1.本发明涉及天然气储备输送与供给技术领域，具体涉及一种氮气连续置换天然气的装置及方法。
背景技术：2.在城市燃气输配营运过程中，一般都需要建设管网的储备站，每个储备站有四个大型天然气储气球罐用于用气高峰时的调峰，用于储气调峰的次高压天然气储气球罐属于压力容器，根据《压力容器安全技术监察规程》和《压力容器定期检验规则》的规定，需要定期进行开罐检测，同时随着技术的发展，大型天然气球罐不能满足城市管网的储气调峰需求，也需要停止运行。而球罐内充满天然气，天然气属于易燃易爆气体，充满有天然气的球罐也处于易燃易爆状态，需要继续消耗人力和物力维持安全状态，如果把它们置换成氮气，就不属于易燃易爆气体，也不需要继续消耗人力和物力维持。
3.大型球罐检测前或停运前，需要对球罐进行置换，球罐置换是一项具有危险性的工作，若置换方案选择不当或操作失误，均可能发生爆炸事故造成惨重损失。为此，安全问题是球罐置换过程中必须确保的；其次，球罐置换还应考虑操作便捷性和减少甲烷气体的排放对环境的污染，若方案不当将造成置换工作量大，危险性高。
4.目前球罐置换采用的方法主要有水置换法及氮气置换法，其中氮气置换法由于采用单罐一个一个进行置换，氮气用量较大、置换成本较高，并且天然气球罐在降压过程中没有考虑天然气的回收，造成甲烷大量排入大气中，对环境污染较大。
技术实现要素：5.本发明解决的问题是提供一种降低环境污染、氮气用量较小、置换成本较低的氮气连续置换天然气的装置及方法。
6.为解决上述问题，本发明提供一种氮气连续置换天然气的装置，包括氮气供应单元、天然气回收单元、放散管及至少两个天然气罐，所述氮气供应单元用于提供氮气，各所述天然气罐上均设置有进气管、出气管、温度测量元件、压力测量元件、取样口，各所述进气管、各所述出气管、所述天然气回收单元及所述放散管上分别设置有一开关阀，所述氮气供应单元与各所述进气管均相互连通，位于上游的所述天然气罐的所述出气管与位于下游的所述天然气罐的所述进气管连通，各所述出气管均与所述天然气回收单元相互连通，各所述出气管均与所述放散管相互连通。
7.进一步地，所述氮气供应单元包括液氮槽车、液氮气化装置、液氮缓冲装置，所述液氮槽车、所述液氮气化装置、所述液氮缓冲装置通过管道依次相连接，所述液氮槽车、所述液氮气化装置、所述液氮缓冲装置上均设置有进口阀及出口阀，所述液氮缓冲装置上还设置有流量计，所述液氮缓冲装置用于与所述天然气罐的进气管相连通。
8.进一步地，所述管道为金属波纹管道。
9.进一步地，所述液氮缓冲装置内设置有过滤器。
10.进一步地，还包括连接总管，所述氮气供应单元的液氮缓冲装置、所述天然气回收单元、所述放散管及各所述天然气罐的所述进气管、所述出气管均与所述连接总管相连接，一个所述天然气罐的进气管与所述连接总管的连接点位于上游的一个所述天然气罐的进气管与所述连接总管的连接点和位于上游的一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管的连接点之间，一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管的连接点位于上游的一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管的连接点和位于下游的一个所述天然气罐的进气管与所述连接总管的连接点之间。
11.进一步地，各所述天然气罐的结构相同，所述天然气罐底部设置有排污阀、底部入口，所述天然气罐顶部设置有顶部入口，所述底部入口上设置有底部密封盖板，所述顶部入口上设置有顶部密封盖板。
12.进一步地，所述天然气回收单元为压缩机，所述压缩机一端与所述连接总管相连，所述压缩机另一端与中压管网相连，所述压缩机与所述连接总管之间设置有第六总管开关阀，所述压缩机与所述中压管网之间设置有第七总管开关阀。
13.采用上述的氮气连续置换天然气的装置进行天然气置换的方法，其特征在于：包括以下步骤，
14.(一)将各天然气罐中的天然气输送至天然气管网，直至各所述天然气罐内的天然气压力降至0.02mpa；
15.(二)切断最下游的所述天然气罐与天然气回收单元的连接，将氮气充入最上游的第一个天然气罐，当所述第一个天然气罐内压力达到0.3mpa后停止充氮气，使所述第一个天然气罐内的气体充分混合；
16.(三)使所述第一个天然气罐的出气管与第二个天然气罐的进气管连通，所述第二个天然气罐的出气管与第三个天然气罐的进气管连通，最下游的所述天然气罐的出气管关闭，当各所述天然气罐内压力相等时，将所述最下游的天然气罐的出气管与放散管连通直至各所述天然气罐内压力为0.02mpa，关闭所述第一个天然气罐的出气管并切断所述最下游的天然气罐的出气管与所述放散管的连通；
