10000M3球罐充气混合浸灌置换的安全
操作实践
陈寿渠
（重庆燃气（集团）有限责任公司 重庆 江北区 400020 ）
何为安全:一个应用正确方法能够控制的操作和使用,而不出任何事故的行为或过程,就叫做安全;何为正确方法呢?通过实践—理论总结—再指导实践,而获得成功应用的方法,就叫做正确方法。
根据《压力容器安全技术监察规程》和《压力容器定期检验规则》的规定，2007年头塘两台3
10000M储罐的开罐首检，在耐压试验合格后，对球罐进行置换储气。为确保球罐中供出的天然气必须满足用户的使用要求，即甲烷含量必须≥85％以上，氧含量必须低于1%以下；并结合集团公司的实际情况，我们采用了充气混合浸灌置换的方法来完成此项工作任务。
1． 充气混合浸灌置换的目的：
1．1 安全、节能、置换操作无泄漏。
1．2 充分运用前几道操作的成果，即保持试压无外泄漏状态。
1．3 实施操作可量化，全程时时监测记录压力变化，数据分析、总结经验可图表反应。 2． 充气混合浸灌置换的安全工作难点和必须掌握的应用技术问题.
由于在用天然气充气渗透混合浸灌置换罐内空气的过程中，天然气与空气的混合气体随着天然气输入量的增加其浓度可达到5～15％的爆炸极限，此时，在常温常压下遇到火种就会发生爆炸；但是在密闭的罐内杜绝火源就不会发生爆炸。所以保持10m/s（气固两相流体分离风洞实验限制流速）以下的充气速度，穿越5～15％的爆炸极限后，再提速充气，直到罐内天然气甲烷的含量大于85％、氧含量低于1%以下；这样既做到了安全充气，又实施了节能减排、快速换气的目的，集团公司经过二十来年的实践证明，这种工作方法是安全适用的。
充灌天然气的爆炸极限范围限制了天然气的充气流速，即天然气在管道内流动时，不能挟带颗粒产生火花或高速流动产生静电；因此充气过程必定存在天然气在爆炸极限范围内充气运动的状况。为保证天然气充气过程的安全运行，控制天然气的充气流速在10m/s以下穿越爆炸极限范围的过程，就成了必须掌握的技术难题。
3. 充气浸灌在爆炸极限工况下的流速控制分析
3．1理论计算充气过程中球罐内天然气、空气体积组份及其压力变化的控制数据。
3
在充气浸灌置换的过程中，球罐内的表压Pb（MPa）随进罐天然气体积V（M）的变化而变化，其变化过程视为等温过程（注：Ｐ0为当地大气压，其值为0.0965MPa）。根据波义耳定律P0V0=P1V1，其关系式为：
Pb=VtP0/Vk Vt=VgVtj/(Vkj+Vtj)
Vt---燃气工况体积； Vtj---天然气计算工况体积； Vk---空气工况体积； Vkj---空气计算工况体积； Vg---球罐的几何容积；
应用以上关系式，理论计算出各个工况下球罐里的天然气、空气体积组份及其压力变化的数据见表1；两罐同时充气的压力变化的数据见表3。
3．2理论计算出安全的充气流速，掌握控制充气浸灌天然气的流量
理论计算选择穿越5～15％的爆炸极限的控制流量（即低于10m/s流速的最大流量），以确保安全地穿越5～15％的爆炸极限；由于爆炸极限的限制，充气浸灌的管流必须是低速度的，由此可认为此时的天然气流动是一维流动；则可应用连续性方程，其关系式为：υ＝V／A ，据此理论计算出各个不同流量下管道内天然气的平均流动速度数据；其流量变化的关联速度数据如表2。
3. 3理论计算安全浸灌的天然气关联流量控制阀的开度数据
根据流量控制阀T1的体积流量公式理论计算出流量与该阀开度的关联数据，以指导浸灌置换的安全充气操作；其流量公式如下：
Q=262FCvP1/(GT)1/2
Q---体积流量； F---阀回复系数； CV---阀流量系数； P1---阀上游压力；
G---气体比重； T---阀上游气体绝对温度；
根据以上公式，理论计算出充灌天然气的流量与该阀开度的关联数据如表4。
3. 4浸灌置换过程的安全性分析
由于浸灌置换过程中必须穿越爆炸极限范围，因混合燃气爆炸的所需条件必须是同时具备三要 素：即密闭空间场所、在爆炸极限范围内、达到着火点的火源；然而浸灌置换在密闭的容器空间内穿越5～15％的爆炸极限范围过程中，为确保天然气在球罐内的扩散流动不挟带颗粒杂质去撞击管壁产生火花或不使其高速扩散流动产生静电，就必须控制进气速度（不挟带颗粒的风洞实验流速10m
3
／s以下），即控制进气流量（2500m／h以内）；造成低压低速的流场环境，破坏了在爆炸极限范围内所必须的三要素条件之一，从而确保充灌运行安全地穿越在混合燃气的爆炸极限范围。危险不可怕，怕就怕找不到消除危险的路径，怕就怕找不到消除危险的方法；降低流速，换来安全运行；牺牲时间，换来安全空间。
4．天然气充气混合浸灌置换的实施
33
4．1为了在(4.76％)1000m～（23.08％）6000m之间(罐内表压0.0048MPa～0.0290MPa之间)，
3
确保充气流速控制在10m/s以内，即流量控制在2500m/h以内；据此理论计算出流量控制阀T1的开度大小、该阀前的压力P1和所控制的临界流量，以此确保安全地穿越5～15％的爆炸极限范围的操作。其浸灌置换流程图如图一：
4．2具体操作步骤：
强度试压和严密性试验合格后，即可进行天然气充气渗透混合浸灌置换。首先将球罐内的试压空气从球罐至放空管放空后，使球罐内的压力降到正常大气压，即球罐内的表压力为零时，关闭放散阀门Q4、Q6，封闭储气球罐。
首先全开两个进罐电动球阀Q5、Q7；其次开启流量调节控制阀T1 (DN300阀)为11.11%最大开度01
