長輸管道氮氣置換混氣段規律研究

柴 多，王衛強，王 飛

長輸管道氮氣置換混氣段規律研究

柴 多，王衛強，王 飛

（遼寧石油化工大學, 遼寧 撫順 113001）

目前長輸管道投產置換過程仍存在較大盲目性，浪費人力和物力。采用FLUENT模擬軟件對氮氣置換過程中混氣段進行數值模擬，在不同速度的情況下，對氣體混合長度與管徑、管長間關系進行研究，得出了在其他條件不變的情況下，氣體混合長度分別隨管徑和管長的增大而增長的規律；管道彎頭數量增多導致混氣段長度增加，對于大于100 000 m的管道，管道彎頭數量對混氣段長度影響可以忽略不計，管道長度越短時，彎頭數量對混氣長度影響越大，對日后現場投產置換帶來了參考依據。

氮氣置換；混氣段；數值模擬；管道彎頭

近年來，天然氣管道運輸建設在我國的發展非常迅速，在此發展過程中天然氣長輸管道的安全投產置換問題至關重要。據研究，為保證天然氣管道置換過程的操作安全,通常選擇氮氣把輸氣站及管道內的空氣置換出去，因為空氣中天然氣的含量很容易達到一定極限發生爆炸[1,2]。

投產置換的關鍵是怎樣有效、科學、安全和經濟的把空氣從管道中置換出去。當前國內外對混氣段規律的研究較少，有關行業對其也沒有明確的規范要求，置換投產的操作過程都多憑經驗，在這個過程當中存在很大的盲目性，造成了人力、物力及成本的浪費。在本文中仿真模擬了管道投產置換過程，模擬出了混合氣體在氮氣置換過程中的影響規律，該模擬結果可以更好的運用于實踐，為天然氣安全生產帶來巨大效益。

1 數值計算

1.1 計算模型

長輸管道投產氮氣置換過程涉及到氮氣的流動、氮氣與空氣的混合以及氮氣推動空氣流動，也就是氮氣在空氣中的對流擴散過程。多相流模型中的混合物要求兩相中只能有一相是可壓縮的，且不能模擬多相之間的混合流動和反應流動，所以混合模型不合適。通過對各類物質的對流、擴散和反應源的守恒方程的求解，可用FLUENT來模擬物質的混合和運輸[3,4]，因此采用化學反應模型中“組分運輸模型”（即在不發生化學反應的情況下計算組分之間的相互參混過程）作為長輸管道投產氮氣置換的計算模型。

1.2 網格劃分

長距離管道氮氣置換過程中，重力對混合氣的影響較小，重力對軸向截面水平方向的影響可以忽略不計，所以本文中FLUENT的模擬過程是二維仿真模擬，計算區域用GAMBIT軟件進行網格劃分。二維網格的劃分可以使用三角形網格（Tri）和四邊形網格（Quad），由于在兩種網格的步長幾乎相同的條件下，兩種網格在解的精確度、所需的計算時間、收斂速度等方面，四邊形網格均優于三角形網格，所以本文選用四邊形網格。建立模型時忽略管道的保溫層和防腐層，忽略壁厚，管道內氣體置換過程是在常溫下，而且流速較慢，管道壁面可以認為是常溫（環境溫度）。在劃分好的網格局部放大圖如圖 1所示（采用Interval Count分段方式，Ratio的節點距離比為1）。圖中上下藍色線段代表管道壁面，雖然網格軸向距離劃分較稀疏，但不影響本次模擬。

圖1 計算區域網格局部放大圖Fig.1 Partial enlargement of grid computing area

1.3 湍流模型

湍流模型中應將“計算的精確度和計算所需時間”作為選取模型的標準。國內學者付春麗曾進行模擬并得出結論：Reynolds-Stress模型不適用于長輸管道氮氣置換數值模擬，因為此模型計算量最大，比k-ε模型要多消耗50%～60%CPU和15%～20%內存，收斂難度大，所以應從剩下三個k-ε模型中選擇。其中標準 k-ε模型的 CPU消耗時間比Realizable k-ε模型少 11%，比 RNG k-ε模型少20%，但三者計算精度沒有太大差異。因此，本文長輸管道氮氣置換采用標準 k-ε模型進行湍流流場的數值模擬[5]。

