中国石油西南油气田公司重庆气矿 重庆 400000
摘要：压力稀释法置换是在天然气生产中广泛使用的一种置换方法。本文根据现场实践分析该方法在使用中存在的问题，通过计算建立压力稀释法置换的操作方法，并根据天然气生产现场实际置换要求需要，推荐较简便节约的操作组合。
关键词：压力稀释法置换；操作方法；置换要求；节能
引言：
置换是天然气生产工艺中为确保安全生产的关键环节，用于设备或管道的新建、改建、维修等作业时，防止设备或管道内形成空气与天然气的混合气体。天然气管道场站常用置换方法有气推气置换法、加隔离球置换法、压力稀释置换法[1]。压力稀释置换法又称加压置换法[2]或容积法置换，具有扩散性较好，能置换设备、管道“盲肠”段的特点，较适用于场站内工艺流程的置换，因此在检维修中得以普遍使用。
一、压力稀释法置换概述
天然气生产工艺具有密闭性的特点。压力稀释法是将该管段看作一个固定水容积的容器，通过充、放气体，提高管段内压力从而实现多倍水容积气体进入管段，达到稀释管段内残余气体的目的。检修中有三种置换过程即检修前用氮气置换天然气，安装完成后用氮气置换空气，恢复生产前用天然气置换氮气。
检修前用氮气置换天然气的通用操作方法如下：
①将该管段放空泄压为0MPa（表压）。
②关闭泄放控制阀，使管段再次处于密闭状态。
③向管段内注入氮气，随着压力逐渐上升，管段内天然气浓度随之下降。
④泄放管段内天然气与氮气的混合气体。
⑤检测甲烷浓度是否不大于1.25%[1]。需进行动火作业时则应不大于0.5%[3]。
⑥若检测不符合要求，再重复上述②~⑤步，直至合格。
氮气置换空气的合格标准为氧气含量不大于2%[1]；天然气置换氮气的合格标准为甲烷含量与置换用天然气的甲烷含量一致[1]。操作方法与上述方法相同。
二、目前使用中的问题
1.无专用操作规程
检维修的方案中会规定置换的要求，明确在何时置换、用何种方法置换、有哪些技术要点等。但对于该如何实现、实现过程中的风险如何控制却少有具体说明。现场操作时，由操作人员只能根据经验来进行。由此在不同的施工地点，同样的置换操作和技术要点，却有不同的操作方法。
另外氮气注入点、混合气泄放点以及取样点常依托场站设备设施，涉及场站的操作均需要场站属地的人员参与到置换操作中。场站属地人员与作业人员因技能水平和操作经验差异对置换作业理解程度不同，由于没有操作规程，就造成施工过程中不必要的沟通屏障。
2.检测结果准确度较差
置换是否达到效果目前通过对混合气的进行取样检测来确定。常见做法是将流程中的压力表接口用作取样口，采用气体检测仪器直接测量气体组分。一般的检维修中，常用便携式气体检测仪。便携式气体检测仪通常采用扩散式采样，需将检测仪直接与样品进行接触。实际操作中，打开取样口控制阀使样品流出，将检测仪与流出样品接触，检测仪直接检测出气体组分。为保证操作安全，取样口控制阀开度不能打开过多，流出样品与环境空气有一定程度混合，从而造成检测结果有偏移的可能。若检测仪采用催化燃烧型探头，检测甲烷时可能使探头“中毒”，造成检测结果准确度进一步降低。
3.资源浪费
置换操作中涉及到的资源主要包含物质资源和人力资源。物质资源主要有氮气和天然气两种。人力资源则包含工作强度和工作时间两部分。
置换时缺乏准确的操作步骤，从而造成现场操作人员常依据经验来确定单次置换量和置换次数的现象。不规范的置换易造成单次置换量或置换次数增加的情况。从而造成置换量超过实际需求值，操作人员工作强度和操作时间增加的情况。
三、置换方法设计
1.理论依据
①根据气体状态方程，当表压为0MPa时，密闭管段内的气体体积（20℃，0.101325MPa，即计量标况）等于其水容积。气体压力每增加0.1MPa，其标况体积增加1倍。
②混合气体中各组分的量用体积百分含量来表达，当某组分没有增加时，增加其他气体组分的量，会使前者的含量降低。例如：管段中原有体积百分含量为100%的甲烷，注入同等体积的氮气，则甲烷体积百分含量变为50%。
③根据理想气体分子的平均平动动能方程
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，可求得气体方均根速率v。在理想状态下可视为气体扩散速率。根据氮气的分子量28，甲烷分子量16计算出其理想状态的方均根速率分别为511m/s和676 m/s。对于场站内的工艺设备，该扩散速率使置换气体能瞬间布满置换管段。
④场站内工艺流程的实际置换过程中，气体扩散速度受气体浓度、注气压力、气流通道变化、温度变化等影响，扩散速度并不均衡。为确保均衡扩散，依据第③点，达到目标压力后稳定1分钟，能够消除上述因素对扩散的影响。
2.操作方法
根据上述理论依据，为节约资源和便于实践操作，预设下列操作条件。
①在操作中，置换管段的容积为常数V，且置换管段密闭无泄漏。
②压力操作保留一位小数，即以大气压力为0.1MPa作为基数。
③为保证充分混合，结合场站内流程容积相对较小、距离较短的特点，每次充气压力稳定后，需静置1分钟。
2.1氮气置换天然气
天然气是以甲烷为主的混合气体，假设甲烷体积百分含量为100%，每次注入前表压为0MPa，甲烷最终含量为m1，则根据理论依据列式（1-1）和（1-2）。
