摘 要

結合筆者主持或參與制訂國內外輸氣管道投產(chǎn)方案的實踐， 歸納總結了近 10 余年來我國輸氣管道投產(chǎn)的部分經(jīng)驗，介紹了在輸氣管道投產(chǎn)方案編制中的一些創(chuàng)新做法。

 摘　要：自我國第一條長距離大口徑輸氣管道——西氣東輸一線投產(chǎn)以來，在輸氣管道投產(chǎn)工作方面已進行了大量的嘗試，積累了許多寶貴經(jīng)驗，但還普遍存在著一些問題，如投產(chǎn)所需注氮量的確定還僅憑經(jīng)驗沒有量化計算公式、在氮氣置換中存在較多沒有必要的操作等。結合筆者主持或參與制訂國內外輸氣管道投產(chǎn)方案的實踐，歸納總結了近10余年來我國輸氣管道投產(chǎn)的部分經(jīng)驗，介紹了在輸氣管道投產(chǎn)方案編制中的一些創(chuàng)新做法。包括自創(chuàng)了輸氣管道投產(chǎn)所需注氮量的計算公式，將輸氣站場的并列管道依次氮氣置換方式改為同時置換方式，取消了站場放空和排污管線的氮氣置換，歸納總結了氮氣置換操作中的多項技巧。這些創(chuàng)新既有科學依據(jù)又有以往投產(chǎn)實際經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的支持，在保證投產(chǎn)安全前提下極大地簡化了輸氣管道投產(chǎn)期間的現(xiàn)場操作，輸氣站場氮氣置換的時間也大大縮短，同時還節(jié)約了大量的氮氣，具有明顯的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：輸氣管道投產(chǎn)  氮氣置換  經(jīng)驗  問題  量化注氮量  簡化操作  創(chuàng)新  經(jīng)濟效益

Principles of and tips for the nitrogen gas displacement in the gas pipeline debugging practices

Abstract：Since the West to East Pipeline l was put into production，operators have tried in many different ways and collected many valuable experiences．However，there still exist some problems．For example，the injected nitrogen quantity was determined only by experience but not by quantitative calculation formula；much unnecessary work has been done in the nitrogen displacement process．Therefore，we summarized our personal experiences from various scenarios at home and abroad over the past decade and introduced some innovative methodologies in the programming of pipeline debugging schemes．The calculation formula was first developed for the required nitrogen quantity in the debugging process；the in-turn nitrogen displacement was displaced by the simultaneous way for the paralleling pipes at the stations；nitrogen displacement was abolished for vent and drainage pipelines；and many other tips were concluded for the nitrogen displacement process．Supported by the previous practices and data，the above innovative methodologies help not only to simplify the on-site operation on the premise of safe production but to shorten the nitrogen displacement time to a large degree and meanwhile to save a great quantity of nitrogen gas，as a result，the economic benefit is significantly enhanced．

Keywords：Gas pipelines debugging；Nitrogen displacement；Experience；Problem；Nitrogen quantity；Simplified operation；Innovation；Economic benefit

1　輸氣管道投產(chǎn)過程概述

輸氣管道投產(chǎn)是指將管道中的空氣全部替換為天然氣并升壓至所要求的壓力，然后進行72h試運行的過程。先用惰性氣體(通常為氮氣)置換空氣，然后用天然氣置換氮氣[1-15]。為了節(jié)省氮氣，不是將管道全部充滿氮氣而是將氮氣注入首站至某一干線截斷點之間的管道中封存。管道進天然氣后推著氮氣段進行全線置換，通常采用干線和站場同時置換的方式，即純氮氣段經(jīng)過中間站場期間完成站場置換。由于上游供氣壓力較高，投產(chǎn)期間需用首站壓力調節(jié)閥對天然氣進行節(jié)流降壓，為了避免節(jié)流降壓后管道產(chǎn)生冰堵，節(jié)流降壓可能不止一級，也可在調壓閥上游注入甘醇以降低天然氣水露點。天然氣到達末站后全線開始分臺階升壓直至最終達到所要求的壓力值。

2　輸氣管道投產(chǎn)部分經(jīng)驗總結及簡化投產(chǎn)的方法

2．1　輸氣管道投產(chǎn)充氮量和干線注氮長度的計算

輸氣管道投產(chǎn)充氮量指注氮結束后管道中封存的純氮氣量(換算成零表壓和實際溫度下純氮氣的體積)，干線注氮長度指在微正壓(量化為0.02MPa表壓)和實際溫度下投產(chǎn)充氮量對應的干線長度。

