管网置换技术分析

管网置换技术分析

王松

江苏省南林装饰工程总公司210037

摘要：对管网进行整体置换时，通过分析地形、气量、置换主次、检测点等因素，避免管网内出现天然气与空气的混合气体。在无法避免空混气时，应完全避免管内出现静电释放。否则会引起安全事故。目前没有天然气置换的相关规范，笔者结合延川南煤层气已建管网的特点，对管网投运技术进行分析，研究安全投运的技术方法及特点。

关健字:煤层气置换管网投运

1、管网概述

集气管网整体布局采用放射状，将集气站选在了相对靠近井位中心的位置。通过一道道山梁将管线引入集气站。同时每一道山梁上的管线又采取树形结构将范围内的井连接起来，在适当的位置增加阀井，保证各生产井的独立性。采用这种布局可以最大化的减少管网总长度，降低施工难度。其

缺点为，管径种类较多，布局庞大。运营时要熟悉管线的走向和布局，在突发情况时，要切断相关节点，避免大范围停运。

2、置换过程分析

2.1静电的产生

因为不同物体束缚电子的能力不同，当接触的物体很快分离时，部分电子会脱离原物体而留到另一物体上，从而产生静电。当气体在管道内流动时类似于两物体在不停的接触分离，最终产生静电。

煤层气集输管道大量采用PE管，PE管导电性较差。PE管不导电，因此在直接置换时比钢管安全，其实这是一种误解。绝缘性越好，越容易造成电荷积聚。气体越干燥越易产生静电。纯净的气体在管道内流动时不会产生静电，因为移动气体分子所需的能量低于产生的静电的能量。煤层气在排采时经过水力压裂，而压裂对煤层产生的裂缝不可避免的会产生粉尘。煤层气从煤层中解析出来后携带了水滴、粉尘以及其它杂质。经地面流程节流降压，会进一步出现凝结水。这使的煤层气不纯净。煤层气中的水滴、粉尘、油污与PE管材质差异较大，当这些杂质在管道内快速流动时会在局部产生电荷积聚，电荷积聚到一定程度后便会放电。热熔焊的PE管内部并不光滑，会在尖端形成电晕放电，将尖端周围的空气击穿，此种放电释放能量少，引燃能力较小。PE管中使用有钢塑置换接头，以及存在井口地面流程中的焊瘤进入PE管中。这类型的导体与静电非导体之间会产生刷形放电，引燃引爆能力较大。

钢管线内铁屑、石块、焊瘤等与管道剧烈碰撞可能产生火花。钢管道内壁并不洁净，杂质及焊瘤等与管道这个良导体可能接触不良而形成电容，当电荷在电容间积聚到一定程度时，便可击穿气体，产生火花，此类型放电引燃引爆能力较强。

2.2静电防护

在置换过程中，静电是最重要的控制因素之一。而防止静电的最有效办法就是控制置换时的气体流速。在《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》(CJJ51-2006)中规定用燃气直接置换空气，压力不宜大于5kPa，就是为了控制流速。

参照国外实验有关气体安全流速公式[1],

式中v—不产生电荷放电的最大平均流速

d—管道内径；

PE管选用的最小管径为De63，因此由上式计算，直接置换或有空混气时最大流速不应超过3m/s。

2.3气体密度差对置换的影响

在用天然气置换氮气及天然气置换空气时，需考虑不同气体密度对置换的影响。空气的分子量约为29，氮气为28，甲烷为16。质量较轻的气体会浮在上层。因此在出口检测可燃气体浓度达到了100%也不能完全代表置换已经完成。

在地面上水平铺设的管道，因为密度差，管内置换时可能会出现分层，天然气可能在管道上部分流动。下部分的空气或氮气会一直留在下部。因此置换过程中，使气体不但沿管道纵向有流动，横向也有漩涡产生，利用湍流使两种气体均匀混合并一起流动。参照实验数据表2.1，气体产生湍流的最少流速数值如下表2.1：

公称管径/mm湍流流速/(m·s^-1)最小流量/(m³·h^-1)0～1500.60.7151～2000.71.4201～2500.82.4251～3000.93.9301～4501.09.6

实验数据表2.1[2]