1.4 邊界條件

設置邊界條件時應考慮實際計算機運算速度和適用于所選擇的模型。置換中的空氣和氮氣都是可壓縮氣體，將氮氣進入管線的進口設置為速度進口（velocity-inlet），將管線的出口設置為自由出口（outflow），管內選取壁面邊界（wall）。

1.5 求解器設置

黏度利用理想氣體混合定律，密度的計算公式使用理想氣體，并將其應用于組分運輸模型中。采用一階隱式的非定常分離求解器，PISO壓力速度耦合算法，時間步長設置為0.1 s，每一個時間步的迭代次數最多為20次。

2 數值模擬及分析

從圖2中可以看到，其余條件不變的條件下，隨著直徑的增加，也增大了對流擴散系數，導致管道內混合氣體長度的增加。在相同管徑下混氣長度由于氣體速度的增加使氣體的紊亂程度增大，分子擴散和對流傳質越來越激烈，從而越來越大。相同管徑時，隨著速度的增大混氣長度也增大。置換速度太低，可能會在管內形成層流狀態，使大量的氣體進入到另一種氣體中，容易形成大量的混合氣體，增加氣體混合長度；管線中的焊渣和其它能夠移動物的物體由于速度過高而在高速氣流的攜帶下運動，和管道發生碰撞，并產生火花[6,7]，對投產帶來安全隱患，所以置換速度不能太高。因此，應將速度控制在3～5 m/s為宜[8]，從而得到最短混氣段。

圖2 速度與混合氣體長度在管徑不一樣時的折線圖Fig.2 Speed and length of mixed gas in pipes with different diameter

圖3 不同速度下管長與混氣長度柱狀圖Fig.3 Pipe length and the length of mixed gas under different speed

3 管道彎頭對混氣段的影響

管道中彎頭數量的多少對混氣段長短有一定的影響，國內學者用 Taylor混合平推流模型及Bischoff(1964)公式對1995年美國天然氣工藝研究院所觀測的 8條天然氣管線進行計算[9]，得到國外不同的8條管線中彎頭數量所對應的混合系數。

由圖3可知，其他條件一定的情況下，管長不同所對應的混氣長度也不同。管長越長，混氣長度越大；在相同管長的條件下，混氣長度隨著速度的增大而增加。

本文從中取4條不同管線所對應的混合系數形成折線圖，如圖4所示，管道長度大于100 000 m時，圖中折線幾乎呈水平方向，即彎頭數量對混合系數影響可以忽略不計，也就是彎頭數量對混氣段長度可以忽略不計；管道長度一定時，彎頭數量增大導致混合系數增大，即混氣段長度隨著彎頭數量的增多而增大；從圖中能夠看出，管道的長度越小，折線幅度越大，彎頭數目對混合系數的影響越大，也就是對混合段氣體影響越大。

圖4 管道彎頭數量與混合系數關系折線圖Fig.4 The relation between pipe elbow number with mixing coefficient

4 安全投產置換

4.1 投產置換過程的主要風險及控制措施

為了確保投產置換的安全進行，如下表1-表3，列舉出各個過程的主要風險以及控制措施，以免在投產置換過程中帶來不必要的安全隱患。

表1 注氮過程中主要風險及控制措施Table 1 The main risk in the process of nitrogen injection and the control measures

表2 天然氣置換過程中主要風險及控制措施Table 2 The main risks and control measures in gas displacement process

表3 管道升壓過程中主要風險及控制措施Table 3 The pipeline booster risks and control measures

4.2 氮氣置換空氣、天然氣置換氮氣注意事項

（1）置換前要確保管道內清潔無雜物，以免給日后的運行帶來安全隱患。

（2）氮氣量過多可令人窒息，測試人員要注意在置換過程中檢測空氣中的氧含量。

（3）注入氮氣時合理控制溫度和壓力，為了盡可能的縮小混氣段并減少氮氣虧損，在停止注入氮氣后應立即注入天然氣；管道內氣體的流速應合理控制，為了更容易的監控流速，應在氮氣注入點處安置流量計，其速度一般應在3-5m/s為宜。置換速度過低，可能導致管內形成層流狀態，使大量氣體進入到另一種氣體中，容易形成大量的混合氣體，增加氣體混合長度；管線中的焊渣和其它能夠移動的物體由于速度過高而在高速氣流的攜帶下運動，和管道發生碰撞，并產生火花，對投產帶來安全隱患。

