基于氢气管道吹扫方案选择的计算和验证

□曲国兴

一、引言

氢气在管道内流动，随着流速增大，氢气与管壁摩擦增强，特别是管道内含有铁锈杂质时，易形成静电火花，可能会点燃氢气，引起爆炸[1]。为确保氢气系统安全稳定运行，在调试阶段需对氢气管道进行吹扫，吹扫效果主要取决于吹扫流速，吹扫流速越高，吹扫力愈大，吹扫效果越好[2]。且氢气管道吹扫流速高于一般管道要求，《GB 50177-2005氢气站设计规范》第12.0.14～5节：氢气管道必须用不含油的空气或氮气，以不小于20m/s的流速进行吹扫，直至出口无铁锈、无灰尘及其他异物为合格[3]。

影响吹扫流速的主要有两个因素：吹扫气源压力和吹扫方式。三门核电1号机组氢气子系统分为高压氢气和低压氢气两部分，本文将通过理论计算和分析选取合适的气源和吹扫方式。

二、确定吹扫主路径

工艺主管道内径较粗、长度较长、弯头较多，较难吹扫干净，一般将这部分管道作为吹扫主路径[4]。根据氢气管道安装图，高压氢气管道吹扫主路径长度约为90m，管道内径为25mm；低压氢气管道吹扫主路径长度约为600m，管道内径为50mm。

三、确定吹扫气源和方式

需找出同一根管道内吹扫流速最低点，假定流速最低点为20m/s,通过理论计算求出吹扫气源压力，从而确定吹扫气源和方式。

(一)确定同一管道内吹扫流速的最低点。同一管道内任何一点的气体质量流速相同。根据公式u=G/ρ(u为气体流速，ρ为气体密度，G为质量流速)可知，同一管道内气体密度与气体流速成反比关系，气体密度越大，气体流速越低。

根据克拉伯龙方程：

PV=nRT

公式1

其中P为压力(Pa)，V为气体体积(m3)，n为物质的量(mol)，T为热力学温度(K)，R为气体常数(J/mol*K)。

因为R和M为常数，常温下同一根氢气管道内温度T不变，同一根管道内不同的两点，压力分布为P1和P2，密度分布为ρ1和ρ2，可推出气体密度与压力成正比关系，即P1/P2=ρ1/ρ2。压力越大则该点的气体密度越大。同一管道内入口处压力最大，然后随着气体膨胀做功和摩擦损失等，压力逐渐降低。

因此，在温度不变情况下，同一管道内吹扫流速最低点在管道入口处。

(二)高压氢气管道吹扫气源压力的计算。等温流动情况下，可压缩流体质量流速计算方程：

公式2

其中G为质量流速[kg/(m2·s)]，P1为进口压力(Pa)，P2为出口压力(Pa)，ρm为平均密度(kg/m3)，D为管道内径(mm)，L为当量长度(mm)，λ为阻力系数。

高压氢气管道吹扫简化模型：已知管道内径D为25mm，出口压力P0为大气压0.101MPa，常温20℃下出口空气密度ρ0为1.205kg/m3，需确定入口流速u为20m/s时入口压力P。

根据管道安装图统计吹扫主路径直管道长度、弯头及阀门数量，计算L/D为4060.92，用迭代法进行计算入口压力P：假设P=P1，可得ρ1=P1ρ0/P0;根据公式2可求得G1;u1=G1/ρ1;将u1与u(20m/s)进行比较，当偏差(u-u1)/u小于±1%停止计算；否则，继续假设P=P2……

经过迭代计算，当入口流速为20m/s时，所需气源压力约为0.127MPa。

(三)低压氢气管线吹扫气源压力的计算。低压氢气管道吹扫简化模型：已知管道内径D为50mm，出口压力P0为0.101MPa，常温20℃下出口空气密度ρ0为1.205kg/m3，需确定入口流速u为20m/s时入口压力P。

低压氮气管道L/D为13224.16，用迭代法进行计算入口压力P，当气源压力为1.632MPa时，入口流速达到最高为18.16m/s。

(四)吹扫气源的选择。当高压氢气管道入口流速为20m/s时，所需气源压力为0.127MPa。现场有表压力为0.86～0.93MPa的厂用压缩空气，如选用厂用压缩空气作为吹扫气源，入口流速将达到31.86m/s，满足国标要求。

