大型天然气球罐的置换

第卷第期煤气与热力236vol.23No.6年月Jun.200320036GasHeat文章编号（）1000-4416200306-0327-04大型天然气球罐的置换.李清，高春梅（北京市公用事业科学研究所，北京）100011摘要通过对可燃气体成分及爆炸浓度的分析，分析了置换介质及其浓度、临界含氧量、临界甲烷含量，并对各种置换方式（如等压、升压等）适用性和可行性进行了分析比较；对置换过程中的压力、及浓CH42度的变化及相互关系，对氮气用量和置换时间进行了分析，并提出计算方法；对充入氮气的速度及排放混合气体及其对储罐的影响进行分析和研究关键词燃气储存；天然气球罐；置换；氮气置换；临界含氧量；临界甲烷含量中图分类号文献标识码TU

996.61AReplacement ofLarge NaturalGas sphereTankLI Qing,GAO Chun-meiBeijing publicutility scienceInstiute,Beijing100011,china AbstractThe replacementmedium andconcentration,critical oxygencontent,critical methanecontent aredetermined byanalyzingthe componentsof inflammablegases and their explosivelimits.The suitabilityand feasibilityof replacingmethodsequal pressure,rising pressureare analyzed and compared.Mathematical analysisof pressure,change ofmethane andoxygencontent andtheir relation,nitrogen gasconsumption andreplacement timefor safereplacement ofnatural gas spherical gasholderareconducted,andthecalculation methodare putforward.The rateof injectingof nitrogengas andventing mixedgases,andinfluence ongasspherical gasholder areanalyzedandresearched.；；；；；key wordsgas storagenatural gassphericalgasholderreplacement nitrogengas replacementcritical oxygencontent criticalmethanecontent1刖球罐置换通常采用水置换和惰性气体置换的方法B前者一般用于小型储罐，而后者则用于大型储罐常用随着天然气的发展及用量的不断增长，大型高压的惰性气体包括二氧化碳、烟气、水蒸气和氮气由于天然气球罐相继建成作为压力容器，储罐的安全十分烟气中含有水蒸气及酸性气体，可能产生酸性物质，对重要，它关系到供气的安全因此，需要定期对储罐进球罐产生不良影响；水蒸气对球罐也会产生锈蚀等不利行开罐检验每一次停产检修前和检修后及储气罐建成影响，水蒸气的产生与传输在现场条件下不太容易实现；投入运行前，均需对罐内气体进行置换，以防止罐内形而氮气是一种惰性气体，利用氮气作为中间介质对球罐成爆炸性混合气体而发生爆炸事故因此，球罐的置换进行置换是一种安全可靠的方法以及置换的安全至关重要［］11对于大容积高压球罐进行安全、经济地置换，并为*冷曹耨方；2李嗫第；虐—L男，北京人，高级工程师，学士,主要从事燃气与暧通技术的研究与开发工作今后的球罐置换积累经验就成为亟待解决的新课题为然气时，如果不添加惰性气体，而直接充装的话，必然此，我们对球罐置换的方法、步骤、工艺流程以及有关要经过爆炸区如果先充入氮气到一定程度后，再充入的理论进行了研究与实践下面就置换中遇到的一些问天然气就能避开这一区域题进行分析和探讨各种可燃气体都有其爆炸极限和相应的临界氧含量（见表图中△为爆炸区域甲烷在空气）1O1DEF置换的理论依据中的爆炸下限为上限为加入氮气后，爆炸下25%,15%o限变化不明显，而爆炸上限则降低如先以氮气置换出的空气，则氧气体积分数降低到混合气体的在对罐内气体进行置换时，如果直接用燃气置换41%

12.1%,爆炸上限和下限在一点相重合，即在氮气置换空气空气或用空气置换燃气，则在置换过程中罐内必定存在6%量超过时，甲烷就失去爆炸性能爆炸上下限相重可能爆炸的燃气一空气浓度范围，即形成爆炸性的混合41%合的一点称为爆炸临界点，是以该点的惰性气体的体积气体为使罐内不形成爆炸性气体，最可靠的方法就是分数来表示的因此，置换合格点即置换终止点一定要利用惰性气体作为置换介质，置换储气罐中的燃气或空大于该点，进入安全区^内因此，在天然气储罐气混合气中的惰性气体含量增加，会缩小可燃气体的ABH投产及检修完成后，需充入的氮气，即当测得取样爆炸范围惰性气体含量增加到某一临界值时，空气或41%气体中氧体积分数降低到以下时，即已完成气体燃气的浓度都不会达到该燃气爆炸范围

