天然气长输管道投产置换注氮量计算方法

摘要

本发明属于天然气长输管道投产无隔离器置换注氮量的计算方法，特别是天然气长输管道投产置换注氮量的最佳计算方法，通过流动的天然气与空气之间注入氮气，用氮气将天然气与空气隔开，其特征是：注入氮气量的多少是通过计算混合段氮气平均含量给出的，其计算公式是如右式，其中，Lc

说明书

技术领域

本发明属于天然气长输管道投产无隔离器置换注氮量计算方法，特别是天然气长输管道投产置换注氮量的最佳计算方法。

背景技术

目前，我国天然气管道投产置换方法均采用三种置换方式。一是采用双隔离器置换，如图1所示，采用两个隔离器(清管器)将空气、氮气和天然气分成三个彼此独立的区域，这三种介质和两个清管器依次向前推进。二是采用单隔离器置换，如图2所示，将一个隔离器置于空气和氮气之间，使空气与氮气、天然气隔离。其三是无隔离器，如图3所示，通过氮气将空气与天然气直接隔离。

虽然从理论上讲，加隔离器能起到隔离两种不同介质的作用，但在实际应用中是很难实现的。在设计操作中加隔离器存在的不利因素主要有：

1.天然气管道由于各段要求管材强度不一样，各段管道内径制造精度不一样的，而且管道上还有许多弯管段，这样造成隔离器磨损和变形，加之隔离器的耐磨损性能有限，起不到真正的隔离作用，反而在置换中还会增加负面影响，如对于距离较长的清管站间，清管球长时间在管道中行进，清管球的皮碗易被过度磨损导致串气过多，运动速度减慢，甚至清管球停留在管中，无法推出。

2.由于管道高程变化及管道内部表面粗糙度和内径尺寸等的变化，清管球的速度难以控制，在实际中不好操作。

对无隔离器置换方式，天然气、氮气和空气介质之间没有任何隔离装置，完全处于自由状态，其运行速度靠首站上的供气压力来控制；由于气体间的扩散，在气体置换过程中会发生氮气段与天然气的混合、氮气段与空气的混合，导致氮气隔离段长度在置换过程中逐渐缩短。因此，为了确保置换过程的安全性，必须对混合长度在置换过程中的变化规律进行深入研究，以获得最佳(或最短)稳定纯氮气段的工艺条件及操作工艺参数(如供气压力、流速)对混合长度的影响规律，避免管道中气体的流态滞留。

采用无隔离器氮气置换，比双隔离器和单隔离器方式具有以下特点：

1)置换效率高。

2)置换费用低。该方法减少了收发球操作，检测和工艺流程切换人员至少可以减少1/2；置换末端站不需要放空收球，减少了天然气的放空量；减少了隔离器和收发隔离器所需辅助材料、器具的消耗；氮气损失量小。

3)置换过程安全可靠。置换过程中不存在卡球、冲击、振动等现象，整个置换过程运行平稳，易于控制，受地形及管道安装精度等因素影响较小。

4)对置换管道的起末端的场站工艺要求简单，可以一次性对几个站之间管道或全线进行投产置换。

但注入的氮气量多少才是科学和可行的，目前国内天然气长输行业及相关行业规范均没有明确的要求和成熟的经验，置换注氮量仅凭经验进行。因此造成天然气管道投产成本较高，安全风险较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气长输管道投产置换注氮量的计算方法，以便科学的给出最佳注氮量。

本发明的目的是这样实现的，天然气长输管道投产置换注氮量的计算方法，通过流动的天然气与空气之间注入氮气，用氮气将天然气与空气隔开，其特征是：注入氮气量的多少是通过计算混合段氮气平均含量给出的，其计算公式是：

$\bar{C}={\int }_{L_{c1}}^{L_{c2}}{c}_{n_2}\mathrm{dl}/L_m$

其中，Lc₁、Lc₂分别为N₂质量浓度98％、N₂质量浓度2％混合段时的管道位置，Cn₂为混合段中N₂的摩尔体积浓度，Lm为混合段的长度。

所述的混合段中氮气平均含量波动范围为0.66～0.69。

所述的注入的氮气是液氮，液氮质量等于汽化后的氮气质量，有

m₁＝ρ_gV_g

其中：

m₁为液氮质量；

ρ_g代表氮气密度；

V_g为氮气体积，采用V_g＝CL_mA＝0.7L_mA计算；

L_m为计算混合长度，0.7为混合段内氮气含量，A为管道横截面积。

所述的最佳注氮量为空气、氮气混合段，纯氮气段和氮气、天然气混合段共三段氮气消耗量的总和。

所述的混合段长度及最佳注氮量的计算式分别如下：

$L=2.4\times (0.034~0.042){\left[\frac{L_p}{D}\right]}^{0.52}{R}_e^{0.42}D=(0.082~0.101){\left[\frac{L_p}{D}\right]}^{0.52}{R}_{e_e}^{0.42}D$

