天然氣次高壓管網投產置換操作流程探討

摘 要

1 概述 隨著廣東LNG項目的建成投產，廣州、深圳、佛山、東莞、惠州等地實現了天然氣供應。天然氣次高壓管線在整個輸配系統中地位重要，深圳市將建成次高壓(1.6MPa)管網200多
1 概述
    隨著廣東LNG項目的建成投產，廣州、深圳、佛山、東莞、惠州等地實現了天然氣供應。天然氣次高壓管線在整個輸配系統中地位重要，深圳市將建成次高壓(1.6MPa)管網200多km。次高壓管線的順利投產置換是實現安全、穩定供氣的重要環節。本文主要結合深圳市天然氣次高壓燃氣管道置換投產的實施情況，就其操作流程作一個探討。
    次高壓管線與中壓管線的投產置換存在很大的不同：(1)壓力等級不同。次高壓已供氣管道與將投產管道存在壓力差大，按中壓的投產置換方法會對隔離閥造成損壞。(2)投產置換管線長，壓力高，管道內存氣量大，置換中途發生意外時。放散時間長，危險性大，安全要求高。(3)新管道通常存在一定的臭劑吸附。中壓置換管道加臭量不合格時，由于存氣量小，用戶很快用完，不合格氣持續時間短。次高壓管線存氣量大且投產通常比中壓及用戶的天然氣置換略為提前，用戶呈漸增趨勢，不合格氣體持續時間長。(4)要嚴格控制流速。如果流速過快，易在鋼管中引起靜電，造成事故；同時，流速過快還將影響到上游分輸站的壓力、流量的穩定性。
    由于存在以上區別，次高壓管線的置換不能沿用中壓的置換方式，選擇合理、安全的投產置換方式對天然氣的安全投產與運行具有重要意義。
2 投產置換流程的選取
    目前，深圳已投入使用的次高壓管線已達100多km，進行了將近10次投產置換作業。第一次置換是和門站同時進行，在上游分輸站的流量控制下進行，不存在下游有用戶用氣的情況，因此，相對會容易些。通過多次置換。總結了一些實際經驗，制定了較為合理的操作規程，增強了投產置換的安全性。
2.1 投產置換基本流程見圖1。
 

2.2 投產前準備
    投產前準備工作主要包括：(1)資料的移交及閥門啟閉情況的核查。(2)N度中心根據竣工資料做出基礎信息圖、作業圖、置換信息表。(3)操作部門列出備品備料表，做好人機物準備，完成相關審批程序。
2.3 氮氣置換
2.3.1操作人員配備
    氮氣置換分為放散組、注氮組、巡線組操作，為節省人力，在不同時段可調配使用，如放散組人員在完成放散后可加入到巡線組。此外，還有其他輔助部門如安技部人員旁站。監護工人的安全操作及相應安全設施的配備。
2.3.2氮氣置換過程
    對管線、閥門進行巡查后，注氮組在注氮口與液氮瓶及氣化設備連接，控制溫度在5℃以上進行充氮。放散組在放散口檢測氧含量。當氧含量小于3%(檢測3次)即合格。然后進行升壓，通常升至0.2MPa左右。液氮氣化完后，巡線組巡查管線，記錄壓力，保壓24h，并在關鍵部位檢漏。
    調壓站試壓應做過程記錄，完成后通知調度中心，調度中心進行3天的壓力監測。
2.4 天然氣置換
2.4.1操作人員配備
    人員的配備與氮氣置換時基本相同，只是注氮組改為閥門操作組。要加強各操作人員之間的聯系，通過防爆對講機、手機、電話等方式，保證調度中心與閥門操作組、放散組等之間的通訊暢順。
2.4.2天然氣置換過程
    (1) 置換前一天將氮氣壓力降至微正壓(約5000Pa)，并在進氣閥注臭口處注入四氫噻吩。置換開始前對閥門啟閉情況核查，各工作組各就各位，放散組將氮氣放散至微正壓。
    (2) 閥門操作組開啟進氣閥，開啟時應與調度中心配合，以控制流量。調度中心根據門站的瞬時流量，判斷流量是否在控制范圍內，當達到最大流量的70%時通知閥門控制組。每5min～10min與閥門操作組溝通一次，直至閥門全開。
    (3) 放散組在放散點測量可燃氣體濃度，當可燃氣體濃度達到80%以后，并且在3min以內至少3次檢測可燃氣體濃度在95%以上，就認為純天然氣已經到達。根據經驗，天然氣氣頭通常在管道壓力升到0.3MPa左右時到達。
    (4) 當壓力到達0.5MPa時，現場指揮通知閥門操作組關閉進氣閥門，穩壓0.5h。巡線組對管線進行巡查，對關鍵部位進行查漏，如無異常，打開進氣閥，繼續升壓。
    (5) 升壓時應控制流量，減少對上游的影響。升至1.0MPa時，關閉進氣閥，穩壓0.5h。巡線組對管線進行巡查，對關鍵部位進行查漏，如無異常，打開進氣閥，繼續升壓。重復以上步驟，升壓到1.5MPa，停止升壓，穩壓查漏。如無泄漏，則天然氣置換、升壓結束。
    (6) 24h內壓力監測記錄。
    (7) 在整個升壓過程中調度中心應對門站瞬時流量進行監控，與調壓器操作人員密切配合，將流量控制在可控范圍。
2.5 置換后的監測及總結
    在置換后的3天內，調度中心應對壓力監控點進行監測，并做記錄，繪制壓力監控圖。置換完成后各部門資料移交調度中心。調度中心做出置換總結。
3 天然氣置換過程中的幾個關鍵問題
3.1 解決流量可控問題
    由于深圳次高壓管線采用的電動閥為直埋式球閥，與中壓管網閘板閥不同的是，它只存在兩種閥位：開到位和關到位，因此，不能通過它來進行流量控制。
為解決流量可控的問題，可采取管線提前降壓運行及通過閥門放散管上的截止閥進氣的方式。進氣閥詳見圖2。
 