（10开度）的开度，全开启Q3电动球阀（DN300球阀）；再调节充气调压器T0的输出表压力P为0.25MPa，使天然气进入球罐的速度保持在10m/s以下流动，即确保以10m/s以下的流速充气；当球
0
罐表压力达0.0048MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为12.22%最大开度（11开度）；当
0
球罐表压力达0.0106MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为13.33%最大开度（12开度）；
0
当球罐表压力达0.0154MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为14.44%最大开度（13开度）；
0
当球罐表压力达0.0212MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为15.56%最大开度（14开度）；
0
当球罐表压力达0.0290MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为16.67%最大开度（15开度）；
当球罐表压力达0.0483MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为20.00%最大开度（18开度）；
0
当球罐表压力达0.0724MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为22.22%最大开度（20开度）；
0
当球罐表压力达0.0965MPa时，调节流量控制阀T1 (DN300阀)的开度为33.33%最大开度（30开度）；当球罐表压力达0.10MPa时，停止进气，进行球罐验漏检查；不漏再继续充灌，此时将流量控制阀
0
T1 (DN300阀)的开度保持在33.33%最大开度（30开度），当球罐表压力达0.1448MPa时，调节充气
1
调压器T0的输出表压力P为0.45MPa（因为是利用低谷用气时间充灌，所以必须控制临界流量阶梯
3
度在20000m/h以内），继续充灌；当球罐表压力达0.2413MPa时，调节充气调压器T0的输出表压力1
P为0.65MPa，继续充灌；当球罐表压力升至0.50MPa时，再次停止进气，进行验漏检查；不漏继续
1
充灌；当球罐表压力达0.5308MPa时，调节充气调压器T0的输出表压力P为0.85MPa，继续充灌；
1
当球罐表压力达0.7238MPa时，调节充气调压器T0的输出表压力P为1.05MPa，再继续充灌球罐，直至球罐运行压力达0.97MPa时，停止充灌并稳压60分鈡后，验漏、检测罐内天然气的质量合格后，充气混合浸灌置换工程完成；实施头塘浸灌充气升压曲线图如图二，头塘浸灌充气升压数据记录表如表五、表六。
图二、头塘浸灌充气升压曲线图
头塘浸罐充气升压图表1200.001000.00800.00600.00400.00200.000.000
P(KPa)8:00:8:0029:9:0003:9:0015:9:0027:9:0039:9:005110:0:00410:0:500:8:000010:0:00017:0:000:1:0000:00T(h) 5． 注意事项：
5．1在穿越天然气与空气的混合气体的5～15％的爆炸极限范围时，要杜绝球罐内产生火花和静电，即只能低速充气混合浸灌置换球罐。
5．2增压充气混合浸灌置换球罐作业完成后，一定要使其达到球罐运行压力0.95MPa以上，检测罐内天然气甲烷的浓度达到85％以上，检测氧含量在1%以下。
5．3充气混合浸灌置换作业完成、稳压60分鈡后，才可输出供气调峰。
5．4必须将电脑流量计的球罐压力、温度检测项调试准确，确保充气混合浸灌置换过程中的记录曲线完整、数据可靠。
5．5 在球罐上安装一台R2008S压力记录仪(杭州美控公司制造)，可做到时时记录和显现充灌压力的变化情况，从而时时家监测了充灌气体的运行工况。
5．6 此置换方法可应用于长输管线的置换输气或者维修更新管网的置换输气。 5．7监检人员要记录详实，并出据充气混合浸灌置换作业检测报告，签字认可。
参考文献：
[1] J.科瓦蔡克等编，《燃气工人技术知识》（第三版），中国建筑工业出版社，1982.7. [2] 《压力容器安全技术监察规程》中国劳动社会保障出版社，1999. [3]《压力容器定期检验规则》国家质量监督检验检疫总局颁布，2004.6 .23
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[6] 苏彦勋、盛 健、梁国伟编，《流量计量与测试》中国计量出版社，1992.8 [7] 苏彦勋、李金海编，《流量计量》中国计量出版社，1991.10
[8] 清华大学郑洽馀、鲁钟琪主编，《流体力学》机械工业出版社，1983.11北京第四次印刷版
[9] 同济大学徐吉浣主编，《燃气测试技术》同济大学出版社，1991.12.第1版
作者简介：
陈寿渠（1949—）男，重庆市垫江县人，中国四川广播电视大学电子类毕业，重庆燃气（集团）有限责任公司工程师，2001年以前任供气分公司经理，2001.6.～2003.1.任集团公司总工程师办公室主任，2003.1.～2006.7.任集团公司技术装备部部长，2006.7.～现在任技术装备部调研员。主办集团公司参评第六届、第七届全国设备管理优秀单位活动工作；主持推广应用“设备管理信息系统”软件。