17.重复上述步骤(二)、步骤(三)，直至所述第一个天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa，关闭所述第一个天然气罐的所述进气管、所述出气管；
18.(四)按照所述步骤(二)、步骤(三)依次将氮气充入所述第一个天然气罐下游的各所述天然气罐，直至每个所述天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa。
19.进一步地，所述步骤(一)包括下述过程：
20.将各所述天然气罐的出气管上的开关阀打开，将各所述天然气罐内的天然气输送至天然气中压管网，直至各所述天然气罐内的天然气压力降至0.1mpa；
21.将各所述天然气罐的出气管与天然气回收单元相连接，通过所述天然气回收单元使各所述天然气罐内的天然气压力降至0.02mpa。
22.由于本发明一种氮气连续置换天然气的装置，由于各天然气罐的出气管均与天然气回收单元相互连通，因此能够充分回收各天然气罐内的天然气，避免造成甲烷大量排入大气中的情况，减小环境污染，由于位于上游的天然气罐的出气管与位于下游的天然气罐
的进气管连通，使各天然气罐互联，因此使氮气经上游天然气罐进入下游天然气罐，减小氮气用量、降低置换成本，全面兼顾天然气罐置换过程中安全、环保、高效的需求。
附图说明
23.图1为本发明实施例一种氮气连续置换天然气的装置的结构示意图。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
25.本发明的实施例中出现的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
28.本发明实施例一种氮气连续置换天然气的装置，如图1所示，包括氮气供应单元、天然气回收单元31、放散管41及两个或多个天然气罐，本实施例中，天然气罐设置有四个，第一天然气罐11、第二天然气罐12、第三天然气罐13、第四天然气罐14，四个天然气罐结构相同，四个天然气罐由上游至下游依次设置，氮气供应单元用于提供氮气，第一天然气罐11上设置有第一进气管111、第一出气管112、第一温度测量元件、第一压力测量元件、第一取样口，第二天然气罐12上设置有第二进气管121、第二出气管122、第二温度测量元件、第二压力测量元件、第二取样口，第三天然气罐13上设置有第三进气管、第三出气管、第三温度测量元件、第三压力测量元件、第三取样口，第四天然气罐14上设置有第四进气管、第四出气管、第四温度测量元件、第四压力测量元件、第四取样口，第一进气管111、第一出气管112、第二进气管121、第二出气管122、第三进气管、第三出气管、第四进气管、第四出气管、天然气回收单元31、放散管41上分别设置有一开关阀，氮气供应单元与第一进气管111、第二进气管121、第三进气管、第四进气管均相互连通，第一出气管112与第二进气管121连通，第二出气管122与第三进气管连通，第三出气管与第四进气管连通，第一出气管112与天然气回收单元31及放散管41均相互连通，第二出气管122与天然气回收单元31及放散管41均相互连通，第三出气管、第四出气管与天然气回收单元31、放散管41均相互连通。具体地，各开关阀均为球阀，各天然气罐上的温度测量元件、压力测量元件、取样口均设置有两组，一组设置于各天然气罐的顶部，一组设置于各天然气罐的底部。本发明实施例一种氮气连续置换天然气的装置，由于各天然气罐的出气管均与天然气回收单元相互连通，因此能够充分回收各天然气罐内的天然气，避免造成甲烷大量排入大气中的情况，减小环境污染，由于
位于上游的天然气罐的出气管与位于下游的天然气罐的进气管连通，使各天然气罐互联，因此使氮气经上游天然气罐进入下游天然气罐，减小氮气用量、降低置换成本，全面兼顾天然气罐置换过程中安全、环保、高效的需求。
29.可选地，氮气供应单元包括液氮槽车、液氮气化装置、液氮缓冲装置，液氮槽车、液氮气化装置、液氮缓冲装置通过管道依次相连接，液氮槽车、液氮气化装置、液氮缓冲装置上均设置有进口阀及出口阀，液氮缓冲装置上还设置有流量计、压力表、温度计，液氮缓冲装置用于与第一进气管111、第二进气管121、第三进气管、第四进气管相连通。液氮槽车内储存有液态氮气，打开液氮槽车的出口阀、液氮气化装置的进口阀及出口阀、液氮缓冲装置的进口阀及出口阀，液态氮气经液氮气化装置后呈气态经液氮缓冲装置充入各天然气罐。具体地，各进口阀、出口阀均为球阀。
