專利名稱：天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天然氣長輸管道投產(chǎn)無隔離器置換注氮量計(jì)算方法，特別 是天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的最佳計(jì)算方法。
技術(shù)背景目前，我國天然氣管道投產(chǎn)置換方法均采用三種置換方式。 一是采用 雙隔離器置換，如圖1所示，采用兩個(gè)隔離器(清管器)將空氣、氮?dú)夂吞?然氣分成三個(gè)彼此獨(dú)立的區(qū)域，這三種介質(zhì)和兩個(gè)清管器依次向前推進(jìn)。二是采用單隔離器置換，如圖2所示，將一個(gè)隔離器置于空氣和氮?dú)庵g， 使空氣與氮?dú)?、天然氣隔離。其三是無隔離器，如圖3所示，通過氮?dú)鈱?空氣與天然氣直接隔離。雖然從理論上講，加隔離器能起到隔離兩種不同介質(zhì)的作用，但在實(shí)際應(yīng)用中是很難實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)操作中加隔離器存在的不利因素主要有1. 天然氣管道由于各段要求管材強(qiáng)度不一樣，各段管道內(nèi)徑制造精 度不一樣的，而且管道上還有許多彎管段，這樣造成隔離器磨損和變形， 加之隔離器的耐磨損性能有限，起不到真正的隔離作用，反而在置換中還 會(huì)增加負(fù)面影響，如對(duì)于距離較長的清管站間，清管球長時(shí)間在管道中行 進(jìn)，清管球的皮碗易被過度磨損導(dǎo)致串氣過多，運(yùn)動(dòng)速度減慢，甚至清管 球停留在管中，無法推出。2. 由于管道高程變化及管道內(nèi)部表面粗糙度和內(nèi)徑尺寸等的變化，清管球的速度難以控制，在實(shí)際中不好操作。對(duì)無隔離器置換方式，天然氣、氮?dú)夂涂諝饨橘|(zhì)之間沒有任何隔離裝 置，完全處于自由狀態(tài)，其運(yùn)行速度靠首站上的供氣壓力來控制；由于氣 體間的擴(kuò)散，在氣體置換過程中會(huì)發(fā)生氮?dú)舛闻c天然氣的混合、氮?dú)舛闻c 空氣的混合，導(dǎo)致氮?dú)飧綦x段長度在置換過程中逐漸縮短。因此，為了確 保置換過程的安全性，必須對(duì)混合長度在置換過程中的變化規(guī)律進(jìn)行深入 研究，以獲得最佳(或最短)穩(wěn)定純氮?dú)舛蔚墓に嚄l件及操作工藝參數(shù)(如 供氣壓力、流速)對(duì)混合長度的影響規(guī)律，避免管道中氣體的流態(tài)滯留。采用無隔離器氮?dú)庵脫Q，比雙隔離器和單隔離器方式具有以下特點(diǎn)1) 置換效率高。2) 置換費(fèi)用低。該方法減少了收發(fā)球操作，檢測和工藝流程切換人員 至少可以減少l/2;置換末端站不需要放空收球，減少了天然氣的放空量; 減少了隔離器和收發(fā)隔離器所需輔助材料、器具的消耗；氮?dú)鈸p失量小。3) 置換過程安全可靠。置換過程中不存在卡球、沖擊、振動(dòng)等現(xiàn)象， 整個(gè)置換過程運(yùn)行平穩(wěn)，易于控制，受地形及管道安裝精度等因素影響較 小。4) 對(duì)置換管道的起末端的場站工藝要求簡單，可以一次性對(duì)幾個(gè)站之 間管道或全線進(jìn)行投產(chǎn)置換。但注入的氮?dú)饬慷嗌俨攀强茖W(xué)和可行的，目前國內(nèi)天然氣長輸行業(yè)及 相關(guān)行業(yè)規(guī)范均沒有明確的要求和成熟的經(jīng)驗(yàn)，置換注氮量僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn) 行。因此造成天然氣管道投產(chǎn)成本較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算 方法，通過流動(dòng)的天然氣與空氣之間注入氮?dú)?，用氮?dú)鈱⑻烊粴馀c空氣隔 開，其特征是注入氮?dú)饬康亩嗌偈峭ㄟ^計(jì)算混合段氮?dú)馄骄拷o出的， 其計(jì)算公式是-其中，LCl、 Lc2分別為N2質(zhì)量濃度98M、 &質(zhì)量濃度2%混合段時(shí)的管 道位置，Cri2為混合段中N2的摩爾體積濃度，Lm為混合段的長度。 所述的混合段中氮?dú)馄骄坎▌?dòng)范圍為0. 66 0. 69。 所述的注入的氮?dú)馐且旱?，液氮質(zhì)量等于汽化后的氮?dú)赓|(zhì)量，有其中^為液氮質(zhì)量； ^代表氮?dú)饷芏?