12.1%的置换工作，可输入甲烷，其置换过程线为图中的AB有惰性气体的燃气一空气混合物的爆炸范围可用线，由点向点方向移动线为氮气置换空气的A BAB图表示该图的特点是在由某单一成分相对应的顶1临界线，为保证充装过程的安全性，一般要超过临N点所引的直线上，能表示其他两种成分之比，故甲烷与2界线进入安全区内沿氮气组分线进行，直至置换过程结空气的混合物之比能由图所示的氮气组分线求得1束为甲烷气的爆炸范围；临界线为空气置换△EFG1燃气的临界线；临界线为燃气置换空气的临界线；2F表天然气组成、爆炸极限及临界氧含量（常温常压下）%1为置换的临界点；表示甲烷的成分；表示空气的成B D爆炸极限临界氧条件下体积分数组分体积分数分；表示氮气的成分H上限下限（添加）2NCPUC2H

695.

949415.

05.

012.1C3H

80.

907513.

02.

911.0H S

20.

136711.

72.

011.

40.

000245.

54.3—CO2H O—————

23.

00000.0062—空气置换燃气

2.2当检修储罐前需置换出罐内的甲烷气时，其过程与前面所述的过程正相反，也就是当罐内氮气体积分数甲烷为时-，罐内气体就没有爆炸性，这时

86.5%,

13.5%罐内再进入空气，就不存在爆炸范围了其置换过程线为图中的线，沿线由点移至点线为临1CD CDC DCD图甲烷-空气-氮气混合物的爆炸范围界线，△为安全区为安全起见，置换时要超过DCH万方数据1此线进入安全区沿氮气燃气置换空气组分线进行

2.1当储罐内的初始气体为空气，最终在其中充装天根据三角形线图可以合理选择储气罐内气体的置换方式和置换过程，以达到经济、安全的目的实际的用的氮气量少，但较大容积储气罐的置换容易形成死角操作过程中，所有临界参数值应该留有一定的余地，以其对流速的限制相对较大，同时，由于混合气体连续地保证绝对安全因此，在确定最终的置换结束的标准点从罐顶排放，对于可燃气体来说，它的安全性远不如升即合格浓度时应考虑以下几点

①由于来源不同的天压置换方式而且控制阀门很不方便，也不安全，特别然气组成存在一定的差异，相应的爆炸极限也存在一定是在可燃气体的浓度较大时，给检测工作带来不便而的差异；

②取样点的气体与整个球罐内气体的差异；

③升压置换方式则是通过气体的扰动和扩散，达到两种气检测混合气体成分时的误差（包括仪器和观察产生的误体的混合，使被置换的气体得到稀释，此方法所用氮气差）；

④将储罐内空气置换为燃气时，应采用临界氧相对较多，但所受现场条件的限制较少，容易实现至含量作为安全的标准，将燃气置换为空气时，则采用爆于采取哪种方式还要根据现场的具体条件来确定炸下限作为判断标准更为方便；

⑤球罐置换结束后的氮气可用于吹扫罐区内的工艺管线，因此氮气浓度要相升压置换基本参数的确定4应地高一些更安全综合考虑以上几点后，并取一定的安全系数，即当流量的计算方式