联系人：陈寿渠 联系电话：13527369333 (023)67853119 电子信箱：chshqu.jiansheng@yahoo.com.cn
2007年12月31日
表2：
流量变化的关联速度数据表 序 号 流量 （V）m3／h 1 2 3 4 5 6 100 500 1000 1500 2000 2500 DN300 DN300 DN300 DN300 DN300 DN300 管 径 流速 （υ）m／s 0.3935 1.9673 3.9354 5.9025 7.8700 9.8375 穿越5～15％的爆炸极限时，可选控制流量。 7 8 3000 3500 DN300 DN300 11.8050 13.7725 备 注
表4：
开度、压力P1变化的关联流量数据表 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 开度（度） 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 300 300 300 300 压力P1（MPa） 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.55 0.75 0.95 流量Q（m3／h ） 2427.71 3537.51 4647.31 5757.12 6866.93 7976.75 8789.75 9599.06 10404.74 11206.76 12005.12 24082.65 37844.16 51605.68 65367.19 备 注 P2b=0.0048MPa P2b=0.0106MPa P2b=0.0154MPa P2b=0.0212MPa P2b=0.0290MPa P2b=0.0483MPa P2b=0.0724MPa P2b=0.0965MPa P2b=0.1448MPa P2b=0.2413MPa P2b=0.5308MPa
表1：
10000M3球罐天然气、空气体积组份及其压力变化理论计算数据表
＼项目 燃气＼ 比率 ＼ 0 0.49% 0.99% 1.96% 2.91% 3.84% 4.76% 5.66% 6.54% 7.41% 8.26% 9.09% 9.91% 10.71% 11.50% 12.28% 13.04% 13.79% 15.25% 16.67% 18.03% 23.08% 25.93% 28.57% 33.33% 42.86% 50.00% 60.00% 71.43% 80.00% 84.61% 88.24% 90.48% 天然气（M3） 工况 （Vt） 0 49.75 99.01 196.08 291.26 384.62 476.19 566.04 654.21 740.74 825.69 909.09 990.99 1071.43 1150.44 1228.07 1304.35 1379.31 1525.42 1666.67 1803.28 2307.69 2592.59 2857.14 3333.33 4285.71 5000.00 6000.00 7142.86 8000.00 8461.15 8823.53 9047.62 计算工况 （Vtj） 0 50 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1800 2000 2200 3000 3500 4000 5000 7500 10000 15000 25000 40000 55000 75000 95000 工况 （Vk） 10000 9950.25 9900.99 9803.92 9708.74 9615.38 9523.81 9433.96 9345.79 9259.26 9174.31 9090.91 9009.01 8928.57 8849.56 8771.93 8695.65 8620.69 8474.58 8333.33 8196.72 7692.31 7407.41 7142.86 6666.67 5714.29 5000.00 4000.00 2857.14 2000.00 1538.46 1176.47 952.38 空气（M3） 球罐表压 计算工况 （Vkj） 球罐试压后，进行放空至大气平衡10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 10000 0 0.0005 0.0010 0.0019 0.0029 0.0039 0.0048 0.0058 0.0067 0.0077 0.0087 控制充气流速 0.0097 0.0106 0.0116 0.0125 0.0135 0.0145 0.0154 0.0174 0.0193 0.0212 0.0290 0.0338 0.0386 0.0483 0.0724 0.0965 0.1448 0.2413 0.3860 0.5308 0.7238 0.9168 以＞10m/s的流速向球罐充气至1.00MPa止 提高充气流速至10m/s充气至0.1MPa时， 停止进气，进行验漏检查，不漏为止 （建议不超过10m/s） 为止 备注 Pb（MPa） 表3：
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