天然气球罐置换方案初探
摘 要：本文通过对天然气球罐几种置换方案介绍、分析和对比，并以学堂堡储配站天然气球罐置换为例介绍，说明天然气球罐可用天然气直接"置换"方法。
随着城市燃气事业的迅速发展，为解决天然气供气不均匀性即日负荷调峰问题，根据重庆的天然气资源、实际环境条件和多年的实践经验证明，一般在储配站按要求宜设置多台球型储罐。目前，重庆燃气有限责任公司共建设了19台球罐，几何容积共23，600m3。同时为满足逐年用气量增加的趋势，还计划在江北区溉澜溪头塘建造6台（每台几何容积为10000m3）球罐的大型储配站。按照国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》的要求，公司每年都有球罐开罐检查的任务，它包括超声波或磁粉探伤、射线照相检查、测厚和球罐表面的防腐处理等工作。并对有缺陷部位进行维修，检查合格后需对球罐进行强度和严密性试验；试压合格后再对球罐进行置换。球罐置换首先要确保球罐的自身安全；其次是确保第一次由球罐中供出的燃气能满足用户的使用要求。球罐置换是一项危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故造成惨重损失。为此，球罐置换的安全问题显得特别重要；其次，球罐置换还应考虑经济问题，若方案不当将造成置换工作量大，费用高。用什么安全、经济的方法将罐内的空气置换到允许标准，这是一个值得探讨的问题。对此发表一些看法和意见，仅供参考。
根据目前的技术水平和储配站的具体情况，球罐的置换方案一般有如下三种方法可以采纳。
1 惰性气体置换法
用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体。即把惰性气体作为置换中间介质，这里所说的"惰性气体"是指既不可燃又不可助燃的无毒气体。如氮气（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、烟气等，均可以采用。
此法具体操作过程是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐时惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止；然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。此法操作复杂、烦琐反复进行两次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气发生费用较高，其换气时间长，工作量大，既不经济且费事。但是它可以确保进人罐内的燃气不会与罐内空气接触，不会形成具有爆炸的混合气体。因此此法可靠性好，安全系数高，成功性大。对于本身有制气（惰性气体）手段和条件的工业、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方案。
2 水置换法
用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。即把水作为置换中间介质。
此方法操作过程是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。因为此法不但确保了进入罐内的天然气不会与罐内空气接触，不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠；而且水比其它惰性气体便宜得多，也很容易解决。而对于储配站内一般都设置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的储水量以及配备的双电源等，这些给水置换带来了良好的条件。若是将置换工作安排在球罐的强度（水）试压会格后进行，即排水的同时进行充气置换，那更是一件很经济的事情。因此此法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础（基座）可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件（因球罐投运多年）和置换用水量因素，一般不宜采用此法。
3 燃气直接置换法
此法操作过程是直接将燃气缓慢通人球罐替换出空气，从而达到置换目的。其置换示意如图1所示。
当置换到一定程度时，从排空管的采样口取样，通过气相色谱仪进行分析，可以确定空气达到预定的置换标准，置换宣告结束。
此方法的特点是比较简便也较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，球罐里必然要产生燃气与空气的混合气体，并且要经历爆炸极限范围。对于纯天然气来讲，它的爆炸极限为5～15％，再考虑到其混合的不均匀性，天然气含量45％以下均应视为危险区，遇火源，就要发生爆炸。为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保无火种，才能安全地渡过其"危险区"。