    解決流量可控問題時，應注意管線壓力對流量控制的影響。實踐經驗表明，已供氣次高壓管線的壓力越高，截止閥前后壓力差越大，截止閥的可控性難度越大，氣流聲越大，對截止閥可能會造成一定的損壞。我們分別在管線壓力為1.5MPa和0.8MPa下置換，在1.5MPa時，氣流聲大，閥門手感重，流量可控性差，在剛開始置換時很容易造成流速超出規范要求：當壓差降到0.8MPa左右時，流速的可控性會好轉。在已供氣次高壓管段不長，次高壓管線壓力不要求穩定在1.5MPa的情況下，可采用降壓置換，待已供氣管與將投產管壓力平衡后，采用全線升壓的方式。如已供氣管線長，升壓時間長，且需調節門站調壓器，則建議不采取降壓置換，而在1.5MPa進行置換，只要調度中心與閥門操作組緊密配合，也可以實現對流量的控制。
3.2 置換時對流速(流量)的控制
在解決了流量可控的問題后，需要制定流量控制的相關標準，即在不同的管道壓力下流量應控制的范圍，將規范要求的流速控制折成流量控制，按公式：
 
    Z——壓縮因子；
    d——置換管線段中，管徑較小的管道內徑(m)；
    V——流速(m/s)，置換計算中按5m/s計；
    P——工況絕對壓力(Pa)；
    Q——流量(m3/h)；
    Q標——流量(Nm3/h)；
    計算在不同管徑及不同壓力下的標態流量，詳見表1。
    通過SCADA系統對門站瞬時流量的監測數據，減去前一天對應時段的瞬時流量，即可估算置換管段的流量。結合流量控制表，通過與閥門操作組的密切配合，共同實現流量(流速)的控制。表2是調度中心流量控制的監控表。
表1 天然氣置換流量控制表
置換管段壓力(MPa)
允許增加的最大流量(Nm3/h)
DN300
DN400
DN500
0.2
4181
6577
10508
0.3
5569
8761
13996
0.4
6965
10957
17504
0.5
8369
13166
21035
0.6
9777
15380
24572
0.7
11193
17608
28131
0.8
12615
19846
31707
1
15448
24302
38825
1.2
18374
28905
46180
1.5
22774
35828
57239
注：當不同管徑同時置換時，按小管徑要求控制流量。氣頭到達前按0.2MPa的30%流量控制。
表2 天然氣置換階段流量壓力監控表
日期：*****             填表人：***
置換名稱
寶安大道南線
供氣門站
安托山
置換區域
寶安大道(碼頭路-雙界河)、寶安調壓站支線、寶安調壓站
進氣閥門位置
寶安大道閥室
 
進氣截止閥操作人
 
時間
瞬時流量(Nm3/h)
增加流量(Nm3/h)
監控點壓力(MPa)
備注
09:54
23550
1000
0.007
打開進氣閥
09:58
24231
1020
0.013
 
10:05
24964
1060
0.028
 
┆
┆
┆
┆
 
11:30
30294
3500
0.327
 
11:35
32686
4400
0.385
 
11:40
34272
5520
0.408
燃氣到達，濃度66%
11:45
34816
6400
0.457
 
11:55
35905
6010
0.486
燃氣濃度合格
12:00
28197
0
0.469
關閉進氣閥穩壓，檢測臭劑合格
12:46
21232
700
0.468
開進氣閥升壓
12:53
22269
2300
0.542
 
┆
┆
┆
┆
 
13:32
14882
517
0.796
關閉進氣閥，打開隔斷閥(電動閥)平衡壓力
13:37
11161
2854
0.804
門站調壓，全線升壓
14:19
24789
12429
0.851
 
14:26
23805
12512
0.851
 
14:32
26671
15325
0.871
 
14:39
33649
24980
0.919
 
14:49
39593
28347
1
關隔斷閥，穩壓
15:26
10429
1529
0.993
開隔斷閥升壓
15:37
38446
25735
1.033
 
