燃?xì)夤艿乐脫Q關(guān)鍵參數(shù)控制及計(jì)量裝置設(shè)計(jì)

張玉星， 馬旭卿， 何 毅

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)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(duì)各種參數(shù)在置換過(guò)程中的變化及影響規(guī)律研究較少，對(duì)置換氣體推動(dòng)速度也無(wú)法精確掌握[1]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)置換速度的要求，設(shè)計(jì)并加工了適用于次高壓及以下壓力級(jí)制的燃?xì)夤艿乐脫Q工程的移動(dòng)計(jì)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(hù)是安全置換的關(guān)鍵，隨著燃?xì)庠诠艿乐辛鲃?dòng)加快，管道內(nèi)的雜物會(huì)隨著氣流與管道碰撞，導(dǎo)致靜電積聚，一旦達(dá)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(guò)程中，通過(guò)控制流速或流量的方法可以避免靜電的產(chǎn)生。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于置換安全控制相關(guān)文獻(xiàn)表明，基于國(guó)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(chēng)直徑,m

2.2 置換高效化參數(shù)控制

在實(shí)際工程中，通過(guò)保持一定的天然氣推進(jìn)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(shí)通過(guò)達(dá)到一定的推進(jìn)速度，可以大大縮短置換時(shí)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(shí)，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(yùn)行人員檢測(cè)到管道燃?xì)鉂舛群细窦凑`認(rèn)為置換完成，點(diǎn)火時(shí)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(guò)計(jì)算理查德系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法表達(dá)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(bǔ)、ρb——分別為兩種氣體密度,ρa(bǔ)>ρb,kg/m3

理查德系數(shù)R在1～5范圍對(duì)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(dòng)特性的依據(jù)。在管流中，雷諾數(shù)小于等于2 300的流動(dòng)是層流，雷諾數(shù)大于2 300時(shí)屬于湍流[5-6]，其表達(dá)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(dòng)力黏度的算術(shù)平均值,Pa·s

通過(guò)公式(3)計(jì)算可得氣體在管道中流動(dòng)狀態(tài)，如果處于層流，此時(shí)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(dòng)速度，使雷諾數(shù)大于2 300，從而避免兩種氣體分層。同時(shí)可以得出管道內(nèi)氣體平均流動(dòng)速度v的最小值，用于指導(dǎo)置換過(guò)程中氣體的推進(jìn)速度[7-8]。

3 置換現(xiàn)狀、置換計(jì)量裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

3.1 北京燃?xì)庵脫Q現(xiàn)狀

北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北京燃?xì)?涉及置換工程中的管道長(zhǎng)度普遍較短，目前針對(duì)次高壓及以下的燃?xì)夤艿溃扇√烊粴馔苿?dòng)空氣的直接置換法；對(duì)于高壓管道采取氮?dú)馔苿?dòng)空氣，隨后天然氣推動(dòng)氮?dú)獾拈g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(guò)控制置換壓力為5 kPa以?xún)?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(mén)井的兩個(gè)放散閥處(接口一般為DN 50、80、100 mm國(guó)標(biāo)法蘭)使用不銹鋼軟管連接。

3.2 置換計(jì)量裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

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(huì)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(jì)通過(guò)理論計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)。在北京燃?xì)饩?xì)化管理及降低供銷(xiāo)差的背景下，結(jié)合北京燃?xì)庵脫Q工程現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)計(jì)量橇。該計(jì)量裝置安裝在置換工程的燃?xì)膺M(jìn)氣端，用于計(jì)量管道置換的燃?xì)庥昧?。移?dòng)計(jì)量橇基于小型化、可移動(dòng)以及滿(mǎn)足置換工程要求的原則，流量計(jì)挑選無(wú)需前后直管段且無(wú)阻流件的超聲波流量計(jì)。計(jì)量橇設(shè)計(jì)為兩路，其中一路為計(jì)量路，置換時(shí)啟用；另一路為旁通路，當(dāng)計(jì)量路發(fā)生故障時(shí)、或置換合格后升壓時(shí)啟用。

采用上述計(jì)量裝置在北京燃?xì)饽程幹脫Q工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。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(zhǎng)度為3 988 m，管道規(guī)格為DN 500 mm。試驗(yàn)中，置換壓力、燃?xì)鉁囟?、?biāo)況燃?xì)饬髁繛槿細(xì)馔ㄟ^(guò)計(jì)量橇中流量計(jì)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(kāi)始到置換結(jié)束的燃?xì)庥昧?。燃?xì)夥派?biāo)況體積是通過(guò)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(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集相關(guān)參數(shù)并計(jì)算得出，工況置換速度為0.72～0.97 m/s，滿(mǎn)足公式(1)計(jì)算得出的管道內(nèi)氣體流動(dòng)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(jì)算雷諾數(shù)時(shí)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(duì)壓力為105.525～106.325 kPa)，燃?xì)鉁囟葹?7.6～18.3 ℃，且根據(jù)密度、動(dòng)力黏度相關(guān)公式得出密度、動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)密度、動(dòng)力黏度采用標(biāo)況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)查文獻(xiàn)[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(dòng)力黏度分別為18.448×10-6Pa·s及11.067×10-6Pa·s。計(jì)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(dòng)力黏度算術(shù)平均值為14.757 5×10-6Pa·s。同時(shí)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(jì)算得雷諾數(shù)為22 162～29 858。由計(jì)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(guò)適當(dāng)加大置換速度進(jìn)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(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)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(guò)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，可以進(jìn)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(jì)；且對(duì)置換過(guò)程中及置換結(jié)束后各類(lèi)參數(shù)收集分析，獲取不同參數(shù)對(duì)置換工程的影響規(guī)律。移動(dòng)計(jì)量橇的使用不僅為供銷(xiāo)差統(tǒng)計(jì)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)。