30.可选地，管道采用金属波纹管道。
31.可选地，液氮缓冲装置内设置有过滤器，气化后的氮气在液氮缓冲装置内经过滤器过滤后去除杂质。
32.可选地，还包括连接总管51，氮气供应单元的液氮缓冲装置、第一进气管111、第一出气管112、第二进气管121、第二出气管122、第三进气管、第三出气管、第四进气管、第四出气管、天然气回收单元31、放散管41均与连接总管51相连接，第一进气管111、第一出气管112、第二进气管121、第二出气管122、第三进气管、第三出气管、第四进气管、第四出气管、放散管41与连接总管51的连接点分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九连接点，天然气回收单元31与连接总管51的连接点和放散管41与连接总管51的连接点在同一点，第三连接点位于第一连接点与第二连接点之间，第四连接点位于第二连接点与第五连接点之间，第七连接点位于第五连接点与第六电接点之间，第八连接点位于第六连接点与第九连接点之间，连接总管51上在第一连接点与第三连接点之间、第二连接点与第四连接点之间、第四连接点与第五连接点之间、第五连接点与第七连接点之间、第六连接点与第八连接点之间分别设置有第一、第二、第三、第四及第五总管开关阀61、62、63、64、65。
33.可选地，各天然气罐的结构相同，其中第一天然气罐11底部设置有排污阀、底部入口，第一天然气罐11顶部设置有顶部入口，底部入口上设置有底部密封盖板，顶部入口上设置有顶部密封盖板，排污阀用于排出天然气罐内的污物，底部密封盖板用于开启或关闭底部入口，顶部密封盖板用于开启或关闭顶部入口。
34.可选地，底部密封盖板、顶部密封盖板均通过螺栓可拆卸连接于天然气球罐上，底部密封盖板、顶部密封盖板还可以通过卡扣可拆卸连接于天然气球罐上，各天然气球罐均连接有接地导线。
35.可选地，各天然气球罐上的排污阀均设置于底部密封盖板上。
36.可选地，天然气回收单元31为压缩机，压缩机一端与连接总管51相连，压缩机另一端与中压管网相连，压缩机与连接总管51之间设置有第六总管开关阀66，压缩机与中压管网之间设置有第七总管开关阀67，压缩机并联有回收管311，回收管311上设置有开关阀，在天然气罐内的天然气压力高于中压管网压力时，可通过回收管311回收天然气使天然气罐内的天然气压力降至中压，然后再通过压缩机将尽可能多的天然气罐内的天然气回收到燃气管网内，进一步将天然气压力降低至0.02mpa。
37.采用上述氮气连续置换天然气的装置进行天然气置换的方法，包括以下步骤，
38.(一)将各天然气罐中的天然气输送至天然气管网，直至各天然气罐内的天然气压力降至0.02mpa；
39.(二)切断各天然气罐与天然气回收单元31的连接，将氮气充入第一个天然气罐，当第一个天然气罐内压力达到0.3mpa后停止充氮气，静置2小时，充气和静置过程中每隔20min取样分析罐内天然气浓度；
40.具体地，关闭出气管112上的开关阀及第一总管开关阀61、第六总管开关阀66、第七总管开关阀67，缓慢打开液氮槽车的出口阀，打开液氮气化装置的进口阀、出口阀及液氮缓冲装置的进口阀、出口阀，液氮经液氮气化装置气化后进入液氮缓冲装置，使液氮缓冲装置内压力升至0.4mpa表压后经第一天然气罐11上的第一进气管111充入罐内，控制液氮缓冲装置内的氮气温度在0℃以上、进入第一天然气罐11内的氮气温度在+5℃以上，当第一天然气罐11内压力达到0.3mpa表压后，关闭液氮进口阀门及第一进气管111上的开关阀，静置约2小时使罐内气体充分混合，充气和静置过程中每隔20min从第一天然气罐11底部和顶部分别取样分析罐内天然气的浓度；
41.(三)使第一个天然气罐的出气管与第二个天然气罐的进气管连通，第二个天然气罐的出气管与第三个天然气罐的进气管连通，依此类推，最下游的天然气罐的出气管关闭，当各天然气罐内压力相等时，将最下游的天然气罐的出气管与放散管41连通直至各天然气罐内压力为0.02mpa，关闭第一个天然气罐的出气管并切断最下游的天然气罐的出气管与放散管41的连通；
42.重复上述步骤(二)、步骤(三)，直至经罐底、罐顶两次取样分析，确认第一个天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa，关闭第一个天然气罐的进气管、出气管，第一个天然气罐置换完毕；