；Vg為氮?dú)怏w積，采用^=^^ = 0.74^計(jì)算；^為計(jì)算混合長度，0.7為混合段內(nèi)氮?dú)夂?，A為管道橫截面積。 所述的最佳注氮量為空氣、氮?dú)饣旌隙?，純氮?dú)舛魏偷獨(dú)?、天然氣?合段共三段氮?dú)庀牧康目偤?。所述的混合段長度及最佳注氮量的計(jì)算式分別如下丄- 2.4 x (0.034 ~ 0.0420.52《421> = (0.082 ~ 0.1016 、 1 D0.52wW2=(0.7 + 0.2) x /3,￡)2丄/ 4 = 0.225p,"2丄 其中丄--混合段長度,單位W-已知置換長度，單位/ -管道內(nèi)徑，單位》I --注氮量，單位KgA--氮?dú)饷芏绕渲袆?dòng)力粘度^7取為二元體系中兩種氣體(天然氣和氮?dú)?動(dòng)力粘度的算術(shù)平均值；密度為兩種氣體(天然氣和氮?dú)?密度的算術(shù)平均值；速度u取置換平均速度。由于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過以下計(jì)算公式計(jì)算混合段氮?dú)獾钠骄壳笞罴炎⒌?，以上公式通過大量實(shí)驗(yàn)得出，因此注入的氮?dú)饬渴强?學(xué)和可行的，因此，通過本發(fā)明給出的公式注入氮?dú)饬?，可以減少天然氣 管道投產(chǎn)成本，同時(shí)降低安全風(fēng)險(xiǎn)。本方法也可用其它惰性氣體置換，但 氮?dú)馐亲罱?jīng)濟(jì)的。


下面結(jié)合實(shí)施例附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是采用兩個(gè)隔離器(清管器)將空氣、氮?dú)夂吞烊粴夥殖扇齻€(gè)彼此 獨(dú)立的區(qū)域示意圖；圖2是將一個(gè)隔離器置于空氣和氮?dú)庵g，使空氣與氮?dú)?、天然氣?離示意圖；圖3是無隔離器，通過氮?dú)鈱⒖諝馀c天然氣直接隔離示意圖； 圖4是多工況過程的擬合結(jié)果示意圖；圖5是置換速度5.7m/s混合段平均氮?dú)夂侩S時(shí)間變化規(guī)律示意圖；圖6是置換速度2.8m/s混合段平均氮?dú)夂侩S時(shí)間變化規(guī)律示意圖。
具體實(shí)施方式
研究氣體流速對(duì)擴(kuò)散的影響規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過固定出口壓力，改變?nèi)肟贜2流速來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了擴(kuò)散過程的基本規(guī)律。在相同入口體積流量下，流動(dòng)擴(kuò)散初期，N2與空氣(計(jì)量02)的混合區(qū)很短，隨時(shí)間逐漸增長；混合區(qū)長 度的增長速率隨時(shí)間逐漸減?。徊煌瑫r(shí)刻的濃度分布相似，成包絡(luò)線；混 合區(qū)前沿速度大于后沿速度。以N2+Air混合段為例，前沿為混合段中截 面平均氮?dú)饽枬舛鹊扔?. 98的所處位置，后沿為混合段中截面平均氮 氣摩爾濃度等于0. 02的所處位置。在相同的流動(dòng)速度下，背壓的增加使氮?dú)?、空氣的擴(kuò)散系數(shù)也增加， 加速了氣體的擴(kuò)散。因此，背壓存在對(duì)管道投產(chǎn)置換是不利的，應(yīng)減少背 壓。但由于受管道放空條件和系統(tǒng)及置換速度的限制，背壓的存在是不可 避免的，在投產(chǎn)置換確定氮?dú)饬繒r(shí)要考慮背壓因素。在相同置換流速、壓力、溫度及相同的置換管道長度等條件下，隨著 管徑的增加，徑向擴(kuò)散的距離增加，后輸?shù)臍怏w將形成更長的楔形等濃度 面進(jìn)入氣體中，導(dǎo)致混合段長度增加。壓力增加，有l(wèi))氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)增加；2)氣體密度增加；3)氣 體動(dòng)力粘度變化不大。由于氣體的分子擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)于湍流擴(kuò)散系數(shù)要小 2 — 3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此由此對(duì)混合斷長度的影響可忽略。密度增加后，氣體 擴(kuò)散需要克服重力做功，對(duì)混合段長度的影響結(jié)果與二元?dú)怏w的密度差、 流動(dòng)方向等有關(guān)。