天然氣球罐置換方案化學教學論文

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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。

隨著城市燃氣事業的迅速發展，為解決天然氣供氣不均勻性即日負荷調峰問題，根據重慶的天然氣資源、實際環境條件和多年的實踐經驗證明，一般在儲配站按要求宜設置多臺球型儲罐。目前，重慶燃氣有限責任公司共建設了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。按照國家質量技術監督局頒布的《壓力容器安全技術監察規程》的要求，公司每年都有球罐開罐檢查的任務，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，球罐置換還應考慮經濟問題，若方案不當將造成置換工作量大，費用高。用什么安全、經濟的方法將罐內的空氣置換到允許標準，這是一個值得探討的問題。對此發表一些看法和意見，僅供參考。

根據目前的技術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，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生費用較高，其換氣時間長，工作量大，既不經濟且費事。但是它可以確保進人罐內的燃氣不會與罐內空氣接觸，不會形成具有爆炸的混合氣體。因此此法可靠性好，安全系數高，成功性大。對于本身有制氣（惰性氣體）手段和條件的工業、燃氣行業普遍采用這一成熟的傳統置換方案。

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。

此方法操作過程是先將球罐灌滿水以水排盡罐內空氣，然后再排掉水同時充入燃氣，待罐內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的天然氣不會與罐內空氣接觸，不會產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。而對于儲配站內一般都設置了消防水池（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置換等優點。但是它要求球罐基礎條件較好，即球罐基礎（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定的置換標準，置換宣告結束。

此方法的特點是比較簡便也較經濟，但是具有一定的危險性。因為在置換過程中，球罐里必然要產生燃氣與空氣的混合氣體，并且要經歷爆炸極限范圍。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％以下均應視為危險區，遇火源，就要發生爆炸。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"。

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，內部不可能有殘留火種；罐內沒有活動部件，不可能因運動、撞擊產生火花；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"產生靜電。但是，由于球罐及管道系統都有良好的接地，即便有靜電負荷產生，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、內梯等碰撞產生火花，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，也就不可能產生火花了；同時為了避免"雜物"帶進球罐，應事先在進氣管道上設置"過濾器"。根據暖通資料及管道實際吹掃經驗，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定）。

經上述分析、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，經濟合理。目前我公司以及附近地區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，歷經過了四十多次試驗，已積累了一定的經驗。

4燃氣直接置換法實例

沙坪壩學堂堡儲配站投產于1987年，擔負著沙坪壩區民用氣調峰任務。站內設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）工作領導小組，明確具體的分工，各負其責。

②經過多方研究討論，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對與球罐相聯接的管道和設備進行了試壓，對閥門、法蘭、焊縫等各種設備和聯接處都進行認真細致的檢查，對有泄漏之處進行處理。

④聯接好試壓、置換工作所需用的臨時管道和設備。如加氣管、排氣管、空壓機等；并作好其它一切有關的安全防范物質準備工作。

（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。短節一端采用法蘭聯接，另一端盲死；在短節兩側各焊一加氣管，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，首先關閉全部閥門，并加裝盲板，使整個系統成為密閉狀態。

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；如無泄漏可繼續升壓到試驗壓力的50％；如無異?，F象，其后按規定試驗壓力的10％逐級升壓，直至試驗壓力0.92MPa時（因球罐設計壓力為0.8MPa，實際運行壓力為0.78MPa，試驗壓力為設計壓力的1.15借人停止加壓穩壓半小時，在試壓前應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至0.92MPa（試壓后將其壓力調至設計壓力，但不得超過設計壓力的1.05倍），以確保球罐試壓安全；最后將壓力降至設計壓力，保壓足夠時間進行檢查，檢查期間壓力應保持穩定，觀察球罐及基礎均無異常情況，經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為當地大氣壓，取值0.1MPa）。

（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。其關系式為：

通過以上關系式，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，經球罐置換的幾種方案比較，以天然氣直接置換較為方便、經濟。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調配合，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。