天然气管道投产置换混气段长度的研究-.pdf

。． L AN。 GAs TRANsP 。RT 。N 卷 T I油 号 储 运 {。 5 天然气管道投产置换混气段长度的研究 段威’ 张健。 张硕’ 刘海萍’ 1 ． 中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司， 江苏扬州2 2 5 0 0 9 2 ． 中国石油天然气股份有限公司中原输油气分公司， 山东德州 2 5 3 0 2 0 摘要 依据扩散基本 理论 和对流扩散方程建立的对流 扩散模 型， 推 导出混气长度计算公式。 利用 F L U E N T 模拟软件对天然 气管道 的氮气置换过程进行模拟 ， 得 出各主要影响 因素对 混气长度 影响的 一 般规律。根据气体 紊流扩散原理 ， 构建 天然气管道 投产置换实验平 台， 对不 同流速 下管道 内气体 的扩散过程进行实验研究。 通过模 拟结果 与实验 结论 的对 比， 获得天然气管道置换过程混气长度 的 变化规律 ， 为天然气管道 投产置换确定 合理参 数提供 了理论 依据。 关键 词 扩散理论 ； 混气长度 ； 影响规律 ； 实验平 台； 置换参 数 文献 标识码 A 文章 编号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 2 0 3 0 0 0 5 0 3 O前 言 我国天然气工业发展很快 ， 资源与需求均有强劲 的上升趋 势 。特别 是 近十 年来 ， 天然 气勘探 在 四川 、 鄂 尔多斯、 塔里木 、 柴达木和莺琼盆地取得了很大进展 1 ] 。 置换投产是输气管道工程建设 中的重要程序 。投产 中 ， 管道 的天 然 气 置换 是 最 危 险 的阶段 ， 管 道 在 施 工 中有可能遗 留下石块 、 焊渣 、 铁锈等物 ， 在气流冲击下 与 管壁 相撞 可 能产 生火 花 ， 管 内充 满 天然 气 与 空气 的 混合物 ， 若在爆炸极 限范围内， 就会爆炸起火E 2 3 。天然 气管道在投产使用前 ， 为避免天然气进入管线时直接 与管线 中的空气混合发生爆炸 ，必须采用无腐蚀性 、 无 毒害 性 的惰性 气体 作 为 隔离 介 质 ， 将管 线 内的空 气 置换 出去_ 3 ] 。氮气以其不易冷凝 、 惰性成份纯度高 、 压 力高等特点 ， 成为在长输管道置换 中最常用的置换介 质_ 4 _ 。 但是 ， 由于氮气置换过程中空气 、 氮气 、 天然气彼 此 间的浓度和压差 的作用 ， 导致空气与氮气 、 氮气与 天 然气 间 发生 扩散 ， 且 扩散 过 程复 杂 ， 受 到管 径 、 介 质 流速 、 置换 管道里程等多种因素影响 ， 使氮气 的实际 需求量变得极为复杂 ] 。 针对这一现状 ， 为使天然气管 道投产过程安全可靠 ， 提高置换效率 ， 降低管道投产 置 换施 工 费用 ． 有 必要 对 天然 气 管道 投 产置 换混 气 段 长 度 的影 响规律 进行科 学 、 系统研 究 。 1 混气段长度 的一般影 响规律 根据扩散理论 与传质理论可推导 出混气段长度 的理论计算公式 L 4 L Z P e 1 1 其中 d L ／ D ； 1 - 7 P e - 式 中 管线 内混气段长度 ， i n ； 收稿 日期 2 011 - 09 -1 1 基 金 项 目 西气东输 冀宁南段增压工程资助项 目 J N Z Y 一 2 作者简介 段威 1 9 8 3 一 ， 男 ， 黑龙江齐齐哈尔人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从事天然气管道工程建设相关技术工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I l 0 6 l 油O IL I 2 0 1 2 6 月 管线长 度 ， m 介质流动速度， m ／ s ； D 管线直径 ， m； 置换 时 间 。 s 。 式 1 为对称浓度范 围内混气段长度 的理论计算 公式 。 式 1 表明， 混气的多少与管内流速、 管线长度 、 管径等因素有关。 