國內輸氣管道投產(chǎn)確定干線注氮長度的通常做法是取管道總長度的某個固定百分比，這種方式主要存在2個問題：①實踐證明，投產(chǎn)過程中氮氣段兩端的混氣段在達到一定長度后再增加就很緩慢，所以干線注氮長度的增加與干線總長度的增加不成正比，比如，1000km管道所需干線注氮長度明顯小于500km相同管徑管道所需干線注氮長度的2倍；②若中間站場數(shù)量和類型不同，同樣長度和管徑的輸氣管道投產(chǎn)所需干線注氮長度是不同的。

筆者于2008年根據(jù)科學的計算結合實際投產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)明了一個投產(chǎn)充氮量及干線注氮長度計算公式，公式如下。

投產(chǎn)充氮量：

Q封存＝(25000+50L總)S+3V  　　  (1)

干線注氮長度：

L注氮＝(Q封存-1.2V1)/1200S 　　　(2)

式中Q封存為投產(chǎn)充氮量(零表壓和實際溫度下的體積)，m3；L注氮為投產(chǎn)充氮量在0.02MPa表壓和實際溫度下對應的干線管道長度，km；L總為干線總長度，km；S為干線管道平均內橫截面積，m2；V為氮氣封存段以外所有站場管容總和，m3；V為氮氣封存段中包含的站場管容總和，m3。

式中的“1.2”和“1200”為與0.02MPa表壓有關的換算系數(shù)；“3”表示站場氮氣置換消耗的氮氣量為站場管容的3倍；“25000”和“50”為筆者經(jīng)過反復試驗后確定的經(jīng)驗系數(shù)。

式(1)和式(2)的主要適用條件：①干線長度范圍為200～1500km；②干線投產(chǎn)時，若支線和干線同時投產(chǎn)，干線計算結果應加上支線單獨投產(chǎn)所需的充氮量；③干線為等管徑；④如果沒有中間站場或中間站場只有單一清管站，取計算結果的70％～80％。單一清管站可近似看作為閥室，因為可以通過適當?shù)牧鞒淌垢删€氣流貫穿其主要流程。

為了驗證式(1)和式(2)的實用性，選取了2種管徑和5種干線長度的輸氣管道，按式(1)和式(2)計算出干線注氮長度，結果見表1、2。

 

 

計算結果顯示，計算所得干線注氮長度占干線總長度的比例不是固定百分比，干線越長比例越小，符合實際投產(chǎn)情況。

值得指出的是，表1和表2中不同管徑管道計算結果略有不同，根據(jù)投產(chǎn)經(jīng)驗，注氮長度這么小的差別不會對投產(chǎn)產(chǎn)生影響。

為了進一步證明式(1)和式(2)的實用性，將近10年來已投產(chǎn)的部分輸氣管道實際注氮長度和由式(1)和式(2)計算出的理論注氮長度(L)進行了比較，結果見表3。

 

從表3數(shù)據(jù)可看出，已投產(chǎn)的多條輸氣管道的干線注氮長度和由式(1)和式(2)計算出的干線注氮長度很接近，誤差在不影響投產(chǎn)的范圍內，進一步證明了式(1)和式(2)的實用性。另外，某些已投產(chǎn)管道的實際干線注氮長度明顯大于計算干線注氮長度，但氮氣置換結束后剩余的純氮氣較多，說明實際投產(chǎn)充氮量過多。

2．2　站場并列管線氮氣置換方式的優(yōu)化

輸氣站場中并列管線比較普遍，如圖1中并列的3路計量管線。2003年之前，國內輸氣管道投產(chǎn)時站場并列管線置換一直采用依次置換方式，如圖1所示，置換第1路管道時需關斷其他2路，以此類推再分別置換第2路和第3路。依次置換的依據(jù)是認為氣體通過并列管線中較小管徑管道的時間遠大于通過較大管徑管道的時間。

 

依次置換方式具有如下缺點：①需要操作的閥門過多；②需要的操作人員較多；③站場氮氣置換時間長，站場氮氣消耗量和天然氣放空量大。由．于干線和站場一般同時氮氣置換，所需干線純氮氣段長度也較大(圖2)。

 