43.具体地，打开第一天然气罐11的出气管上的开关阀，第二天然气罐12的进气管、出气管上的开关阀，第三天然气罐13的进气管、出气管上的开关阀，第四天然气罐14的进气管、出气管上的开关阀及第三总管开关阀63，关闭第一总开关阀61、第二总开关阀62、第四总开关阀64、第五总开关阀65及放散管41上的开关阀，第一天然气罐11内的气体经第二天然气罐12、第三天然气罐13进入第四天然气罐14，对第一天然气罐11内的气体进行放散，同时对第二、第三、第四天然气罐进行充气，各天然气罐内压力为0.02mpa时，关闭第一天然气罐11的出气管112上的开关阀及放散管41上的开关阀。
44.(四)按照步骤(二)、步骤(三)依次将氮气充入第二个天然气罐、第三个天然气罐，直至每个天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa。
45.具体地，以第二天然气罐12为例，将氮气充入第二天然气罐12，当第二天然气罐12内压力达到0.3mpa后停止充氮气，静置2小时，充气和静置过程中每隔20min取样分析罐内天然气浓度；
46.打开第二天然气罐12的进气管、出气管上的开关阀，第三天然气罐13的进气管、出气管上的开关阀，第四天然气罐14的进气管、出气管上的开关阀及第一总管开关阀61、第三总管开关阀63，关闭第二总开关阀62、第四总开关阀64、第五总开关阀65及放散管41上的开关阀，第二天然气罐12内的气体经第三天然气罐13进入第四天然气罐14，对第二天然气罐12内的气体进行放散，同时对第三、第四天然气罐进行充气，各天然气罐内压力为0.02mpa时，关闭第二天然气罐12的出气管122上的开关阀及放散管41上的开关阀。
47.重复上述步骤，直至经罐底、罐顶两次取样分析，确认第二天然气罐12内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa，关闭第二天然气罐12的进气管、出气管，第二天然气罐12置换完毕；
48.可选地，上述步骤(一)包括下述过程：
49.将各天然气罐的出气管上的开关阀打开，将各天然气罐中的天然气输送至天然气中压管网，直至各天然气罐内的天然气压力降至设定值0.1mpa；
50.将各天然气罐的出气管与天然气回收单元31相连接，通过天然气回收单元31回收更多天然气使各天然气罐内的天然气压力降至设定值0.02mpa表压，具体地，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七总管开关阀61、62、63、64、65、66、67均打开，各天然气罐内的天然气经天然气回收单元31回收至中压天然气管，直至天然气罐内的天然气压力降至设定值0.02mpa。
51.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
技术特征：1.一种氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，包括氮气供应单元、天然气回收单元(31)、放散管(41)及至少两个天然气罐，所述氮气供应单元用于提供氮气，各所述天然气罐上均设置有进气管、出气管、温度测量元件、压力测量元件、取样口，各所述进气管、各所述出气管、所述天然气回收单元(31)及所述放散管(41)上分别设置有一开关阀，所述氮气供应单元与各所述进气管均相互连通，位于上游的所述天然气罐的所述出气管与位于下游的所述天然气罐的所述进气管连通，各所述出气管均与所述天然气回收单元(31)相互连通，各所述出气管均与所述放散管(41)相互连通。2.根据权利要求1所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，所述氮气供应单元包括液氮槽车、液氮气化装置、液氮缓冲装置，所述液氮槽车、所述液氮气化装置、所述液氮缓冲装置通过管道依次相连接，所述液氮槽车、所述液氮气化装置、所述液氮缓冲装置上均设置有进口阀及出口阀，所述液氮缓冲装置上还设置有流量计，所述液氮缓冲装置用于与所述天然气罐的进气管相连通。3.根据权利要求2所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，所述管道为金属波纹管道。4.根据权利要求3所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，所述液氮缓冲装置内设置有过滤器。5.