輸氣管道投產置換過程工藝研究進展

陳磊 由雙海 馬云龍 馬瑛

摘 要：對目前國內輸氣管道在投產過程中氣體置換現狀進行了分析，重點介紹了比較常見的置換工藝，并從安全、效果以及現場實際操作難易程度等方面，考察了不同置換方式的優缺點，確定了不加隔離器的氮氣置換方法為最佳的置換工藝。此外還重點介紹了輸氣管道投產置換過程氣體混合規律的研究進展和成果，通過對目前研究現狀分析，指出了各研究手段的利弊，在今后的研究過程中需對各置換參數進行更加深層次的研究，不僅要有理論推導和數值模擬，更要對所得結果與現場進行反復驗證和修正。

關 鍵 詞：輸氣管道;置換;工藝;混合規律;數值模擬

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1301-03

Research Progress in Gas Replacement

Processes During Gas Pipeline Commissioning

CHEN Lei1， YOU Shuang-hai2， MA Yun-long3， MA Ying3

（ 1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety， China University of Petroleum，Beijing 102249， China;

2. Liaohe Petroleum Exploration Bureau Oilfield Construction Engineering No.1 Company，Liaoning Panjin 124000， China;

3. Sinopec Petroleum Engineering Design Company Beijing Branch， Beijing 102200， China）

Abstract： Status of gas replacement processes during gas pipeline commissioning in China was analyzed. Common replacement methods were compared. Advantages and disadvantages of different displacement methods were investigated from the view of safety， effect and degree of difficulty of actual operation. The results show that the nitrogen replacement method without isolator is the best. Research progress and results of the gas mixing rule in the replacement process were introduced. Through analyzing the present status of the research， advantages and disadvantages of various research methods were put forward. Its pointed out that the displacement parameters should be deeply studied in future， the theoretical derivation and numerical simulation should be strengthened， and field verification and correction of obtained results are also strengthened.

Key words： Gas pipeline; Replacemen; Process; Mixing rule; Numerical simulation

管道建成后輸氣管道的投產置換是其投入運行的關鍵環節，為確保管道運行安全，新建成的天然氣管道正式投用前必須采用惰性氣體置換輸氣站及管道內的空氣[1]，當置換管段末端內氧氣含量低于2%時，滿足天然氣輸送條件，管道置換合格[2]，目前，國內對置換工藝中各參數以及氣體混合規律缺乏研究，相關行業規范以及國外文獻資料較少，因此對置換過程的置換參數以及氣體混合規律的認識和研究具有重要的意義。

1 置換方式對比分析

1.1 置換方式

近些年來，我國輸氣管道投產置換過程通常采用注氮氣的方式，管道現場利用液氮蒸發獲得氮氣，并將其注入管線中，避免天然氣與空氣直接混合，不會使天然氣達到爆炸極限，以保證投產的安全性。主要采用加隔離器和不加隔離器的氮氣隔離置換方式[3]，兩種置換工藝的特點如下。

（1）隔離器置換工藝，該種工藝又分為雙隔離器置換工藝和單隔離器置換工藝，即采用隔離球或清管器將空氣與天然氣隔開，以阻止天然氣與空氣直接混合，達到安全操作的目的，這種工藝雖然采用隔離器將空氣與天然氣隔開，但增加了氣體運動的阻力以及置換的成本。雙隔離器置換工藝原理如圖1所示。

（2）不加隔離器置換工藝，是指在管道置換過程中不使用隔離器或清管器，采用氮氣將空氣與天然氣自然隔開，使天然氣、氮氣和空氣在管道中自然形成三個區域，因此也叫氣推氣置換方法，我國西氣東輸管線置換過程就采用此種方法，并取得了比較不錯的效果，打破了以往認為只有采用雙隔離器才能達到最佳效果的認識，現場發現采用不加隔離器置換工藝比雙隔離器置換工藝的混油量更少，原因在于雖然這種置換工藝使三個區域之間沒有相對的獨立性，而且三種氣體彼此之間的相互擴散又很大程度的受外界因素的影響，特別受到環境溫度、置換速度、管道壓力的影響最為明顯，但該置換工藝在置換過程中所受阻力相對較小，而且也容易控制置換速度，現場操作也比加隔離器置換工藝簡單，經濟性也較好。其置換工藝原理如圖2所示。

