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1、安济天然气长输管道置换投产方案优选及实施石油工程建设2006年8月常兴1,汪春付,姚万利2,卫杰3,陈璞4(1.中石化天然气分公司,山东济南250000;2.中原油田天然气管输处,山东济南250000;3.中原油田建筑安装总公司,河南濮阳457000;4.河南油田油建工程公司,河南南阳473132)摘要:在天然气常用置换方案的基础上,通过对是否采用氮气置换,是否采用清管器隔离进行了论证,认为采用氮气置换可提高管道置换施工的安全性,而加清管器隔离并不是减少混气段的决定因素,因此确定安济天然气长输管道的置换投产方案为天然气一氮气一空气.并从注氮方案,注氮工艺参数,注氮总量,注氮安全措施等方面,重点
2、介绍了安济天然气长输管道的注氮施工方法.实践证明,天然气一氮气一空气置换方案是经济可行,安全可靠的方法.关键词:天然气;长输管道;置换方案;分析;施工方法中图分类号:TE973.07文献标识码:B文章编号:10012206(2006)04002803安平一济南(简称安济)天然气管道工程起于陕京二线安平分输站,止于济南末站,管径为D711mm,长度255km.其管道置换方式的选择关系到管道能否安全,高效,经济,顺利地投入运营.1天然气管道常用置换方案天然气管道常用置换方案有4种:(1)无清管器无氮气方案:天然气一空气(2)有清管器无氮气方案:天然气一清管器一空气(3)无清管器有氮气方案:天然气一
3、氮气一空气(4)有清管器有氮气方案:天然气一清管器一氮气一清管器一空气从以上方案可以看出,有氮气置换即先用氮气置换空气,再用天然气置换氮气,以达到用天然气安全置换掉管道内空气的目的.而加清管器是在不同气体界面间加清管器作为固体隔离介质来进一步隔离气体间的混合.在实际工程中,上述4种方案都采用过,并各有其优缺点.2安济天然气管道置换方案论证管道置换方案的确定主要包括两个方面,一是否采用惰性气体(氮气)隔离置换,二是否采用清管器隔离置换.2.1关于氮气隔离置换的论证采用氮气隔离置换,安全可靠.由于氮气将天然气和空气隔离开来,使天然气不会直接与空气混合,天然气中的空气(氧)含量不会使天然气达到爆炸极
4、限,因而置换安全;还能保持或提高管道的干燥程度,由于液氮的纯度很高(达到99.95%),气化后注入管道中,其含水量极微,水露点很低,但是采用氮气隔离置换成本较高,在置换过程中如果氮气置换不彻底,则有可能进入燃气用户,影响用户的点火和正常燃烧.经分析认为,采用氮气隔离安全可靠,并且根据SY/59222003天然气管道运行规范的要求,也应采用惰性气体隔离置换,所以本工程选用氮气为隔离介质,对投产管道进行置换.2.2关于清管器隔离置换的论证在天然气长输管道气体置换过程中,有清管器和无清管器方案在国内外工程实践中都有采用,现阐述和比较如下:2.2.1国外情况国外大部分管道都采用”气推气”方法,有的是采
5、用天然气推空气进行置换,有的是中间采用惰性气体隔离进行置换.据资料介绍美国的TUSCARORA管道(管径508mm,长365km)和ALLIANCE管道都是采用天然气推空气进行置换的.羊凳$第32卷第4期常兴等:安济天然气长输管道置换投产方案优选及实施292.2.2国内情况国内投产较早的天然气管道,大部分采用的是有隔离清管器方案,并大多数采用了2个隔离清管器.最近投产的几条天然气管道如:涩宁兰,西气东输,忠武线开始采用无隔离清管器方案.加隔离清管器的目的是减少混气段,但是从忠武线置换的结果看,没有采用清管器隔离的混气段反而比采用2个隔离清管器的要短.2.2.3方案分析(1)理论上认为,加隔离清
6、管器并不是减少混气段的决定因素,决定因素应是气体的流速,只有当气体的流态处于紊流状态,才能有效地减少混气段的长度.计算结果表明:气体的流速在35m/s时,混气段的长度为最短.(2)由于气体可以压缩,同时又有管道高差,弯头,管内污物,管道组对间隙和内错边量以及内焊缝高低的影响,因此清管器的运行阻力是变化的,在实际操作过程中,清管器的运行速度难以控制.(3)清管器运行过程中,其密封盘不可避免地与管道内壁发生摩擦,密封盘的过度磨损将造成清管器前后串气,运行速度不能准确计算,难以控制.(4)清管器过盈量的存在,将使密封盘与管壁间产生较大的摩擦阻力,使清管器前后的压差加大,增加了清管器前后的串气量,进一
7、步加长了混气段的长度.(5)采用清管器,会增大工作量,增加投资.根据国内外施工的实际情况和理论分析,我们认为,不采用清管器进行隔离具有更多的优点,因此本工程在置换过程中不采用清管器.2.3置换方案的确定根据上述分析结论,安平一济南天然气管道置换方案确定为采用无隔离清管器的氮气置换方案,其管道内气体的具体结构是:天然气一氮气一空气,即采用”气推气”方式进行置换,其工艺流程如图1所示.3注氮技术方案3.1注氮方案注氮施工可以采用注液氮和注气氮2种不同的方法进行.注液氮时采用液氮泵车(带加热气化装置)或液氮槽车加液氮泵(带气化装置)的气流运动方向N,c空气,天然气氮气甄疑一/Ll含氧量含氧量21天然