为了充分了解各影响 因素对混气段长度 的影响 规律 ， 采用 F L U E N T模拟软件对天然气管道氮气置换 过程进行数值模拟 ， 得到各 因素对混气段长度影响的 一 般 规律 。 1 ． 1 介质流 速对 混气段 长度 的影 响 在管径 为 0 ． 2 m， 管线 长度 为 2 0 0 0 m， 出 口背压 为 0 ． 3 MP a时。 对介质流动速度与混气段长度的关系进 行数值计算和分析 ， 得出不同速度所对应 的混气段长 度见图 1 。由图 1 可知， 随着介质流动速度的增大 ， 混 气段长度逐渐增大 ， 速度较小时增大较快 ， 速度较大 时增 长趋 势变 缓 。 g 、 赵 赠 图 1 介质流动速度对混气段长度的影响规律 1 ． 2管径对混气段长度的影响规律 在介质流动速度为 1 ． 3 ri g s ， 管线长度为 2 0 0 0 m， 出口背压为 0 ． 3 MP a 时 ． 对管径与混气段长度的关系进 行数值计算和分析 ． 得 出不 同管径所对应 的混气段长 度见图 2 。由图 2可知 ， 其它条件一定的情况下 ， 随着 管径 的增大 ． 混气段长度越来越大 ， 且随着管径 的增 大， 对混气段长度的影响程度越来越大。 1 ． 3管线 长度对 混气 段长 度的影 响规 律 ‘ 在介质流动速度为 1 ． 3 m ／ s ， 管径为 0 ． 2 m， 出 口背 压为 0 ． 3 MP a时， 对管线长度与混气段长度的关系进行 了数值计算和分析 ， 得出不同管线长度所对应的混气 段长度见图 3 。 由图 3可知， 在其它条件一定的情况下 ， 随着管线长度的增大， 混气段长度也越来越大。 由上 述 可 知 。 混 气 段长 度 与 介 质 的流 速 、 管 径 和 管线长度有关 ． 且混气段长度与管径成正 比， 与管线 g 、 赠 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 管径D／ mm 圈 2管径对混气段长度的影响规律 8 0 7 0 6 0 5 0 4 O 3 0 赠 2 0 1 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 管线 长度L ／ m 图 3管线长度对混气段长度的影响规律 长 度 的二分 之一次 方成正 比，这 与理论 推导 的结果 相 一 致 管内流速对混气段长度的影响是一个综合作用 的过程 ， 随着速度的增大 ， 气体进行分子扩散和对流传 质越来越激烈 ， 气体混合越充分 ， 混气段长度增长 ， 但 由于流速越快 ， 置换时间就越短 ， 气体混合时间变少 ， 因此。 两者并不呈线性关系， 这一点与计算公式相吻合。 2实验 平台 本实验平 台是用来模拟天然气管道的氮气置换 过程 。 为 了充分模拟实际管线 的所有特征 ， 实验平 台 在搭建时采用与实际工程完全相同的设备及管材。 在 综合考虑实验条件和实验效果等 因素后 ， 最终确定管 材选用 X 7 0的无缝钢管 ． 规格 为 D N2 0 0 。 管 线长2 0 0 1 7 1 ， 内部做环氧涂层 ， 以 1 0 m为单位长度采用蛇形巡回搭 建的方式， 延长管道内气体的混合时间， 见图 4 。系统 中增设稳压器 ， 防止气流波动对实验数据造成较大影 响 ． 减少气流变化对流量计的冲击 。 实验平台主要 由可燃气体注入区、 氮气注入区和 气体检测区三部分组成 。其中， 可燃气体注人 区用于 实现可燃气体的注入 、 计量 ， 及置换压力 、 温度 、 速度 的调节和记录功能 氮气注人区用于实现纯氮气的注 入 、 计量和温度 、 压力的调节和记录功能 ； 气体检测区 作为实验平台的核心部分 ． 主要是通过从含氧量检测 点和可燃气体检测点获得 的相关信息 ． 配合 3 流量 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 3期 oI L AND GAS T RANSP ORT A Tl ON AND S TOR AGE 计测得 的气体流速 ， 计算 出空气一氮气混气段 、 纯氮 气段 、 氮气一天然气混气段 的长度 ， 通过调节相关 的 实验参数来研究各 自对混气段长度 的影响 ， 得出各个 参数对天然气管道混气段长度 的影响规律。 