4.1以氮气置换空气时，储罐中氧体积分数即认为已43%,达到置换合格标准；用氮气置换时，当体积分C5CH,充氮气开始时，压差最大，此时的流量也最大；随数时，即认为置换已达合格标准43%着氮气的充入，球罐内的压力逐渐升高，因此压差逐渐减小，流量也相对减小，直到充氮结束时，压差达到最置换方式的选择小，流量也最小3）最大流量的计算（1依据上述的置换理论，利用氮气进行置换，其置换过程有两种方式内内/.QJ1,6一是升压置换方法，即在储罐中充入一定数量的式中最大流量，Qmax m3/h;惰性气体，罐内的混合气体不排出，这时储罐内的压始端的绝对压力，；Pi pa力升高升到一定的压力后，停止充气，静置一段时间，通过气体的扩散使其相互掺混然后排放混合气末端的绝对压力，；p pa2体这样反复几次，直至合格为止此方法要求进口标准大气压力；Po—管的流速要相对较大，以使两种气体充分混合对于空气置换燃气，即先用惰性气体置换燃气（称管道计算长度，；将管道变径和阀门等局L——m为一次置换），当混合气体内的甲烷含量达到所规定部阻力近似按当量长度计算，计算长度为当量长的临界浓度时，即完成置换，之后即可充入空气对度与实际长度之和；于燃气置换空气，即先用惰性气体置换空气（称为二管道内径，；D--------m次置换），当其罐内混合气体中的氧浓度在所规定临%—标准状况下的氮气密度，界氧含量以下，即完成二次置换，之后即可充入可燃kg/m3；人一摩擦阻力系数气体平均流量根据最大流量和最小流量近似计算出（）另一种是等压置换方法，该方法是在不断充入惰2平均流量性气体的同时不断地排放出惰性气体与空气混合物，或惰性气体与天然气的混合物，使罐内始终保持一个〃血―a♦稳定邦的压力，直至储罐中的氧气或甲烷含量低于所根据最大流量和平均流量选择氮气蒸发器蒸发规定临界值为止为减少两种气体的相互渗透稀释，器的选择十分重要，若选择小了易造成出气温度要求进口管管径要相对较大以满足较小流速的要求采取升压或等压置换方法各有其优缺点等压法过低甚至过液的危险；选择大了，会造成浪费，也会受通过各种方案的氮气用量和置换时间的分析和5到场地的限制在选择蒸发器时，不仅要考虑最大流计算，确定了比较合理的压力、流速等数据量和蒸发器的额定流量，还要考虑环境温度和湿度对所研究的置换方案在北京燃气集团输配公司小6蒸发器的影响，必要时还要相应采取关小阀门、控制屯、南湖渠、北郊、焦化厂等储配厂的台球罐置换9流量以及控制液氮出口压力等方法中得到了实施，既节省了氮气也节省了时间，是实用性较强的并且安全可靠的方案

4.2氮气纯度的分析由于可燃气体存在爆炸上限和下限，所以，在置换参考文献开始或过程中允许进入少量的氧气，但不能超过爆炸下限，在具体置换中不能超过规定的临界值对于含钱信培，黄时瑾.也谈“低压湿式贮气罐的置换”煤气与热

[1][J].有一定氧气的氮气在此只考虑氧体积分数，不考虑其力，1986,240—

42.他杂质，随着氮气的充入，氮气体积分数不断增加的马凤美.烟气置换燃气贮罐各项参数的确定煤气与热力，

[2][J].同时，带入的氧体积分数也不断地升高，但只要在充1987,626—

28.李长明.气柜置换终止点探讨.煤气与热力，氮气结束，即甲烷浓度达到所规定的临界值后，氧体3][J]1988,6积分数也未超过临界值就可以可以根据临界氧体积39—

40.刘长生，邹永生.低压湿式气柜的天然气置换煤气与热力，

[4][J].分数确定此氮气纯度因此，氮气纯度不必一定要达1989,4:51—

52.到以上氮气纯度的降低将会大大地降低置换的99%邢同春，朱富荣.焦炉煤气的直接置换煤气与热力，5][J].1991,2成本31—

33.

4.3压力的确定

[6]张建新.十万立方米气柜的直接置换[J].煤气与热力,1996,220—

21.对于升压方式，在甲烷临界浓度一定的情况下，放高金华，彭亚伟.煤气逆向置换在焦化厂的应用煤气与热力，

[7][J].散结束压力5越小，则越小，则所用的氮气量越少；Ap1992,437—

39.反之则越多故在实际工程中确定一次置换放散结束孙振刚，王增光.焦炉煤气烟气发生装置的设计及其在气柜置换

[8]压力为二次置换放散结束压力为充中的应用煤气与热力，

0.05Mpa,

0.02Mpa,[J].1992,628—

30.氮气结束压力为彭世尼，孙知音.燃气储罐置换过程的数学分析煤气与热力，

0.2Mpa

[9][J].2000/5:338—

339.刘亚士，罗义英.燃气储罐置换过程的探讨.煤气与热力，

[10][J]论

4.4⑷2001,333—

334.王志峰，曲宪国.关于气柜置换方案的探讨煤气与热力，

[11][J].通过对置换过程及临界浓度的分析，以及各种12001,4340—

341.因素对爆炸极限和临界浓度极限的影响的研究，确定了一次和二次置换结束的甲烷和氧气的合格浓度指标通过对各种置换方案的经济性、适用性、安全2可靠性的分析比较，确立了经济合理且安全实用的置换方案置换介质一氮气的纯度可不必过高，而3是要根据所确定的置换极限浓度来确定氮气的纯度等压置换方法和升压置换方法各有其特点，各4有其适用范围和条件，因此要根据现场的条件，进行合理的选择。