2003年在編制西氣東輸一線東段管道投產(chǎn)方案時，筆者首次采用了站場并列管線同時氮氣置換方式，以圖1舉例，氮氣置換前將3路管道上的6個球閥全部打開，投產(chǎn)時同時置換3路管道。

并列管線同時氮氣置換方式的依據(jù)：投產(chǎn)氮氣置換期間站場壓力為0.05MPa，在這樣的壓力下，站場并列管線上下游壓差小到無法檢測，難以計算氣體通過并列管線中各種管徑管道的時間。筆者在以往的現(xiàn)場作業(yè)中曾粗略地檢測過在壓力很低(0.1MPa)的情況下，天然氣通過并列管線中各種管徑管道的時間相差很少。在有現(xiàn)場依據(jù)的前提下，決定在西氣東輸一線東段管道投產(chǎn)中首次嘗試這種氮氣置換方式。投產(chǎn)實測結果，站場l組并列管道管徑相差懸殊，最大管徑為250mm，最小管徑為50mm，長度約為30m，純氮氣通過這2種管徑管道的時間相差不到1min，而如果整個站場均采用依次置換方式而多出的置換時間可達0.5～1h，可見并列管線同時氮氣置換方式節(jié)省的時間極為明顯，置換得更充分。

2003年以后，筆者將站場并列管線同時氮氣置換方式成功地推廣到了其他近10條國內外輸氣管道的投產(chǎn)，對簡化投產(chǎn)起到了很好的作用。但到目前為止，國內輸氣管道行業(yè)還有不少地方仍然在沿用站場并列管線依次氮氣置換方式。

2．3　投產(chǎn)期間可以不進行氮氣置換放空和排污管線

為了進一步節(jié)省站場投產(chǎn)氮氣置換時間，2006年筆者在投產(chǎn)方案編制中取消了站場放空管線和通往排污池的排污管線的氮氣置換(如果站場設置了排污殘液罐，由于其處于密閉狀態(tài)，通往殘液灌的排污管線需進行氮氣置換)，多次投產(chǎn)實踐證明這種做法是安全的。這種做法的依據(jù)：放空立管頂端和排污池壓蓋上通氣管頂端均與空氣直接相通，而且分別為放空和排污管線的最高點，由于天然氣密度小于空氣密度，天然氣和空氣在最高點處不斷交換，正常運行期間，放空和排污管線內存在大量空氣甚至可能全部為空氣(得到過實際驗證)，而運行期間經(jīng)常在高壓下直接放空和排污作業(yè)(規(guī)程允許)，但迄今為止還沒有發(fā)生過站場因為正常放空和排污發(fā)生事故的案例。如果進行氮氣置換，放空和排污管線內很快又會充滿空氣。

近年來，站場低壓放空管線上加裝了止回閥，但放空立管之前的放空總匯管中平常仍然充滿了大量空氣，因此，放空管線仍然可以不進行氮氣置換。

2．4　注氮口選擇的安全性

輸氣管道投產(chǎn)一般采用液氮車注氮，1t液氮實際轉化為約750m3的氮氣(1個標準大氣壓下和5℃條件下)，通常實際注氮流量(液氮)最高可達約6t／h(4500m3／h)。注氮口常選在清管收(發(fā))筒管徑為50mm的放空管或注水管上，6t／h流量下氮氣在管徑為50mm注氮管(按常用規(guī)格Æ60mm×5mm)與清管器收(發(fā))筒相連處的氣流速度接近636m／s(相連處壓力接近于零)，如此高速氣流有可能對注氮管內壁產(chǎn)生較大損傷。雖然迄今為止還未發(fā)現(xiàn)此類用于注氮管徑為50mm的管段發(fā)生過問題，但由于正常運行時此類管段不帶壓，因此，沒出問題并不證明這些管段未受損傷。

在審查他人所做投產(chǎn)方案時，筆者曾阻止過欲將注氮口選在站場主管線閥門管徑為50mm旁通管上的做法，這種做法存在以下隱患：①可能因氮氣流速過高而損傷旁通管內壁，該旁通管的直彎道還可能會加劇損傷；②注氮期間旁通管管徑小難以固定，注氮氣時的強烈振動容易對旁通管與主管道之間的焊口產(chǎn)生損傷；③投產(chǎn)后正常運行期間該旁通管與主管線相通，一旦旁通管出現(xiàn)問題會造成重大安全事故。

