基于氫氣管道吹掃方案選擇的計(jì)算和驗(yàn)證

□曲國(guó)興

一、引言

氫氣在管道內(nèi)流動(dòng)，隨著流速增大，氫氣與管壁摩擦增強(qiáng)，特別是管道內(nèi)含有鐵銹雜質(zhì)時(shí)，易形成靜電火花，可能會(huì)點(diǎn)燃?xì)錃猓鸨╗1]。為確保氫氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在調(diào)試階段需對(duì)氫氣管道進(jìn)行吹掃，吹掃效果主要取決于吹掃流速，吹掃流速越高，吹掃力愈大，吹掃效果越好[2]。且氫氣管道吹掃流速高于一般管道要求，《GB 50177-2005氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.0.14～5節(jié)：氫氣管道必須用不含油的空氣或氮?dú)?，以不小?0m/s的流速進(jìn)行吹掃，直至出口無(wú)鐵銹、無(wú)灰塵及其他異物為合格[3]。

影響吹掃流速的主要有兩個(gè)因素：吹掃氣源壓力和吹掃方式。三門(mén)核電1號(hào)機(jī)組氫氣子系統(tǒng)分為高壓氫氣和低壓氫氣兩部分，本文將通過(guò)理論計(jì)算和分析選取合適的氣源和吹掃方式。

二、確定吹掃主路徑

工藝主管道內(nèi)徑較粗、長(zhǎng)度較長(zhǎng)、彎頭較多，較難吹掃干凈，一般將這部分管道作為吹掃主路徑[4]。根據(jù)氫氣管道安裝圖，高壓氫氣管道吹掃主路徑長(zhǎng)度約為90m，管道內(nèi)徑為25mm；低壓氫氣管道吹掃主路徑長(zhǎng)度約為600m，管道內(nèi)徑為50mm。

三、確定吹掃氣源和方式

需找出同一根管道內(nèi)吹掃流速最低點(diǎn)，假定流速最低點(diǎn)為20m/s,通過(guò)理論計(jì)算求出吹掃氣源壓力，從而確定吹掃氣源和方式。

(一)確定同一管道內(nèi)吹掃流速的最低點(diǎn)。同一管道內(nèi)任何一點(diǎn)的氣體質(zhì)量流速相同。根據(jù)公式u=G/ρ(u為氣體流速，ρ為氣體密度，G為質(zhì)量流速)可知，同一管道內(nèi)氣體密度與氣體流速成反比關(guān)系，氣體密度越大，氣體流速越低。

根據(jù)克拉伯龍方程：

PV=nRT

公式1

其中P為壓力(Pa)，V為氣體體積(m3)，n為物質(zhì)的量(mol)，T為熱力學(xué)溫度(K)，R為氣體常數(shù)(J/mol*K)。

因?yàn)镽和M為常數(shù)，常溫下同一根氫氣管道內(nèi)溫度T不變，同一根管道內(nèi)不同的兩點(diǎn)，壓力分布為P1和P2，密度分布為ρ1和ρ2，可推出氣體密度與壓力成正比關(guān)系，即P1/P2=ρ1/ρ2。壓力越大則該點(diǎn)的氣體密度越大。同一管道內(nèi)入口處壓力最大，然后隨著氣體膨脹做功和摩擦損失等，壓力逐漸降低。

因此，在溫度不變情況下，同一管道內(nèi)吹掃流速最低點(diǎn)在管道入口處。

(二)高壓氫氣管道吹掃氣源壓力的計(jì)算。等溫流動(dòng)情況下，可壓縮流體質(zhì)量流速計(jì)算方程：

公式2

其中G為質(zhì)量流速[kg/(m2·s)]，P1為進(jìn)口壓力(Pa)，P2為出口壓力(Pa)，ρm為平均密度(kg/m3)，D為管道內(nèi)徑(mm)，L為當(dāng)量長(zhǎng)度(mm)，λ為阻力系數(shù)。

高壓氫氣管道吹掃簡(jiǎn)化模型：已知管道內(nèi)徑D為25mm，出口壓力P0為大氣壓0.101MPa，常溫20℃下出口空氣密度ρ0為1.205kg/m3，需確定入口流速u(mài)為20m/s時(shí)入口壓力P。

根據(jù)管道安裝圖統(tǒng)計(jì)吹掃主路徑直管道長(zhǎng)度、彎頭及閥門(mén)數(shù)量，計(jì)算L/D為4060.92，用迭代法進(jìn)行計(jì)算入口壓力P：假設(shè)P=P1，可得ρ1=P1ρ0/P0;根據(jù)公式2可求得G1;u1=G1/ρ1;將u1與u(20m/s)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差(u-u1)/u小于±1%停止計(jì)算；否則，繼續(xù)假設(shè)P=P2……

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，當(dāng)入口流速為20m/s時(shí)，所需氣源壓力約為0.127MPa。

(三)低壓氫氣管線吹掃氣源壓力的計(jì)算。低壓氫氣管道吹掃簡(jiǎn)化模型：已知管道內(nèi)徑D為50mm，出口壓力P0為0.101MPa，常溫20℃下出口空氣密度ρ0為1.205kg/m3，需確定入口流速u(mài)為20m/s時(shí)入口壓力P。

低壓氮?dú)夤艿繪/D為13224.16，用迭代法進(jìn)行計(jì)算入口壓力P，當(dāng)氣源壓力為1.632MPa時(shí)，入口流速達(dá)到最高為18.16m/s。

(四)吹掃氣源的選擇。當(dāng)高壓氫氣管道入口流速為20m/s時(shí)，所需氣源壓力為0.127MPa?，F(xiàn)場(chǎng)有表壓力為0.86～0.93MPa的廠用壓縮空氣，如選用廠用壓縮空氣作為吹掃氣源，入口流速將達(dá)到31.86m/s，滿足國(guó)標(biāo)要求。