（4）應選擇多點檢測，應在每個分支管道的末尾處和主管道接近放空口處設置一個檢測口，在稍高管道和接近放空口處檢測。

（5）應避免置換過程中發生氣體停輸現象，否則會使兩種氣體接觸時間增長，從而增加混氣段長度。

（6）管道末端的天然氣放空，杜絕火源。

（7）置換合格后的升壓過程應緩慢進行，在同一時間對全線所有密封點檢測泄露。

（8）做好全部應急預案，預防突發事件的發生，以免帶來不必要的安全隱患。

4.3 組織實施

天然氣管道投產置換是一項復雜的系統工程，過程中必須嚴格按要求實施進行。逐項確認投產置換必須具備的工藝條件，電氣與防雷防靜電接地系統檢驗合格，消防系統與通訊系統準備就緒，做好對外宣傳和安全告知工作；核查投產人員和物資到位，各操作人員明確職責，熟悉操作要求；投產前應書面形成一系列相關應急預案，成立應急搶救小組，隨時待命，為安全投產做好全部準備工作。

5 結 論

在本文中，模擬了管道氮氣置換過程，其余條件不變的條件下，隨著直徑的增加，管道內混合氣體長度增加。

管長越長，混合氣體長度越長；管徑相同時，速度越大所對應的混氣長度越長，應將置換速度控制在3～5 m/s為宜，從而得到最短混氣段；管道彎頭數量增多導致混氣段長度增加，對于大于100 000 m的管道，管道彎頭數量對混氣段長度影響可以忽略不計，管道長度越短時，彎頭數量對混氣長度影響越大。本文同時列舉出注氮過程、天然氣置換過程、管道升壓過程的主要危險、危害、控制措施以及氮氣置換空氣、天然氣置換氮氣過程前后所需要的注意事項和阻止實施，為今后現場投產置換帶來安全保障。

［1］劉剛，汪岡偉.輸氣管道投產置換速度控制[J].油氣儲運，2007,26（12）:53-56.

［2］ 珺任增 ，吳長春.輸氣管道投產工藝的研究與實踐[J].油氣儲運，2003,22（8）:54-59.

［3］王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004.

［4］劉珂，吳明，邵大偉，等.埋地天然氣管道泄漏數值模擬[J].石油化工高等學校學報，2012,25（6）:59-62.

［5］付春麗.輸氣管道氮氣置換混氣長度的影響因素[J]. 油氣儲運，2011,30（2）:94-96.

［6］付春麗.海管氮氣置換混氣規律研究[D].東營：中國石油大學（華東），2009.

［7］李松.大口徑長輸管道無隔離器氮氣置換技術研究[D].大慶：大慶石油學院，2010.

［8］黃義忠.天然氣管輸運行前的氮氣置換技術[J].中外能源，2008,13（5）:73-76.

［9］王俊奇，白博峰，鄭欣.輸氣管道置換過程氣體混合的影響因素分析[J].油氣儲運，2010,29（6）:431-432.

Study on Gas Mixing Rule in Course of Nitrogen Gas Displacement in Long-distance Pipelines

CHAI Duo，WANG Wei-qiang，WANG Fei
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

At present, there still exists blindness in the commissioning of the long distance pipeline nitrogen gas replacement process, which wastes manpower and material resources. In this paper, by using FLUENT simulation software, numerical simulation of gas mixing in the nitrogen replacement process was carried out, the relationship between the gas mixing length with pipe diameter and length at different speed was studied. When other conditions were unchanged, change rule of the gas mixing length with increasing of the pipe diameter and pipe length was obtained: the gas mixing length increases with increasing of the pipe diameter and pipe length, the gas mixing length increases with increasing of pipe elbows; For more than 100 000 m pipe, effect of pipe elbow number on the mixing gas length can be neglected; And the shorter the pipeline length, the greater the elbow number impact on the length of mixed gas.

Nitrogen replacement; Mixing gas; Numerical simulation; Pipeline bend

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）04-0801-03

2014-11-06

柴多，女，吉林松原人，碩士研究生，2015年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業，研究方向：管道輸運技術研究。E-mail：240836170@qq.com。