天然氣球罐置換是一項危險性的工作，若置換方案選擇不當或操作失誤，均可能發(fā)生惡性事故造成慘重損失。此外，球罐置換還應考慮經濟問題，若方案不當將造成置換工作量大，費用高。用什么安全、經濟的方法將罐內的空氣置換到允許標準，這是一個值得探討的問題。以下對三種天然氣球罐置換方法進行討論。
天然氣球罐的置換方法
根據目前的技術水平，球罐的置換方法一般有如下三種：
惰性氣體置換法 用惰性氣體先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的惰性氣體，即把惰性氣體作為置換中間介質，這里所說的惰性氣體是指既不可燃又不助燃的無毒氣體。如氮氣、二氧化碳等，均可采用。
此法是先將惰性氣體充滿球罐，加壓到一定程度置換出空氣，直至罐內惰性氣體的濃度達到預定的置換標準為止;然后再以燃氣充滿球罐，同樣加壓到一定程度置換出惰性氣體，從而完成置換程序。這種方法可靠性好，安全系數高，成功性大。對于本身有制氣(惰性氣體)手段和條件的工業(yè)、燃氣行業(yè)普遍采用這一成熟的傳統(tǒng)置換方法。
水置換法 用水先置換球罐里的空氣，再用天然氣置換球罐里的水。此法是先將球罐灌滿水以水排盡罐內空氣，然后再排掉水同時充入燃氣，待罐內水排盡時天然氣也充滿，置換就完成了。這種方法具有安全可靠、成功率高、操作簡單、置換周期短、費用低和還可多臺罐連續(xù)置換等優(yōu)點。但是它要求球罐基礎條件較好，即球罐基礎(基座)可承擔置換重量，同時置換用水浪費較大，對于1000m3以上球罐置換，考慮到球罐基礎條件和置換用水量因素，一般不宜采用此法。
天然氣直接置換法 直接置換就是利用所要儲存的天然氣直接替換出罐內原有的空氣達到合格標準后，球罐即可投入正常運行。
為了保證球罐首次供出的天然氣能滿足安全和用戶的使用要求，一般來講將混合氣中含氧量2%作為置換終點。此時，天然氣與空氣的混合比為9.5∶1。以 10000m3球罐為例，其設計壓力為1.05MPa，設計溫度為-20℃～50℃，工作壓力為0.25～0.95MPa，氣密試驗壓力為 1.05MPa，氣壓試驗壓力為1.21MPa。球罐安全閥啟動壓力為1.05MPa，回座壓力為1.00MPa。向球罐內充裝天然氣，當球罐工作壓力達到0.95MPa時，由氣體定律得知，空氣在球罐內占容積為954m3，天然氣為9046m3。此時球罐內混合氣體的含氧量為2%。這就是說，可以采用只混氣、不放散的特殊處理方式達到轉換目的。這樣做既省時、省事，又省費用。
通過對三種方法的對比，可以看出天然氣直接置換法更為方便和經濟。下面著重介紹天然氣直接置換法。
天然氣直接置換方法
在向球罐內充裝天然氣與空氣混合的過程中，當天然氣的濃度達到5%～15%的爆炸極限范圍時，若遇火源就會發(fā)生爆炸事故。這是用天然氣直接置換的最危險階段。再考慮到壓力、溫度對天然氣爆炸極限的影響，以及天然氣在球罐內與空氣混合時的不均勻性等因素，故可把天然氣濃度在45%以下視為存在爆炸危險。因此，天然氣置換法對操作過程有著更嚴格的要求。
試壓、置換前的準備工作 成立球罐開罐檢查(試壓、置換)工作領導小組，明確人員分工和職責;確定試壓、置換方案，并制定實施細則和具體措施，遵照實施;對與球罐相聯接的管道和設備進行試壓，對閥門、法蘭、焊縫等各種設備和聯接處都進行認真細致的檢查，對有泄漏之處進行處理;聯接好試壓、置換工作所需用的臨時管道和設備，如加氣管、排氣管、空壓機等，并作好其它一切有關的安全防范物資準備工作。