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……式（1-1）
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……式（1-2）
式中： m1——甲烷最终体积百分含量，%
n——置换操作次数
P——单次注入绝对压力（表压+大气压力），MPa
从式(1-2)中可以看出,为满足甲烷最终体积百分含量不大于1.25%的要求，分母需不小于80，改变置换次数和充气压力可有多种组合方式达到置换效果。在相同供气点且进气速度、放空速度相同的情况下，假设每充入、释放0.1MPa气体需要的时间为t，则每充入、释放0.1MPa气体的时间共需2t。由此可对比不同组合消耗的氮气数量和操作时间的差距。氮气置换天然气操作方法组合对比举例如表-1所示。
表-1 氮气置换天然气改变置换次数和充气压力组合效果对比表
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2.2氮气置换空气
氮气置换空气的主要目的是降低管段中残留空气的氧气含量。各地环境条件不同，空气中的氧气体积百分含量亦不同，通常在19%~23%之间。设氧气体积百分含量为23%，每次注入前表压为0MPa，氧气最终含量为m2，则根据理论依据列式（2-1）和（2-2）。
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……式（2-1）
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……式（2-2）
式中：m2——氧气最终体积百分含量，%
n——置换操作次数
P——单次注入绝对压力（表压+大气压力），MPa
从式(2-2)中可以看出, 为满足残余氧气最终体积百分含量不大于2%的要求，分母需不小于11.5。不同组合氮气消耗和操作时间对比如表-2所示。
表-2 氮气置换氧气改变置换次数和充气压力组合效果对比表
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2.3天然气置换氮气
天然气置换氮气的目的是使检修管段流通介质与气源近似。设置换用天然气甲烷含量M=90%,每次注入前表压为0MPa，管存残余甲烷体积百分含量为v，甲烷单次置换后体积百分含量为m3，则根据理论依据列式（3-1）。
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……式（3-1）
式中：m3——甲烷单次置换后体积百分含量，%
M——置换气源甲烷体积百分含量，%（设为90%）
v——管存残余甲烷体积百分含量，%
p——单次注入压力，MPa
P——单次注入绝对压力（表压+大气压力），MPa
置换需满足甲烷最终体积百分含量等于90%的要求，根据式3-1和表-3序号1的举例可以看出，要达到含量前后一致，需不计成本。因此表-3后续举例采用甲烷含量不小于80%的标准[4]来进行。不同组合天然气消耗和操作时间对比如表-3所示。
表-3 天然气置换氮气改变置换次数和充气压力组合效果对比表
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四、结论和建议
1.结论
（1）从三种置换要求的不同操作组合看出，置换操作方法随置换要求的变化有多种组合。不同的置换要求应采用不同的操作组合，不应一概而论，造成资源浪费。
（2）从上述组合中可以看出，置换对象的水容积越大，不同组合气量消耗和操作时间差距越大，在相同的气量消耗与时间情况下应选择较少操作次数的组合。
（3）天然气置换氮气操作中现有标准执行难度较难达到，考虑到置换后下一步操作通常为验漏，大量充入天然气后会进一步提高管存气的甲烷含量，建议按照甲烷含量≥80%且连续三次测量只升不降作为检测标准。
（4）上述方法也适用于置换硫化氢气体的计算。根据硫化氢体积含量计算置换后容器内残余硫化氢含量，对施工环境硫化氢含量分析有一定指导意义。
2.推荐方法
2.1氮气置换天然气
推荐表-1中序号3的组合。即注气4次，每次注气压力0.2MPa；甲烷最终含量为1.23%，符合安全要求；使用氮气量仅为12倍管容积，处于较低水平。同时此方法简单易记忆，实践操作中便于现场掌控。
2.2氮气置换空气
推荐表-2中序号2的方法，即注气次数为2次，第一次注入压力0.2MPa，第二次注入压力0.3MPa，氧气最终体积百分含量为1.92%，注入氮气量为5倍管容积。
2.3天然气置换氮气
推荐表-3中序号2的方法，即注气次数为2次，每次注入压力均为0.2MPa，甲烷最终体积百分含量大于80%。操作过程中排放天然气量为4倍管容积。
参考文献
[1] Q/SY XN 0291-2013 《天然气管道场站氮气置换作业标准》.
[2] 沈维美， 惰性气体置换时用气量的计算[J]. 油气储运，1996，15（1）20-22.
[3] Q/SY 1241-2009 《动火作业安全管理规范》.
[4] SY/T 5922-2012 《天然气管道运行规范》.