當(dāng)?shù)蛪簹錃夤艿来祾邭庠磯毫?.632MPa時(shí)，流速可達(dá)到最大18.16m/s，但現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有這么高壓力的吹掃氣源。如用0.9MPa廠用壓縮空氣替代，入口流速為18.12m/s。兩者流速相差為0.04m/s，對(duì)吹掃效果影響不大；但如果現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備壓力為1.632MPa的吹掃氣源，吹掃臨時(shí)措施相對(duì)比較繁瑣，施工和氣體采購(gòu)成本相對(duì)較高。經(jīng)過(guò)綜合評(píng)估，低壓氫氣管道吹掃氣源選廠用壓縮空氣。

表1 三種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

(五)吹掃方式的選擇。選用廠用壓縮空氣作為吹掃氣源，持續(xù)對(duì)低壓氫氣管道進(jìn)行吹掃，管道入口流速約為18.12m/s，小于20m/s，不能滿足國(guó)標(biāo)要求，解決方案如下：方案1：分段進(jìn)行吹掃。由于低壓氫氣管道過(guò)長(zhǎng)，約600m，管道流阻過(guò)大，如將管道分為兩段分別進(jìn)行吹掃，當(dāng)吹掃氣源壓力為0.9MPa，持續(xù)進(jìn)行吹掃，通過(guò)計(jì)算，管道入口流速將達(dá)到約25m/s，滿足國(guó)標(biāo)要求；方案2：頻繁開(kāi)關(guān)排氣閥門(mén)吹掃。關(guān)閉排氣閥門(mén)憋壓至表壓力0.8MPa，迅速全開(kāi)閥門(mén)，經(jīng)計(jì)算打開(kāi)閥門(mén)瞬間管道入口流速可達(dá)到32.55m/s，隨時(shí)間推移入口流速逐漸降低，預(yù)計(jì)20～30s后流速將低于20m/s，最后降至平穩(wěn)流速約18m/s，但開(kāi)閥后20～30s時(shí)間內(nèi)，吹掃流速是滿足國(guó)標(biāo)要求的；方案3：采用爆破吹掃。在吹掃管道排氣口處安裝法蘭和爆破片對(duì)管道進(jìn)行封堵，向管道內(nèi)充氣，管道內(nèi)壓力不斷上升，達(dá)到爆破壓力時(shí)，爆破片會(huì)破碎，管道內(nèi)氣體以較高流速瞬間泄壓，通過(guò)管道爆破時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和高氣體流速將管道內(nèi)雜質(zhì)帶出管道[5]。經(jīng)計(jì)算，管道入口流速為20m/s，所需氣源壓力為0.305MPa。因此采用爆破片設(shè)定壓力為0.4MPa，吹掃流速即可滿足國(guó)標(biāo)要求。

綜合考慮，方案2(選用廠用壓縮空氣、頻繁開(kāi)關(guān)排氣閥門(mén)方式吹掃)最優(yōu)。

四、吹掃方案的驗(yàn)證

由于現(xiàn)場(chǎng)施工窗口限制，本文僅對(duì)高壓氫氣管道吹掃方案進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。

(一)高壓氫氣管道吹掃流速驗(yàn)證。由于現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有在線測(cè)量氣體流速或流量?jī)x表，采用的試驗(yàn)方法為持續(xù)吹掃一段時(shí)間，記錄壓縮空氣儲(chǔ)罐壓力變化，從而求出高壓氫氣管道吹掃平均流速。已知三臺(tái)壓縮空氣儲(chǔ)罐水容積V為19m3×3=57m3，開(kāi)閥前壓縮空氣儲(chǔ)罐出口母管壓力P1為0.87MPa，開(kāi)閥10min后壓縮空氣儲(chǔ)罐出口母管壓力P2為0.75MPa，高壓氫氣主管道內(nèi)徑為25mm，通過(guò)以下計(jì)算公式，求出高壓氫氣管道吹掃平均質(zhì)量流速：

(ρ1-ρ2)V=SGt

公式3

其中ρ1為開(kāi)閥前壓縮空氣儲(chǔ)罐內(nèi)氣體密度(kg/m3)，ρ2為開(kāi)閥10min后壓縮空氣儲(chǔ)罐內(nèi)氣體密度(kg/m3)，V為三臺(tái)壓縮空氣儲(chǔ)罐水容積(m3)，S為管道內(nèi)截面積(m2)，G為平均質(zhì)量流速[kg/(m2·s)]，t為吹掃持續(xù)時(shí)間(s)。

解得，高壓氫氣管道持續(xù)進(jìn)行吹掃，管道入口處平均氣體流速為28.7m/s，滿足國(guó)標(biāo)GB 50177要求。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上計(jì)算和分析，得到以下結(jié)論：第一，等溫流動(dòng)情況下，管道吹掃流速最低點(diǎn)位于管道入口處；第二，吹掃氣源選取廠用壓縮空氣,采用持續(xù)吹掃方案，高壓氫氣管道吹掃流速可滿足國(guó)標(biāo)要求，低壓氫氣管道經(jīng)理論計(jì)算吹掃流速不能滿足國(guó)標(biāo)要求；第三，吹掃氣源選取廠用壓縮空氣,采用頻繁開(kāi)關(guān)排氣閥門(mén)吹掃方案，可使低壓氫氣管道吹掃流速滿足國(guó)標(biāo)要求。

通過(guò)三門(mén)核電已執(zhí)行的氫氣管道吹掃方案，驗(yàn)證了吹掃流速能滿足國(guó)標(biāo)要求，解決了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于其他項(xiàng)目氫氣管道吹掃氣源和方案選取具有一定的參考價(jià)值。