┆
┆
┆
┆
 
16:43
41320
24958
1.474
升壓完畢，關隔斷閥穩壓
    表2是置換4kmDN500，2kmDN300的次高壓管線，在前一天為平衡日用氣量，已將全線壓力將至0.8MPa。從表中可見在門站調壓器調節升壓的過程中容易存在瞬時流量過高。超出規范要求的情況。如運行管線長，即便選擇用氣低峰時段，升壓時間也較長，不建議專門為置換將全線壓力降低，再進行全線升壓。
    圖3和圖4分別為在1.5MPa和0.8MPa壓力下置換門站流量曲線示例。
 

    可見在門站沒有設限流閥的情況下，通過進氣閥控制流量置換比全線降壓后置換更合理。升壓過程中調壓器的逐步升壓更易造成超流。
3.3 保證新置換管道加臭量合格
    天然氣中臭劑(如四氫噻吩)含量達標是保障安全用氣的重要因素。國家規范對城市燃氣中的臭劑含量有明確規定。通常為20mg/Nm3。如在門站按正常加臭量加臭，由于新投產管道有吸附作用，該置換管道內氣體到達用戶時的含臭量將達不到規范要求：如在門站增加加臭量，則可能使在用管線含臭量過高，市民誤以為是泄漏，出現誤報率升高的情況，增加客服部門的工作量。
    為解決該問題，我們決定在待投產天然氣次高壓管道進氣口端(即用天然氣置換氮氣時的天然氣進氣端)加臭。具體操作方式：在氮氣放散至微正壓時，按50mg/Nm3加臭量，提前從待投產天然氣次高壓管道進氣閥注臭口注進臭劑，利用置換時天然氣的流動，將臭劑沿著待投產天然氣管道帶到下游，這樣既能保證含臭量，又可降低超標臭劑的影響片區，同時可節省臭劑的用量。在注臭劑時應全開球閥，拆下截至閥，避免臭劑腐蝕截止閥內的密封部件。
    在實際運行過程中。我們發現新投產運行管線中臭劑含量衰減嚴重，因此，在日常運行中應對門站、調壓站、中壓管網末端、客戶端的含臭量進行定期檢測，及時調整門站加臭量，保證用戶用氣安全。
4 調度中心在置換投產中的作用
    深圳的門站、高中壓調壓站、次高壓管線閥室均與SCADA系統連接。在調度中心，通過對運行主要參數進行監測，可提高管道運行的安全性；同時，在置換過程中，調度中心利用SCADA系統及時了解管線的運行狀態，并作為各部門、班組的信息溝通樞紐，及時將關鍵數據信息反饋到作業班組，有力保證了置換的順利進行。
    (1) 作為信息中心，在置換前將置換管段的基礎信息提供給置換的相關部門，并初步做出置換作業圖、置換信息表，表中既有管段的概況也有管段關鍵點(指穿越重要河流、橋梁、鐵路及在施工中出現質量問題返工的管段)的情況。在置換完成后，調度中心將移交資料存檔，并做置換總結。置換總結既是對資料的匯總分析，也是重要信息的積累，將在其后的日常運行中發揮重要作用。
(2) 對調壓站氣密性試驗、氮氣、天然氣置換完成后的壓力進行監控，繪制壓力監控圖，使泄漏得以及時發現、及時處理。在1.84MPa的壓力下進行氣密性試驗，法蘭墊片的微量泄漏在24h保壓下，不易發現，但通過SCADA系統2天—3天的壓力曲線對比即可發現泄漏。圖5為金威調壓站氮氣置換后調壓站的進站壓力監控圖。

從圖5中可見.在3天內壓力從1.51MPa降至1.45MPa，存在微漏，通知場站運行部檢查，發現進站閥門法蘭處微漏。
    (3) 按有關規范的要求，置換時的流速應控制在5m/s。通過粗略計算將流速控制折算成流量控制，建立流量控制表，通過SCADA系統門站瞬時流量，結合前一天的流量曲線，算出增量，將增量與流量控制表對比，及時通知現場進氣閥門操作人員進行調整。將流量控制在規范范圍。同時也保證了流量較為平穩，將對上游的影響降到最低。
    (4) 對已投產管線管存進行估算，天然氣置換前一天利用管存氣體供應用戶，將壓力降至0.6MPa。對新置換的管道及已投產管段升壓進氣量進行估算，調節向上游的氣量申報量以配合置換。
5 建議
    通過以上的論述.可以對置換流程提出以下建議：
    (1) 投產置換時應盡量降低進氣閥上下游的壓差。
    (2) 采用在待投產天然氣次高壓管道注臭口加臭既節省臭劑又保證新置換管道的含臭量合格。
    (3) 利用調度中心的遠程監測功能，協助現場指揮及操作人員準確合理完成任務。
    (4) 發揮調度中心的信息功能，在置換時提供相關數據指導操作，在置換后監測壓力控制點，及時發現問題，預防事故發生。同時，在置換完成后，將置換信息匯總到調度中心并做總結，作為信息儲備。
(5) 升壓時間在用氣低谷的下午1時—3時較合適，這樣可以縮短升壓時間。
 
(本文作者：王文想 葉錦業 黎珍 深圳市燃氣集團股份有限公司 518040)