$m_{N_2}=(0.7+0.2)\times {\rho }_g\pi D^{2}L/4=0.225{\rho }_g\pi D^{2}L$

其中：

L--混合段长度，单位：m

L_P--已知置换长度，单位：m

D--管道内径，单位：m

--注氮量，单位：Kg

R_e＝ρuD/η

ρ_g--氮气密度

其中动力粘度η取为二元体系中两种气体(天然气和氮气)动力粘度的算术平均值；密度为两种气体(天然气和氮气)密度的算术平均值；速度u取置换平均速度。

由于本发明的优点是：通过以下计算公式计算混合段氮气的平均含量：

$\bar{C}={\int }_{L_{c1}}^{L_{c2}}{c}_{n_2}\mathrm{dl}/L_m$

求最佳注氮量，以上公式通过大量实验得出，因此注入的氮气量是科学和可行的，因此，通过本发明给出的公式注入氮气量，可以减少天然气管道投产成本，同时降低安全风险。本方法也可用其它惰性气体置换，但氮气是最经济的。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明。

图1是采用两个隔离器(清管器)将空气、氮气和天然气分成三个彼此独立的区域示意图；

图2是将一个隔离器置于空气和氮气之间，使空气与氮气、天然气隔离示意图；

图3是无隔离器，通过氮气将空气与天然气直接隔离示意图；

图4是多工况过程的拟合结果示意图；

图5是置换速度5.7m/s混合段平均氮气含量随时间变化规律示意图；

图6是置换速度2.8m/s混合段平均氮气含量随时间变化规律示意图。

具体实施方式

研究气体流速对扩散的影响规律。在实验室内，通过固定出口压力，改变入口N₂流速来实现。

实验结果反映了扩散过程的基本规律。在相同入口体积流量下，流动扩散初期，N₂与空气(计量O₂)的混合区很短，随时间逐渐增长；混合区长度的增长速率随时间逐渐减小；不同时刻的浓度分布相似，成包络线；混合区前沿速度大于后沿速度。以N₂+Air混合段为例，前沿为混合段中截面平均氮气摩尔浓度等于0.98的所处位置，后沿为混合段中截面平均氮气摩尔浓度等于0.02的所处位置。

在相同的流动速度下，背压的增加使氮气、空气的扩散系数也增加，加速了气体的扩散。因此，背压存在对管道投产置换是不利的，应减少背压。但由于受管道放空条件和系统及置换速度的限制，背压的存在是不可避免的，在投产置换确定氮气量时要考虑背压因素。

在相同置换流速、压力、温度及相同的置换管道长度等条件下，随着管径的增加，径向扩散的距离增加，后输的气体将形成更长的楔形等浓度面进入气体中，导致混合段长度增加。

压力增加，有：1)气体的分子扩散系数增加；2)气体密度增加；3)气体动力粘度变化不大。由于气体的分子扩散系数相对于湍流扩散系数要小2-3个数量级，因此由此对混合断长度的影响可忽略。密度增加后，气体扩散需要克服重力做功，对混合段长度的影响结果与二元气体的密度差、流动方向等有关。对N₂和空气扩散，N₂密度大于空气，二者的密度差随压力增加而增加，对向上流动，分子扩散需要克服重力作更多的功，因此，混合段长度减小；对向下流动，重力促使分子扩散的进行，因此，混合段长度增加。对于CH₄、N₂二元气体扩散过程，CH₄密度小于N₂且推动N₂流动，因此对向上流动，混合段长度增加，而对向下流动，混合段长度减小。对于水平流动，密度增加主要影响径向扩散，表现在混合段内气体相对浓度的变化，对轴向扩散没有影响，即可以忽略对混合段长度的影响。

用Fluent软件对天然气投产置换过程中空气段与氮气段的紊流扩散情况进行了多工况模拟，具体参数如下：管径0.457m，管道长度16Km，进口流速分别为2.81m/s、3.87m/s、4.7m/s、5.7m/s和6.5m/s，对应雷诺数取值8.79E+04、1.19E+05、1.49E+05、1.77E+05、2.03E+05。根据前面的影响参数分析，置换长度(L_p)、管径(D)、置换速度(u)是影响混合段长度(L_m)的主要因素。采用无量纲参数，L_p/D、L_m/D、Re，对数值模拟计算结果进行多参数拟合，拟合结果见图1。

拟合公式如下：

$\frac{L_m}{d}=0.08{\left(\frac{L_p}{d}\right)}^{0.52}{R_e}^{0.42}---(2-1)$

式中的物理量及计算过程如下：

L_m：混合长度，m；

L_p：已置换管道长度，m；

Re：Re＝ρud/η，其中动力粘度η取为二元体系中两种气体动力粘度的算术平均值；密度为两种气体密度的算术平均值；速度u取置换平均速度。

d：管道内径，m。

由于置换过程是典型的非稳态湍流扩散现象，因此在数值模拟中时间步长对计算结果的影响很大，时间步长越小计算精度越高。公式(2-1)是采用时间步长为1s的计算结果，本课题采用如下修正的办法，