8、开始有天然气2%21%含量)9%含氧量2%含氨量开始下天然气天然气含量099%含量100%检测仪器:便携式可燃气体检测仪(0100%)便携式含氧分析仪(025%)图1安平一济南天然气管道置换投产工艺流程方法进行注氮;注气氮时采用吸附式制氮机现场制取氮气后直接注入管道,该方法一般用于氮气耗量较小的工程.根据目前国内管道注氮的情况,一般注氮量较大的管道都采用注液氮方案.因此本工程注氮也采用注液氮方案.液氮纯度应在99.95%以上,且其他腐蚀性组分符合相应的氮气标准要求.本工程置换中所采用的氮气是由液氮气化而来,注氮时采用注氮车供液氮,经过气化器吸热气化后注入管道中.3.2注氮工艺参数3.2.1注氮
9、温度和速度(1)注氮温度.液氮或温度过低的氮气进入管道后,会影响管材的低温强度(低温脆性),另一方面易使阀门等设备泄漏.因此氮气进入管道的温度绝对不能低于5,应控制在525.(2)注氮速度.在满足注氮温度的同时,注氮速度应不低于1.5t/h,过低的注氮速度会造成氮气与空气混合过多.3.2.2注氮总量注氮量主要包括注氮期间的氮气混合量,氮气段通过全线的混气量,沿线场站,阀室置换用氮气量,氮气到达2号阀室(经计算得到的从注氮口开始的合理长度)时的剩余量,保险富裕量.液氮和氮气的换算,氮气按1个标准大气压,5状态计算,1吨液氮转化为1个标准大气压,5状态下的气体体积为808in.管道注氮的范围是陕京
10、二线安平分输站至安平首站联络线,安平首站,安平首站至2号阀室,长度为35km.注氮的位置是安平首站收球筒排污管处石油工程建设2006年8月3.2.2.1管道注氮总量的确定稳定氮气段的形成与注入氮气的压力和置换最初天然气的流量,压力有很大的关系.当天然气开始输送的压力越接近氮气的压力时,这3种气体的混合量就越小.Q=c学番式中氮气加入量/m(标准状态);安全系数,取51O.管道内径/m;一氮气的平均温度/K;天然气的平均温度/K;L需要置换段的距离/m;z_气体的压缩系数;广一天然气出口压力(绝对压力)/MPa;一大气压力,取0.1MPa;广一天然气置换最初的流速m3/min(标准状态);一氮气
11、段前空气段的压力(绝对压力)/MPa;氮气流量,m3/min(标准状态)P0氮气段的压力(绝对压力)/MPa;根据以上公式计算得出在不同的置换压力下所需的氮气量,见表1.表1不同置换压力下所需氮气量置换压力/MPaO.O5O.1OO.1515015m326950m342350m3所需氮气量(标准状态)约26km约35km约44km置换时间/h334656注:天然气进口压力控制在1.0MPa以内根据本条管道沿线设施确定注入氮气段从安平一2号阀室约35km,氮气压力0.1MPa,大约需要氮气量为26950m3.3.2.2.2液氮量计算V=qa/b式中液氮质量/kg;q需要氮气量/m;6标态氮气的摩
12、尔体积,0.0224m/mol;标态氮气的摩尔质量,0.028kg/mol.将数据代人得出:V=33687(kg)确定此次置换过程注液氮总量为33.687t.3.2.3注氮工艺参数液氮压力为常压液氮温度为一196氮气车出口压力0.5MPa氮气车出口流量6O8Om3/min氮气在主管内的流速为1.75m/s氮气在主管内的压力为0.1MPa(表压)氮气出口温度为管壁温度5注氮时间约6h考虑现场准备,收尾等时间,注氮需要一整天时间.3.3氮气监测点分布管道注氮过程中,分7处监测点进行检测,位置分别位于陕京二线安平分输站出口,安平首站,1号和2号阀室,德州分输站,宣章屯分输站及济南末站.3.4注氮安全
13、措施(1)注氮作业现场周围设20m范围的警戒区,有明显作业内容标示和警戒标志,与注氮作业无关人员严禁人内,注氮作业人员应佩带标志.(2)注氮作业人员进入现场前,必须进行安全培训,技术和任务交底,并明确各自职责.(3)进入现场作业要携带便携式氧气检测仪,随时检测氧气量,保持现场通风良好,防止液氮大量泄漏造成人员缺氧窒息.(4)不要触摸液氮低温管线,防止冻伤.4结束语平安一济南天然气管道选用天然气一氮气一空气置换投产方案,经过精心准备,周密实施,仅用了17h就顺利完成了置换投产,没有出现任何泄漏事故,天然气和氮气混气段长度仅500m左右,混气段放空时间约5min,实现点火一次成功.实践证明,天然气一氮气一空气置换方案经济可行,安全可靠.作者简介:常兴(1971一),省承德石油高等专科学校,管理和运行管理工作.收稿日期:20060209男,河南开封人,毕业于河北现从事天然气长输管道的建设
