涉及置換工程中的管道長度普遍較短，目前針對次高壓及以下的燃?xì)夤艿?，采取天然氣推動空氣的直接置換法；對于高壓管道采取氮氣推動空氣，隨后天然氣推動氮氣的間接置換法。北京燃?xì)饨Y(jié)合置換工程中的安全因素以及作業(yè)效率的考慮，通過控制置換壓力為5 kPa以內(nèi)，從而在使得置換流速處于安全范圍的前提下保證作業(yè)效率。目前置換工程的連接方式多為在閥門井的兩個放散閥處(接口一般為DN 50、80、100 mm國標(biāo)法蘭)使用不銹鋼軟管連接。

3.2 置換計量裝置設(shè)計及試驗

由于新建次高壓及以下管道置換工程采用天然氣直接置換，會有天然氣與空氣的混合物排入大氣中，但天然氣放散量統(tǒng)計通過理論計算難以實現(xiàn)。在北京燃?xì)饩?xì)化管理及降低供銷差的背景下，結(jié)合北京燃?xì)庵脫Q工程現(xiàn)狀，我們設(shè)計了一套適用于次高壓及以下燃?xì)夤艿乐脫Q工程使用的移動計量橇。該計量裝置安裝在置換工程的燃?xì)膺M氣端，用于計量管道置換的燃?xì)庥昧?。移動計量橇基于小型化、可移動以及滿足置換工程要求的原則，流量計挑選無需前后直管段且無阻流件的超聲波流量計。計量橇設(shè)計為兩路，其中一路為計量路，置換時啟用；另一路為旁通路，當(dāng)計量路發(fā)生故障時、或置換合格后升壓時啟用。

采用上述計量裝置在北京燃?xì)饽程幹脫Q工程現(xiàn)場進行試驗。采用直接置換法，用天然氣直接置換管道內(nèi)的空氣。置換壓力控制為5 kPa，待置換管道長度為3 988 m，管道規(guī)格為DN 500 mm。試驗中，置換壓力、燃?xì)鉁囟?、?biāo)況燃?xì)饬髁繛槿細(xì)馔ㄟ^計量橇中流量計所顯示數(shù)據(jù)。由于壓力較低，因此，工況置換速度近似等于標(biāo)況燃?xì)饬髁砍源脫Q管道流通截面積。置換用燃?xì)鈽?biāo)況體積是指置換開始到置換結(jié)束的燃?xì)庥昧?。燃?xì)夥派?biāo)況體積是通過置換用燃?xì)鈽?biāo)況體積減去管存燃?xì)鈽?biāo)況體積求得，由于置換合格后壓力較低，因此，管存燃?xì)鈽?biāo)況體積近似等于管道容積?，F(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)記錄

通過現(xiàn)場試驗采集相關(guān)參數(shù)并計算得出，工況置換速度為0.72～0.97 m/s，滿足公式(1)計算得出的管道內(nèi)氣體流動平均流速不大于1.13 m/s的要求。

由于天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)大于90%，因此，在計算雷諾數(shù)時用甲烷物理參數(shù)替代天然氣物理參數(shù)。由于置換壓力為4.2～5.0 kPa(絕對壓力為105.525～106.325 kPa)，燃?xì)鉁囟葹?7.6～18.3 ℃，且根據(jù)密度、動力黏度相關(guān)公式得出密度、動力黏度在置換工況下和標(biāo)況(101.325 kPa、25 ℃)下相差較小，為了簡化計算，計算雷諾數(shù)時密度、動力黏度采用標(biāo)況下的數(shù)據(jù)進行計算。經(jīng)查文獻[9]，在101.325 kPa、25 ℃的條件下，空氣及甲烷的密度分別為1.169 kg/m3及0.648 kg/m3，空氣及甲烷的動力黏度分別為18.448×10-6Pa·s及11.067×10-6Pa·s。計算得標(biāo)況下兩種氣體介質(zhì)的密度算術(shù)平均值為0.908 5 kg/m3，兩種氣體介質(zhì)的動力黏度算術(shù)平均值為14.757 5×10-6Pa·s。同時已知管道的內(nèi)直徑為0.5 m，管道內(nèi)氣體平均流速(即工況置換速度)為0.72～0.97 m/s。將以上已知數(shù)據(jù)代入公式(3)，計算得雷諾數(shù)為22 162～29 858。由計算結(jié)果可知雷諾數(shù)大于2 300，屬于湍流狀態(tài)，不存在天然氣與空氣分層現(xiàn)象。

是否可以在保證安全的情況下，通過適當(dāng)加大置換速度進而提高置換效率及減少燃?xì)夥派⒘?，還需要積累更多現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。該試驗還得出該置換工況下，燃?xì)夥派⒘颗c管道容積之比近似為1。通過多次試驗數(shù)據(jù)積累，可以進一步完善燃?xì)夥派⒘颗c管道容積的換算系數(shù)，便于置換工程放散量統(tǒng)計；且對置換過程中及置換結(jié)束后各類參數(shù)收集分析，獲取不同參數(shù)對置換工程的影響規(guī)律。移動計量橇的使用不僅為供銷差統(tǒng)計提供數(shù)據(jù)支撐，也為燃?xì)馄髽I(yè)逐步精細(xì)化管理奠定基礎(chǔ)。