可燃 1 流量计截止 阀1 截 止 阀2 图 4模 拟 实 验 平 台 工 艺流 程 图 截止 阀 1 ． 氧含量检测点 截止 阀 2 ． 可燃气体浓度检测点。 3 模拟 实验 3 ． 1 实验平 台 的基本 工作 原理 a 确 认 系 统 中 除截 止 阀 3外 其 余 所 有 阀 门 均 处 于关 闭状态 。 b 调 节注 氮 系统 ， 通 过 氮气 注 入 口向管线 内注 入 氮气 ， 并将氮气封存在截止阀 1和截止 阀 2之 间的管 段内。通过 2 流量计计量注入管线内的氮气量 ， 当达 到 实验 要 求 时关 闭 注 氮 系统 ， 利 用 P I 、 P T、 T I 、 1 T r记 录 注入氮气的压力 、 温度等相关信息。 c 调节可燃气体注入系统 。 通过注入 口处的截止 阀调节 置 换 速度 ， 通过 P I 、 P T 、 T I 、 T T观测 具 体 的 实验 压力和温度 ， 根据具体 的实验要求确定截止阀 1和截 止 阀 2的打开时间 为 了保证实验效果 。 尽量使 两阀 同时打 开 。 d 当截止阀 1和截止阀 2打开后 ， 氮气置换过程 开始 。此时， 要密切监视含氧量检测点和可燃气体检 测点 的相关数据 。当含氧量浓度开始变化时 ， 说明氮 气头已经到达 ， 含氧量逐渐 降低 当含氧量 和可燃气 体浓度 同时为零时 ， 说明纯氮气头到达 如果在实验 中没有纯氮气段 出现 ， 而是出现 了空气一氮气一 天然 气混气段 ， 说 明实验失败 ， 需重新核算氮气量 ， 再进行 实验 ； 当可燃气体浓度 由零开始增加时 ， 说明氮气一 天然气混气段已经达到 当可燃气体浓度增加到 9 5％ 时， 即可视为置换合格。 e 根据步骤 d 的各项实验数 据 ， 比照实验结果 ， l油 号 储 运 l。 7 通过调整置换速度 、 压力 、 温度和注入氮气量 获得纯 氮气段长度 ， 得到最佳工艺参数 。 3 _ 2流 速对 混气 段长 度 的影响 根据上述实验方法 ． 在其他实验条件不变的情况 下 ． 分别以不 同的气体流速进行氮气置换实验 。 得到 流 速对 混气 段长 度 的影 响规律 ， 见 图 5 。 暑 逮 赠 0 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2．5 3 速 度v ／ m S 1 图 5混气段长度与介质流速 间的关 系 4 结论 a 利用 F L U E N T模拟软件分别对不 同流速 、 管径 及管线长度下的天然气置换过程进行模拟 ， 获得 了天 然 气 管 道 投 产置 换 时混 气 段 长 度在 各 影 响 因 素 下 的 变化规律 ， 并且模拟结果与理论公式 的计算结果相符 合。 b 通过模 拟 结 果 与实 验结 论 的对 比分析 ， 说 明了 介质流速对混气段长度 的影响规律 ， 为天然气管道投 产置换时介质流速 的选择提供了理论参考 。 e 由于条 件 的 限制 ， 未 做管 径 及 管线 长度 等 因素 的影响实验 ， 待具备条件后 ． 再对上述 因素的影响规 律进 行实 验研 究 。 参考文献 [ 1 ]刘海萍， 梁 超． 天然气长输 管道建设项 目环境影响评价要 点分析 [ J ] ． 天然气与石 油， 2 0 1 0 ， 2 8 5 5 5 5 7 ． [ 2 ]刘雪梅 ， 谢 英． 输气管道投 产安全的探讨 [ J ] ． 天然气与石 油 ， 2 0 0 7 ， 2 5 4 1 1 1 4 ． [ 3 ] 孙兴 祥． 长距 离天然 气管线氮 气置换技 术研 究[ J ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 4 ， 2 3 4 4 8 5 1 ． [ 4 ]高贵 民． 氮气隔离技术在输气管线投 产中的应 用[ I ] ． 天然气 工 业 ， 1 9 9 5 ， 2 2 9 8 5 8 6 ． [ 5 ] 任增 琚． 输 气管线置换投 产工 艺的研 究与 实践 [ J ] ． 油气储 运 ， 2 0 0 3 ， 2 2 8 5 4 5 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m