要确保置换过程中，没有任何火源引爆这极具危险的混会气。为此进行如下分析：球罐的检查入孔、接管（进出气管、排污管）全部是封闭的，不可能由外部投入火种；球罐封闭前进行了开罐检查、试压、清扫等工序，有时还搁置了一段时间，内部不可能有残留火种；罐内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花；唯一可能并需要控制的就是随进罐天然气流"带入"的火种。这种"带人"火种有两种：一是高速气流会因"摩擦"产生静电。但是，由于球罐及管道系统都有良好的接地，即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导人大地，不会有电荷集聚导致高电位，而产生放电火花。二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物品带进球罐，与罐壁、内梯等碰撞产生火花，这种可能性是存在的，这就是危险。根源是高速气流，解决它关键是坚决杜绝高速气流而确保低速；即便有石块等"杂物"，也不会被吹动，也就不可能产生火花了；同时为了避免"杂物"带进球罐，应事先在进气管道上设置"过滤器"。根据暖通资料及管道实际吹扫经验，我们确定将置换球罐用天然气速度控制在3m/s以下并采用流速计或
U型压力表（计）观察球罐升压速度的办法来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。
经上述分析、认识与措施，说明天然气球罐可用天然气直接"置换"；即先少量充气置换后再投入运行。该法必须注意排除其危险性，方法较简单，经济合理。目前我公司以及附近地区各燃气公司球罐的置换工作均采用"天然气直接置换球罐里的空气"方法，历经过了四十多次试验，已积累了一定的经验。
4 燃气直接置换法实例
沙坪坝学堂堡储配站投产于1987年，担负着沙坪坝区民用气调峰任务。站内设置了四台每台几何容积为1000m3的球形储罐，其贮气能力为3.2万m3。按要求1999年对3#、4#球罐进行了开罐检查；而2000年9月份，又对1#、2#球罐进行开罐检查，经重庆市锅检所对其进行超声波或磁粉探伤、X光照片和测厚等检测，并对有缺陷部位进行维修，合格后即进行气压试验，试压介质选用空气。试压合格后随即进行置换，步骤操作如下：
（1）试压、置换前的准备工作
①成立球罐开罐检查（试压、置换）工作领导小组，明确具体的分工，各负其责。
②经过多方研究讨论，确定了试压、置换方案，并制定了实施细则和具体措施，打印成文以便遵照实施。
③对与球罐相联接的管道和设备进行了试压，对阀门、法兰、焊缝等各种设备和联接处都进行认真细致的检查，对有泄漏之处进行处理。
④
（2）试压及置换工艺流程
①在球罐的排污阀（6）之后，加一短节。短节一端采用法兰联接，另一端盲死；在短节两侧各焊一加气管，并装上控制阀（7或8）加以控制，它们与空压机（9）相连。
②以球罐的进（出）气管作为置换的进气管，球罐上的安全放空、增设的加气管（卸下空压机后）作为空气的放空管，也可作为取样点。如图2所示。
（3）试压、置换的操作步骤
①为了便于指挥、控制，不致操作失误，在试压、置换前，首先关闭全部阀门，并加装盲板，使整个系统成为密闭状态。
《天然气球罐置换方案初探》
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随着城市燃气事业的迅速发展，为解决天然气供气不均匀性即日负荷调峰问题，根据重庆的天然气资源、实际环境条件和多年的实践经验证明，一般在储配站按要求宜设置多台球型储罐。目前，重庆燃气有限责任公司共建设了19台球罐，几何容积共23，600m3。同时为满足逐年用气量增加的趋势，还计划在江北区溉澜溪头塘建造6台（每台几何容积为10000m3）球罐的大型储配站。按照国家质量技术监督局颁布的《压力容器安全技术监察规程》的要求，公司每年都有球罐开罐检查的任务，它包括超声波或磁粉探伤、射线照相检查、测厚和球罐表面的防腐处理等工作。并对有缺陷部位进行维修，检查合格后需对球罐进行强度和严密性试验；试压合格后再对球罐进行置换。球罐置换首先要确保球罐的自身安全；其次是确保第一次由球罐中供出的燃气能满足用户的使用要求。球罐置换是一项危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生恶性事故造成惨重损失。为此，球罐置换的安全问题显得特别重要；其次，球罐置换还应考虑经济问题，若方案不当将造成置换工作量大，费用高。用什么安全、经济的方法将罐内的空气置换到允许标准，这是一个值得探讨的问题。对此发表一些看法和意见，仅供参考。
根据目前的技术水平和储配站的具体情况，球罐的置换方案一般有如下三种方法可以采纳。
1 惰性气体置换法
用惰性气体先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的惰性气体。即把惰性气体作为置换中间介质，这里所说的"惰性气体"是指既不可燃又不可助燃的无毒气体。如氮气（N2或液氮）、二氧化碳（CO2）、烟气等，均可以采用。
此法具体操作过程是先将惰性气体充满球罐，加压到一定程度置换出空气，直至罐时惰性气体的浓度达到预定的置换标准为止；然后再以燃气充满球罐，同样加压到一定程度置换出惰性气体，从而完成置换程序。此法操作复杂、烦琐反复进行两次换气，不仅耗用大量惰性气体还耗用大量的燃气发生费用较高，其换气时间长，工作量大，既不经济且费事。但是它可以确保进人罐内的燃气不会与罐内空气接触，不会形成具有爆炸的混合气体。因此此法可靠性好，安全系数高，成功性大。对于本身有制气（惰性气体）手段和条件的工业、燃气行业普遍采用这一成熟的传统置换方案。