当低压氢气管道吹扫气源压力为1.632MPa时，流速可达到最大18.16m/s，但现场没有这么高压力的吹扫气源。如用0.9MPa厂用压缩空气替代，入口流速为18.12m/s。两者流速相差为0.04m/s，对吹扫效果影响不大；但如果现场准备压力为1.632MPa的吹扫气源，吹扫临时措施相对比较繁琐，施工和气体采购成本相对较高。经过综合评估，低压氢气管道吹扫气源选厂用压缩空气。

表1 三种方案优缺点比较

(五)吹扫方式的选择。选用厂用压缩空气作为吹扫气源，持续对低压氢气管道进行吹扫，管道入口流速约为18.12m/s，小于20m/s，不能满足国标要求，解决方案如下：方案1：分段进行吹扫。由于低压氢气管道过长，约600m，管道流阻过大，如将管道分为两段分别进行吹扫，当吹扫气源压力为0.9MPa，持续进行吹扫，通过计算，管道入口流速将达到约25m/s，满足国标要求；方案2：频繁开关排气阀门吹扫。关闭排气阀门憋压至表压力0.8MPa，迅速全开阀门，经计算打开阀门瞬间管道入口流速可达到32.55m/s，随时间推移入口流速逐渐降低，预计20～30s后流速将低于20m/s，最后降至平稳流速约18m/s，但开阀后20～30s时间内，吹扫流速是满足国标要求的；方案3：采用爆破吹扫。在吹扫管道排气口处安装法兰和爆破片对管道进行封堵，向管道内充气，管道内压力不断上升，达到爆破压力时，爆破片会破碎，管道内气体以较高流速瞬间泄压，通过管道爆破时产生的震动和高气体流速将管道内杂质带出管道[5]。经计算，管道入口流速为20m/s，所需气源压力为0.305MPa。因此采用爆破片设定压力为0.4MPa，吹扫流速即可满足国标要求。

综合考虑，方案2(选用厂用压缩空气、频繁开关排气阀门方式吹扫)最优。

四、吹扫方案的验证

由于现场施工窗口限制，本文仅对高压氢气管道吹扫方案进行了实践验证。

(一)高压氢气管道吹扫流速验证。由于现场没有在线测量气体流速或流量仪表，采用的试验方法为持续吹扫一段时间，记录压缩空气储罐压力变化，从而求出高压氢气管道吹扫平均流速。已知三台压缩空气储罐水容积V为19m3×3=57m3，开阀前压缩空气储罐出口母管压力P1为0.87MPa，开阀10min后压缩空气储罐出口母管压力P2为0.75MPa，高压氢气主管道内径为25mm，通过以下计算公式，求出高压氢气管道吹扫平均质量流速：

(ρ1-ρ2)V=SGt

公式3

其中ρ1为开阀前压缩空气储罐内气体密度(kg/m3)，ρ2为开阀10min后压缩空气储罐内气体密度(kg/m3)，V为三台压缩空气储罐水容积(m3)，S为管道内截面积(m2)，G为平均质量流速[kg/(m2·s)]，t为吹扫持续时间(s)。

解得，高压氢气管道持续进行吹扫，管道入口处平均气体流速为28.7m/s，满足国标GB 50177要求。

五、结语

通过以上计算和分析，得到以下结论：第一，等温流动情况下，管道吹扫流速最低点位于管道入口处；第二，吹扫气源选取厂用压缩空气,采用持续吹扫方案，高压氢气管道吹扫流速可满足国标要求，低压氢气管道经理论计算吹扫流速不能满足国标要求；第三，吹扫气源选取厂用压缩空气,采用频繁开关排气阀门吹扫方案，可使低压氢气管道吹扫流速满足国标要求。

通过三门核电已执行的氢气管道吹扫方案，验证了吹扫流速能满足国标要求，解决了现场调试实际问题，同时对于其他项目氢气管道吹扫气源和方案选取具有一定的参考价值。