（a） 最初狀態

（b） 最終狀態

圖1 雙隔離器置換工藝原理

Fig.1 Double isolator displacement process

圖2 不加隔離器氮氣置換工藝原理

Fig.2 The principle of nitrogen replacement process without isolator

1.2 置換方法的比較分析

在實際的投產置換過程中，首要選擇混油段最短的置換工藝，而決定混合段長度的是氣體在管道中的流動狀態，當氣體處于紊流狀態時，混合段的長度會大大減小，而是否采用隔離器或者清管器對混合段的長度并不其決定的作用，即使應用隔離器，也很難完全的將兩種介質分隔開來，特別是當隔離器經過管道彎管處或是經過較長站間時，會發生磨損變形的現象，將導致其速度降低，甚至滯留管中，造成不良后果。此外，氣推氣置換工藝成本較低，置換阻力較小，現場執行操作相對容易，而且置換速度容易控制，安全性較好。綜上所述，氣推氣方法是天然氣投產置換的最佳工藝。

2 混合長度變化規律研究

對于無隔離器的置換方式，由于氣體的自由擴散，導致在氣體置換的過程中會發生氣體的混合，尤其是氮氣段長度的逐漸縮小，增加了置換過程的風險性，為此必須對混合段的混合長度進行深入研究。

薛繼軍[4]等人通過建立二元體系氣體混合研究的實驗系統來模擬天然氣的置換過程，得到了混合長度隨時間、空間的變化規律以及流速和背壓對混合長度的影響，但室內模擬實驗難以實現多測點同步、實時采樣，這樣會導致測量結果的隨機誤差較大，為此需要增加現場實驗的測量內容，以得到較為準確的氣體混合規律。郭誼民[5]等人以長乎天然氣管道投產為背景，對該管道投產置換過程進行了計算機模擬，獲得了氣體置換速度對混合段長度的影響規律，但其將置換過程簡化為二維紊流擴散模型并非完全準確，因為在置換過程中氣體有可能處于層流至紊流的過渡區間，此外其所選取的氣體置換速度僅在2.81～6.50 m/s范圍內，這僅反映了氣體置換的大部分情況，不具有普遍的意義，為此需要繼續深入探討不同速度下的氣體置換規律，以便指導實際生產。范開峰[6]等人通過建立管道模型，并在Fluent軟件中進行求解設置后，運用組分輸運模型模擬分析了氮氣置換過程中混氣段的特性，得出了不同時間與不同速度下混氣段的特性規律。但該實驗是對長1 000 m，直徑0.486 m的管道進行的數值模擬，所得結論是否具有普遍意義還有待進一步研究。段威與李剛[7，8]等人依據擴散基本理論和對流擴散方程建立對流—擴散模型，并應用仿真軟件進行模擬，推導出混氣長度計算公式，但其二人均未考慮管徑與管長對結果的影響。許玉磊[9]針對無隔離器的置換方式，建立基于投產的流體力學數學模型，并利用差分求解，雖然所得結果與西氣東輸實際相吻合，并未與其他管線進行驗證分析，因此計算方法及模擬手段并未具備普遍的規律，但在某種意義上也為該工藝方式的推廣提供一定的理論基礎。

3 結 語

目前，氮氣置換在國內已有很多成功的經驗，但其置換工藝大多根據以往的經驗獲得，大多參數的確定也都根據實踐應用所得，而室內模擬所得數據與實際偏差較大，因此對于注氮速度、混氣段長度的準確計算還需要進行深層次的理論研究與計算，不僅要有理論推導和數值模擬，更要對所得結果與現場進行反復驗證和修正。此外，還應對已有的各種實際參數進行記錄、整理和分析，以便為以后其他管道安全投產積累經驗。

參考文獻：

[1]Koinecke A， Kreuzig R， Bahadir M. Effects of modifiers， adsorbents and eluents in supercritical fluid extraction of selected pesticides in soil[J]. Journal of chromatography a，1997，786（1）：155-161.

[2]王仁安，胡云翔.超臨界流體萃取分餾法分離石油重質油[J].石油學報 （石油加工）， 1997， 13（1）：53-59.

[3]付先惠，王孝剛，孟慶華，等.輸氣管道置換優化研究[J].管道技術與設備，2012，1：9-11.

[4]薛繼軍，張鵬云，王俊奇，等.輸氣管道投產置換過程氣體混合規律研究[J].天然氣工業， 2006， 26（12）：147-149.

[5]郭誼民，薛繼軍.輸氣管道氮氣置換過程氣體混合規律數值模擬[J].石油礦場機械，2006，35（5）：31-34.

[6]范開峰，王衛強，馬躍，等.天然氣管道氮氣置換過程混氣段數值模擬[J].石油化工高等學校學報， 2013，26（1）： 63-67.

[7]段威，張健，張碩，等.天然氣管道投產置換混氣段長度的研究[J].天然氣與石油，2012，30（3）：2-7.

[8]李剛，楊廣濤，李華，等.應用仿真軟件模擬天然氣管道投產氣體置換的探索[J].石油和化工設備，2013，16（8）：48-50.

[9]許玉磊，宋曉琴，張一峰，等.輸氣管道“氣推氣”投產過程混氣規律研究[J].油氣儲運， 2008， 27（1）： 11-12.