${\left(\frac{L_m}{d}\right)}_{\mathrm{propose}}=a{\left(\frac{L_m}{d}\right)}_{\mathrm{\Delta t}=1}---(2-2)$

分别是推荐混合段长度计算结果与时间步长1s的计算结果(采用公式(2-1)计算)。图4是多工况置换过程的拟合结果，根据图4的对比分析，同时比对现场测试数据，修正系数a取0.43～0.52。

$\frac{L_m}{D}=(0.43~052)\times 0.08{\left(\frac{L_p}{D}\right)}^{0.52}{R_e}^{0.42}=(0.034~0.042){\left(\frac{L_p}{D}\right)}^{0.52}{R_e}^{0.42}---(2-3)$

以长呼天然气管道二期第一阶段投产为例，天然气管道内径0.457m，管道置换长度110km，平均置换速度3m/s，平均管道压力0.05MPa，据拟合公式计算的混合长度为1.33～1.63km，实际检测空气段与氮气段混合长度为1.6km，与现场数据基本吻合。

在空气与氮气混合段同时含有这两种气体，采用如下公式计算混合段氮气平均含量：

$\bar{C}={\int }_{L_{c1}}^{L_{c2}}{c}_{n_2}\mathrm{dl}/L_m---(2-4)$

其中，Lc₁、Lc₂分别为N₂质量浓度98％、N₂质量浓度2％时的管道位置，Cn₂为混合段中N₂的摩尔体积浓度，Lm为混合段的长度。图5是置换速度5.7m/s时混合段平均氮气含量随时间的变化规律，图6是置换速度2.8m/s时混合段平均氮气含量随时间的变化规律，图5、6为不同置换速度下的计算结果。混合段中氮气平均含量随时间逐渐略微增加，含量波动范围为0.66～0.69，安全起见取为0.7。

根据质量守恒原理，在氮气--空气二元气体扩散中，注入的液氮质量等于汽化后的氮气质量，所以有

m₁＝ρ_gV_g(2-5)

其中：

m₁为液氮质量；

ρ_g代表氮气密度；

V_g为氮气体积，采用V_g＝CL_mA＝0.7L_mA计算。

L_m为计算混合长度，0.7为混合段内氮气含量，A为管道横截面积。

最佳注氮量为空气、氮气混合段，纯氮气段和氮气、天然气混合段共三段氮气消耗量的总和。纯氮气段将空气与天然气完全隔开，只有具备足够长度纯氮气段才能保障置换投产安全，纯氮气段的长度取为混合段长度的20％。这里，根据安全起见，氮气、天然气混合段长度取等同于空气、氮气混合段长度。因此，混合段长度及注氮量的计算公式分别如下：

$L=2.4\times (0.034~0.042){\left[\frac{L_p}{D}\right]}^{0.52}{R}_e^{0.42}D=(0.082~0.101){\left[\frac{L_p}{D}\right]}^{0.52}{R}_{e_e}^{0.42}D---(2-6)$

$m_{N_2}=(0.7+0.2)\times {\rho }_g\pi D^{2}L/4=0.225{\rho }_g\pi D^{2}L---(2-7)$

已知天然气置换时的压力、温度、置换长度、置换速度，根据公式(2-6)、(2-7)可以得到注氮质量。

混合长度主要受置换流速、管道直径和置换管道长度三因素的影响，而对既定的天然气管道来说管道直径和置换长度都是定值，所以天然气推进速度是非常重要的控制参数。若在置换过程中出现停输，会延长两种不同气体接触时间，从而大大增加混合长度，应该避免置换过程中发生停输。置换速度不宜低于2m/s，太低则流动处于层流状态，一种气体的楔头大量进入另一种气体中，形成大量混气；根据二维数值计算结果，在2.8～6.5m/s置换速度范围内，混合长度随着置换速度增大而增长，但流速也不是越高越好。管道内的点焊渣等可移动物在高速气流的携带下运动，与管道的碰撞会有产生电火花的可能，带来安全隐患。

在现场置换时应注意以下问题：为了给提供稳定的背压以便于给下游平稳供气，首站应安装调压阀；封存在管道内提前所注氮气的压力不宜过高，否则正式置换开始后氮气段自身的扩散会使氮气-空气混气头到达各场站、阀室的时间和预计时间出现偏差。

通过搭建二元体系气体扩散室内实验系统，模拟天然气置换过程，测量二元体系的扩散长度随时间与空间的变化规律，比较了流速、出口背压对扩散长度的影响。实验获得了扩散过程得基本规律。

采用三维k-ε湍流扩散模型，对N₂二元体系的湍流扩散过程及其规律进行了模拟，得了相同截面N₂平均浓度随时间的变化规律。计算表明不能根据三维数值模拟结果获得湍流扩散系数与雷诺数的定量关系。

在分布式网络并行计算平台上用Fluent软件对天然气投产置换过程中空气段与氮气段的紊流扩散情况进行了二维多工况模拟，对比了流速对混合长度的影响，获得了混合长度计算的拟合公式以及最佳注氮量的计算方法。