試壓、置換的操作步驟如下：
為了便于指揮、控制，不致操作失誤，在試壓、置換前，首先關閉全部閥門，并加裝盲板，使整個系統(tǒng)成為密閉狀態(tài)。
啟動空壓機，打開加氣管的控制閥門，向球罐充空氣，使壓力先緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力的10%，保壓5～10min并對所有焊縫和連接部位進行初次檢查;如無泄漏可繼續(xù)升壓到試驗壓力的50%;如無異常現象，其后按規(guī)定試驗壓力的10%逐級升壓，直至試驗壓力1.21MPa時，停止加壓穩(wěn)壓半小時。在試壓前應將球罐的安全閥送國家壓力容器檢驗部門將其開啟壓力調至1.21MPa，以確保球罐試壓安全;最后將壓力降至設計壓力，保壓足夠時間進行檢查，檢查期間壓力應保持穩(wěn)定，觀察球罐及基礎均無異常情況，經檢漏液檢查無漏氣、無可見變形即為合格。
試壓合格后進行置換。首先拆下空壓機，打開加氣管的閥門或安全閥進行放空，待與大氣壓相平衡為止，關閉各放空部位的閥門。這時球罐里空氣體積在計算工況(0.1MPa，20℃)下為10000m3。
打開球罐的進(出)氣管上的閥門，向球罐緩慢充氣，流速控制在3m/s以下;當球罐充氣到0.05MPa時，可適當提高充氣速度，流速不超過5m/s;當充裝天然氣到0.1MPa后，關閉進氣閥停止進氣，開啟加氣管上的控制閥緩慢地向外放散，其速度不超過10m/s，表壓為10kPa時停止放散，這時取樣進行分析，確認天然氣含量達到置換標準(50%以上);再次開啟球罐的進氣閥以不超過10m/s流速向球罐充裝天然氣，直至球罐運行壓力0.95MPa為止，置換完畢。
天然氣直接置換法應采取的安全措施如下：
新建天然氣儲配站必須經公安消防監(jiān)督部門和安全生產監(jiān)督管理部門檢查驗收合格后，方可對球罐進行置換。
置換前對球罐和輸氣管道應用流速不小于20m/s的空氣認真吹掃，徹底清除其內部遺留的金屬殘渣等物體。
置換前要認真檢測球罐和輸氣管道的防靜電接地，其接地電阻不得大于10Ω。
置換前要對球罐和輸氣管道上所有開關閥門安全閥、壓力表等設施認真檢查維護，做到堅固、嚴密、有效，并要配備必要的搶修機具、設備和材料。
置換前要對儲配站所有消防設施和器材認真檢查維護，確保完整有效，符合規(guī)定。
置換前要制定周密的置換方案和操作規(guī)程，落實各級領導和各個工作崗位的責任，并要確保置換時指揮聯絡暢通。
置換時要嚴格控制天然氣流速。當球罐內天然氣濃度未達到15%時，流速不得超過5m/s;濃度超過15%時，可適當提高流速，但不應大于10m/s;濃度超過45%時，可將流速提高到20m/s。當球罐工作壓力達到0.95MPa時停止進氣。此時可從球罐排污閥處放出氣體取樣分析，氣體含氧量≤2%時為合格。若氣體含氧量高應從排污閥處緩慢放散一定量氣體，再從進氣閥充進天然氣，待壓力回升到0.95MPa時，停止進氣，然后再作氣體含氧量分析，直到合格。
置換時要在儲配站一定范圍內設置防火安全警戒區(qū)域，禁止一切火源，禁止無關人員和車輛進入。
球罐的天然氣直接置換方法雖然存在一定的危險性，但是通過合理的方法和步驟以及采取各種安全措施協(xié)調配合，完全可以安全地實施置換工作。鑒于天然氣直接置換法的經濟性和方便性，此法應用前景廣闊。
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