若將注氮管管徑增大為80mm(按常用規(guī)格Æ89mm×5.5mm)，液氮流量為6t／h、管徑為80mm的注氮管中的最高氣流速度接近262m／s，比起636m／s有了大幅度的降低。因此，若注氮管段在投產(chǎn)后正常運行時不能與主管線隔斷，建議所選注氮管直徑不應小于80mm。

2．5　調整氦氣段流速減少惡劣條件下的投產(chǎn)時間

如果投產(chǎn)期間遇上惡劣條件(如雷雨大風、惡劣路況等)時，交通、天氣等不利因素就成為突出的安全問題，此時，可以適當提高氮氣段流速、減少投產(chǎn)時間來規(guī)避風險。提速依據(jù)：《SY／T 5922—2012天然氣管道運行規(guī)范》中規(guī)定：“投產(chǎn)置換過程中管道內氣流速度不宜大于5m／s”。說明5m／s的速度限制是一個安全富余量比較大的數(shù)據(jù)。在筆者參加的某輸氣管道投產(chǎn)中，因為交通和天氣方面的惡劣狀況，臨時將氮氣段速度提高到6m／s左右，減少了大量夜間投產(chǎn)時間，對投產(chǎn)的綜合安全起到了保障作用。

如果在投產(chǎn)過程中遇上以上惡劣條件，為了追求“理想”的氮氣段速度而增加各種安全隱患，這就違背了安全宗旨的本質。以往投產(chǎn)中就出現(xiàn)過類似情況，增大了投產(chǎn)的安全風險。

2．6　干線氮氣段速度的控制方法

全線氮氣置換期間宜只用首站進氣流量來控制干線氮氣段速度，使兩者之間建立起唯一的對應關系，當干線氮氣段實際速度偏離正常值時，可通過調節(jié)首站進氣流量使其平緩地回歸到正常值。

如果用改變干線氮氣段背壓(改變氮氣段下游引氣放空閥的開度)的方式來控制干線氮氣段速度，則氮氣段速度同時受到首站進氣流量和氮氣段背壓這2個因素的控制，投產(chǎn)實踐表明，這種控制氮氣段速度的方式容易使氮氣段速度忽快忽慢而失去控制，只有在特殊情況下才適宜改變背壓來控制氮氣段速度。

2．7　壓力調節(jié)閥開度控制

通過壓力調節(jié)閥的氣體可以計量時，全線置換期間可以根據(jù)“投產(chǎn)期間進氣流量表”中的數(shù)值結合流量計的讀數(shù)來控制壓力調節(jié)閥的開度。

如果通過壓力調節(jié)閥氣體不能計量，從設備廠家獲取該壓力調節(jié)閥在全線置換實際條件下的“流量—開度”曲線，投產(chǎn)期間根據(jù)“進氣流量表”的數(shù)值結合“流量  開度”曲線數(shù)值來控制壓力調節(jié)閥的開度。

全線氮氣置換期間，再根據(jù)下游站場和閥室氣頭檢測結果計算出干線氮氣段實際速度，如果偏離了正常速度值，還需對壓力調節(jié)閥開度進行相應的調整。

2．8　引氣放空點的設置

經(jīng)驗表明，全線氮氣置換期間引氣放空點不宜設在放空管線上有阻火器的中間站場，這是因為投產(chǎn)初期管道中固體雜質較多，站場引氣放空時容易造成放空管線阻火器堵塞。引氣放空點宜設在線路閥室，閥室放空管線上不沒置阻火器。

末站必須沒置引氣放空，投產(chǎn)前應對阻火器進行檢查清理，如果發(fā)生堵塞能及時進行處理。

3　站場氮氣置換的一些實用技巧

3．1　帶自力式分輸調壓橇下游管道的氮氣置換方法

針對輸氣站場分輸調壓橇上的自力式調壓閥或安全截斷閥需調壓橇上游壓力達到約0.3MPa時才能開啟的情況：站場氮氣置換期間壓力遠達低于0.3MPa表壓，在這種情況下，分輸調壓橇至分輸出站閥之間管段的氮氣置換有以下5種方式可供選擇。

1)投產(chǎn)前用氮氣瓶至少導通多路調壓橇中的一路(利用氮氣瓶壓力打開調壓橇上的自力式調壓閥和安全切斷閥)，直至站場氮氣置換結束，在這種情況下站場按常規(guī)方式進行氮氣置換。