2 水置换法
用水先置换球罐里的空气，再用天然气置换球罐里的水。即把水作为置换中间介质。
此方法操作过程是先将球罐灌满水以水排尽罐内空气，然后再排掉水同时充入燃气，待罐内水排尽时天然气也充满，置换就完成了。因为此法不但确保了进入罐内的天然气不会与罐内空气接触，不会产生具有爆炸性的混合气体，绝对安全可靠；而且水比其它惰性气体便宜得多，也很容易解决。而对于储配站内一般都设置了消防水池（栓）、消防泵房，充足的储水量以及配备的双电源等，这些给水置换带来了良好的条件。若是将置换工作安排在球罐的强度（水）试压会格后进行，即排水的同时进行充气置换，那更是一件很经济的事情。因此此法具有安全可靠、成功率高、操作简单、置换周期短、费用低和还可多台罐连续置换等优点。但是它要求球罐基础条件较好，即球罐基础（基座）可承担置换重量，同时置换用水浪费较大，对于1000m3以上球罐置换，考虑到球罐基础条件（因球罐投运多年）和置换用水量因素，一般不宜采用此法。
3 燃气直接置换法
此法操作过程是直接将燃气缓慢通人球罐替换出空气，从而达到置换目的。其置换示意如图1所示。
当置换到一定程度时，从排空管的采样口取样，通过气相色谱仪进行分析，可以确定空气达到预定的置换标准，置换宣告结束。
此方法的特点是比较简便也较经济，但是具有一定的危险性。因为在置换过程中，球罐里必然要产生燃气与空气的混合气体，并且要经历爆炸极限范围。对于纯天然气来讲，它的爆炸极限为5～15％，再考虑到其混合的不均匀性，天然气含量45％以下均应视为危险区，遇火源，就要发生爆炸。为此必须严格控制，采取各种安全措施，确保无火种，才能安全地渡过其"危险区"。
要确保置换过程中，没有任何火源引爆这极具危险的混会气。为此进行如下分析：球罐的检查入孔、接管（进出气管、排污管）全部是封闭的，不可能由外部投入火种；球罐封闭前进行了开罐检查、试压、清扫等工序，有时还搁置了一段时间，内部不可能有残留火种；罐内没有活动部件，不可能因运动、撞击产生火花；唯一可能并需要控制的就是随进罐天然气流"带入"的火种。这种"带人"火种有两种：一是高速气流会因"摩擦"产生静电。但是，由于球罐及管道系统都有良好的接地，即便有静电负荷产生，也会立即通过接地装置导人大地，不会有电荷集聚导致高电位，而产生放电火花。二是高速气流吹动管道中可能残留下来的石块、铁屑、焊条头等固体物品带进球罐，与罐壁、内梯等碰撞产生火花，这种可能性是存在的，这就是危险。根源是高速气流，解决它关键是坚决杜绝高速气流而确保低速；即便有石块等"杂物"，也不会被吹动，也就不可能产生火花了；同时为了避免"杂物"带进球罐，应事先在进气管道上设置"过滤器"。根据暖通资料及管道实际吹扫经验，我们确定将置换球罐用天然气速度控制在3m/s以下并采用流速计或
U型压力表（计）观察球罐升压速度的办法来测量其充气流速，用阀门的开度来控制流速（混气过程中控制阀前的压力要保持稳定）。
经上述分析、认识与措施，说明天然气球罐可用天然气直接"置换"；即先少量充气置换后再投入运行。该法必须注意排除其危险性，方法较简单，经济合理。目前我公司以及附近地区各燃气公司球罐的置换工作均采用"天然气直接置换球罐里的空气"方法，历经过了四十多次试验，已积累了一定的经验。
4 燃气直接置换法实例
沙坪坝学堂堡储配站投产于1987年，担负着沙坪坝区民用气调峰任务。站内设置了四台每台几何容积为1000m3的球形储罐，其贮气能力为3.2万m3。按要求1999年对3#、4#球罐进行了开罐检查；而2000年9月份，又对1#、2#球罐进行开罐检查，经重庆市锅检所对其进行超声波或磁粉探伤、X光照片和测厚等检测，并对有缺陷部位进行维修，合格后即进行气压试验，试压介质选用空气。试压合格后随即进行置换，步骤操作如下：
（1）试压、置换前的准备工作
①成立球罐开罐检查（试压、置换）工作领导小组，明确具体的分工，各负其责。
②经过多方研究讨论，确定了试压、置换方案，并制定了实施细则和具体措施，打印成文以便遵照实施。
③对与球罐相联接的管道和设备进行了试压，对阀门、法兰、焊缝等各种设备和联接处都进行认真细致的检查，对有泄漏之处进行处理。
④
联接好试压、置换工作所需用的临时管道和设备。如加气管、排气管、空压机等；并作好其它一切有关的安全防范物质准备工作。
（2）试压及置换工艺流程
①在球罐的排污阀（6）之后，加一短节。短节一端采用法兰联接，另一端盲死；在短节两侧各焊一加气管，并装上控制阀（7或8）加以控制，它们与空压机（9）相连。
②以球罐的进（出）气管作为置换的进气管，球罐上的安全放空、增设的加气管（卸下空压机后）作为空气的放空管，也可作为取样点。如图2所示。
（3）试压、置换的操作步骤
①为了便于指挥、控制，不致操作失误，在试压、置换前，首先关闭全部阀门，并加装盲板，使整个系统成为密闭状态。
《天然气球罐置换方案初探》
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