在管道落差较大的地带，密度差影响更大，一方面要保证气体处于紊流状态，另一方面要合理选择置换点。假设管线处于垂直的极端情况，用天然气从下端开始置换空气，从上端排空，天然气受浮力影响会上升；相反空气因密度大会加速下沉。这就要求置换速度尽可能的大，以将天然气与空气混合，并一起流动。但如果选择从管线上端向下置换空气，则天然气与空气因浮力影响，分界面更清晰，混合气段更短，不需要担心流速慢的影响。所以应依据气体的物理特性选择合理的置换顺序。

三、置换方法

天然气置换方法可分为3类：直接置换、间接置换和阻隔置换。直接置换是用天然气直接将管道内的空气排出，因为分子扩散、紊流、密度差，天然气与空气形成混合气体，天然气在管道内的分布从100%到0。混合气体的长度受时间、管线长度、管线直径、温度等影响。混合气体的长度越长，越有可能在置换中出现安全事故。

图3.1直接置换

直接置换时也有可能因密度差、死角，总有一部分空气未能被置换，在投运时才被带出，导制安全事故。直接置换最经济简便，但风险也最高。

图3.2天然气置换分层现场

间接置换是先用惰性气体（一般采用氮气）将管道内的空气完全置换出，然后再用天然气置换氮气。本方法安全系数最高，但成本大。对大管网需采用液氮车提供稳定气源。本方法投运速度快，不需要考虑静电影响，可以加大气体流速。

阻隔置换是在天然气与空气之间增加隔离物或惰性气体，使天然气在置换完成之前不能与空气接触混合。从源头消除静电或燃烧时的回火危害。

图3.3阻隔置换

4、管网置换方法

通过对区块内采气井生产的气体取样进行组分分析，结果显示：气体成分主要为甲烷，含量为95.71～99.94%，平均含量98.22%，重烃含量低。

表4.1延川南煤层气组分数据统计表

因此在置换投运时，将煤层气简化成甲烷模型进行分析。放射状的集气管网可以简化成独立的枝状集气管网。现就枝状管网的置换在此进行详细分析。

某区块集气管网平面布置图，集气管网的管径与采气井产量和管线长度有关。所谓干线、支线只是笼统的称呼，并无明显的区分。可依次选择管径最大并相互串联的一条线做为干线，其余称支线。如：终点-9-5-3做为主干线。根据如图所示管径长度计算出主干线容积约为82m3。进行氮气置换时，应先主后次，依次进行。可以选择任意一个点做为氮气注入点。因氮气比空气略轻，选择时应尽量选择地势较高的地方向低地势方向置换。置换氮气用量约为管线容积的1.5倍，当在放散点检测氧气含量低于2%时，则置换合格。主干线置换完成后，再分别打开支线进行置换，在气量充足时，支线可多条同时进行放散。如气量不足，支线同时放散过多可能会引起倒吸。支线放散过多，也会导制无法估算置换时间。

当氮气置换完成后，进行最关键的天然气置换。置换过程中要控制最低、最高流速，并对钢管段进行有效接地。天然气置换有两种方式；1，当每个井都产气，且气量足够置换时，根据支线容积，利用采气井地面流程流量计将2倍容积的天然气置换入网，然后井口关闭或保持微正压。所有支线全部入网完成后，从主干线始端向终点进行置换，终点检测可燃气含量大于95%则投运完成。2，当部分井未见气，则需先对主干线进行置换，主干线置换完成后，通过主干线向每个支线置换，在井口流程进行检测。每个井口检测合格后，投运结束。

5、结束语

通过以上分析可知在天然气投运过程中，主要控制两点，一个是控制天然气与空气的混合气出现，另一个是控制静电的产生。在操作中要充分考虑气体的密度及地形条件。选择合适的置换顺序可达到事半工倍的效果。甲烷在空气中的爆炸极限为5%-15%，但压缩甲烷的爆炸范围会扩大。因此在整体投运完成后，应利用站区放空火炬进行一段时间放散。将管网内空混气完全排出。

6、参考文献

[1]IGE/SR/22，英国气体工程师学会标准——燃气在传输分配和贮存过程中的置换操作[S].

[2]刘晓涛，汪海波.浅析环路燃气管道安全置换[J].城市燃气，2006，(5)：15-18.