2)站場氮氣置換前用氮氣瓶將分輸調壓橇至分輸出站閥之間管段全部注氮，待分輸調壓橇上游壓力升至0.3MPa表壓后，再導通調壓橇對下游管段進行氮氣置換。

3)如果分輸調壓橇設有旁通管道(圖3)，站場氮氣置換前全開旁通管路上的球閥，調壓橇不用導通，只需打開各路調壓橇前后的球閥，站場按常規(guī)方式進行氮氣置換。

 

4)投產(chǎn)前將一根膠皮管的兩頭分別與調壓橇上游氣流方向和下游管線臨近的壓力表根部短接相連，氮氣置換期間用調壓橇上游的氮氣置換下游管段的空氣，置換結束后立即拆除膠皮管，恢復壓力表原有狀態(tài)。由于站場氮氣置換期間壓力為0.05MPa表壓左右，這種方式是安全的。

5)僅為推薦方法：分輸調壓橇下游管道不用提前注氮，待分輸調壓橇上游壓力升至約0.3MPa表壓時，導通調壓橇，直接用天然氣置換調壓橇下游管段空氣，由于壓力較低并用調壓閥控制流量，天然氣和空氣混氣只從放空立管排放，這種氮氣置換方式多次使用后被證明是安全可行的。

3．2　投產(chǎn)過程中的設備保護措施

1)避免儀表管線進雜質而損傷設備。投產(chǎn)前關閉全線所有站場閥室的氣液聯(lián)動閥、調壓橇、計量橇等設備儀表管線或引壓管線上的閥門，避免全線氮氣置換期間管道中的液體和固體雜質被氣流帶入而損傷設備。一般在站場或閥室壓力升至0.5MPa表壓后再打開這些閥門，因為升壓階段管道內氣流速度已經(jīng)變得非常緩慢。

2)保護站場自用氣微壓表。站場氮氣置換前關閉或拆下各路自用氣管線調壓箱內的微壓表，避免在置換時因超壓損壞微壓表，因為自用氣管線置換時的壓力遠高于微壓表的量程上限。

3．3　站場氮氣置換期間閥門操作技巧

在輸氣管道站場氮氣置換操作步驟中經(jīng)常有“將閥門全開然后立即關閉”這樣的描述，如果此類閥門打開到一定的開度后立即關閉就可以達到完全置換的效果，宜將上述操作步驟改為“將閥門打開到某個開度(如50％、30％等)后立即關閉”。大口徑手動閥或氣液聯(lián)動閥(投產(chǎn)初期氣液聯(lián)動閥只能手動液壓操作)全開全關一次時間較長，采用上述不全開閥門的操作方式可以節(jié)省時間減輕勞動強度，尤其是在類似閥門操作較多的情況下。

3．4　站場氮氣置換時盲管的處理方法

站場盲管是指一端和主管線相通，另一端封閉的管段。在進行站場氮氣置換空氣時，對于長度小超過3m的盲管沒有必要特意進行置換，因為主管線置換時可以帶出盲管中的空氣。假設盲管內還存有極少量空氣，這些空氣和站場管網(wǎng)中的氮氣混合后，天然氣總含氧量也完全可以達標，因為這些極少量的空氣容積占站場總管容的比例極小。如果特意對此類盲管進行氮氣置換，會增加流程切換、閥門操作和置換時間，而且從安全角度卜-講也沒有必要。站場天然氣置換氮氣時，對盲管的置換也可按照以上方式。

4　結束語

歸納總結了近十幾年來我國輸氣管道投產(chǎn)的部分經(jīng)驗，介紹了筆者在投產(chǎn)方案編制中的一些創(chuàng)新做法。這些創(chuàng)新包括，自創(chuàng)了輸氣管道投產(chǎn)所需注氮量的計算公式、將輸氣站場的并列管道依次置換方式改為同時置換方式、取消了站場放空和排污管線的氮氣置換、置換操作中的多項技巧等。這些創(chuàng)新方法既有科學依據(jù)又有以往投產(chǎn)實際經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的支持，在投產(chǎn)實踐中得到了驗證并進行推廣。這些創(chuàng)新做法在保證投產(chǎn)安全前提下極大地簡化了輸氣管道投產(chǎn)期間的現(xiàn)場操作，輸氣站場置換時間的大大縮短節(jié)約了大量的氮氣，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益。

 

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本文作者：崔茂林　吳長春

作者單位：中國石油管道分公司

  中國石油大學(北京)