根据权利要求4所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，还包括连接总管(51)，所述氮气供应单元的液氮缓冲装置、所述天然气回收单元(31)、所述放散管(41)及各所述天然气罐的所述进气管、各所述天然气罐的所述出气管均与所述连接总管(51)相连接，一个所述天然气罐的所述进气管与所述连接总管(51)的连接点位于上游的一个所述天然气罐的所述进气管与所述连接总管(51)的连接点和位于上游的一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管(51)的连接点之间，一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管(51)的连接点位于上游的一个所述天然气罐的出气管与所述连接总管(51)的连接点和位于下游的一个所述天然气罐的进气管与所述连接总管(51)的连接点之间。6.根据权利要求5所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，各所述天然气罐的结构相同，所述天然气罐底部设置有排污阀、底部入口，所述天然气罐顶部设置有顶部入口，所述底部入口上设置有底部密封盖板，所述顶部入口上设置有顶部密封盖板。7.根据权利要求6所述的氮气连续置换天然气的装置，其特征在于，所述天然气回收单元(31)为压缩机，所述压缩机一端与所述连接总管(51)相连，所述压缩机另一端与中压管网相连，所述压缩机与所述连接总管(51)之间设置有第六总管开关阀(66)，所述压缩机与所述中压管网之间设置有第七总管开关阀(67)。8.采用上述权利要求1-7任一所述的氮气连续置换天然气的装置进行天然气置换的方法，其特征在于：包括以下步骤，(一)将各天然气罐中的天然气输送至天然气管网，直至各所述天然气罐内的天然气压力降至0.02mpa；(二)切断最下游的所述天然气罐与天然气回收单元(31)的连接，将氮气充入最上游的第一个天然气罐，当所述第一个天然气罐内压力达到0.3mpa后停止充氮气，使所述第一个天然气罐内的气体充分混合；(三)使所述第一个天然气罐的出气管与第二个天然气罐的进气管连通，所述第二个天
然气罐的出气管与第三个天然气罐的进气管连通，依此类推，最下游的所述天然气罐的出气管关闭，当各所述天然气罐内压力相等时，将所述最下游的天然气罐的出气管与放散管(41)连通直至各所述天然气罐内压力为0.02mpa，关闭所述第一个天然气罐的出气管并切断所述最下游的天然气罐的出气管与所述放散管(41)的连通；重复上述步骤(二)、步骤(三)，直至所述第一个天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa，关闭所述第一个天然气罐的所述进气管、所述出气管；(四)按照所述步骤(二)、步骤(三)依次将氮气充入所述第一个天然气罐下游的各所述天然气罐，直至每个所述天然气罐内的可燃气体含量≤1％、环境温度40℃时压力值≥0.09mpa。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(一)包括下述过程：将各所述天然气罐的出气管上的开关阀打开，将各所述天然气罐内的天然气输送至天然气中压管网，直至各所述天然气罐内的天然气压力降至0.1mpa；将各所述天然气罐的出气管与所述天然气回收单元(31)相连接，通过所述天然气回收单元(31)使各所述天然气罐内的天然气压力降至0.02mpa。
技术总结本发明提供了一种氮气连续置换天然气的装置及方法，涉及天然气储备输送与供给技术领域，具体包括氮气供应单元、天然气回收单元、放散管及至少两个天然气罐，各所述天然气罐上均设置有进气管、出气管、温度测量元件、压力测量元件、取样口，各所述进气管、各所述出气管、所述天然气回收单元及所述放散管上分别设置有一开关阀，所述氮气供应单元与各所述进气管均相互连通，位于上游的所述天然气罐的所述出气管与位于下游的所述天然气罐的所述进气管连通，各所述出气管均与所述天然气回收单元相互连通，各所述出气管均与所述放散管相互连通。本发明氮气连续置换天然气罐内的天然气的装置降低环境污染、氮气用量较小、置换成本较低。置换成本较低。置换成本较低。
技术研发人员：车明 孙俊芳 张玉星 吴媛媛 朱瑞娟 蔡昊
受保护的技术使用者：北京市燃气集团有限责任公司
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1