對(duì)N2和空氣擴(kuò)散，N2密度大于空氣，二者的密度差隨壓 力增加而增加，對(duì)向上流動(dòng)，分子擴(kuò)散需要克服重力作更多的功，因此，混合段長度減小；對(duì)向下流動(dòng)，重力促使分子擴(kuò)散的進(jìn)行，因此，混合段 長度增加。對(duì)于C仏、N2二元?dú)怏w擴(kuò)散過程，C仏密度小于N2且推動(dòng)N2流動(dòng)， 因此對(duì)向上流動(dòng)，混合段長度增加，而對(duì)向下流動(dòng)，混合段長度減小。對(duì) 于水平流動(dòng)，密度增加主要影響徑向擴(kuò)散，表現(xiàn)在混合段內(nèi)氣體相對(duì)濃度 的變化，對(duì)軸向擴(kuò)散沒有影響，即可以忽略對(duì)混合段長度的影響。用Fluent軟件對(duì)天然氣投產(chǎn)置換過程中空氣段與氮?dú)舛蔚奈闪鲾U(kuò)散 情況進(jìn)行了多工況模擬，具體參數(shù)如下管徑0.457m，管道長度16Km， 進(jìn)口流速分別為2.81 m/s、 3.87 m/s、 4.7 m/s、 5. 7m/s和6.5m/s，對(duì) 應(yīng)雷諾數(shù)取值8. 7犯+04、 1. 1犯+05、 1.49E+05、 1. 77E+05、 2.0犯+05。根 據(jù)前面的影響參數(shù)分析，置換長度(Zp)、管徑(D)、置換速度(u)是影響混 合段長度(4)的主要因素。采用無量綱參數(shù)，~/"、丄 /"、 Re，對(duì)數(shù)值 模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)擬合，擬合結(jié)果見圖1。擬合公式如下-式中的物理量及計(jì)算過程如下混合長度，m; 丄,已置換管道長度，m;Re- Re-/^//;/,其中動(dòng)力粘度7取為二元體系中兩種氣體動(dòng)力粘度 的算術(shù)平均值；密度為兩種氣體密度的算術(shù)平均值；速度u取置換平均速度。d:管道內(nèi)徑，m。由于置換過程是典型的非穩(wěn)態(tài)湍流擴(kuò)散現(xiàn)象，因此在數(shù)值模擬中時(shí)間步長對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大，時(shí)間步長越小計(jì)算精度越高。公式(2-l)是 采用時(shí)間步長為Is的計(jì)算結(jié)果，本課題采用如下修正的辦法，<formula>formula see original document page 10</formula>計(jì)算結(jié)果(采用公式(2-l)計(jì)算)。圖4是多工況置換過程的擬合結(jié)果，根據(jù)圖4的對(duì)比分析，同時(shí)比對(duì)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，修正系數(shù)a取0.43 0.52。<formula>formula see original document page 10</formula>以長呼天然氣管道二期第一階段投產(chǎn)為例，天然氣管道內(nèi)徑0. 457m， 管道置換長度110km，平均置換速度3m/s，平均管道壓力0. 05MPa，據(jù)擬 合公式計(jì)算的混合長度為1.33 1.63km，實(shí)際檢測空氣段與氮?dú)舛位旌祥L 度為1.6km，與現(xiàn)場數(shù)據(jù)基本吻合。在空氣與氮?dú)饣旌隙瓮瑫r(shí)含有這兩種氣體，采用如下公式計(jì)算混合段 氮?dú)馄骄?<formula>formula see original document page 10</formula> 其中，LCl、 Lc2分別為N2質(zhì)量濃度989&、 &質(zhì)量濃度2%時(shí)的管道位置， Cri2為混合段中N2的摩爾體積濃度，Lm為混合段的長度。圖5是置換速度 5.7m/s時(shí)混合段平均氮?dú)夂侩S時(shí)間的變化規(guī)律，圖6是置換速度2.8m/s 時(shí)混合段平均氮?dú)夂侩S時(shí)間的變化規(guī)律，圖5、 6為不同置換速度下的 計(jì)算結(jié)果?；旌隙沃械?dú)馄骄侩S時(shí)間逐漸略微增加，含量波動(dòng)范圍為 0.66 0.69，安全起見取為0.7。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在氮?dú)?-空氣二元?dú)怏w擴(kuò)散中，注入的液氮質(zhì)量等于汽化后的氮?dú)赓|(zhì)量，所以有Wg (2-5)其中^為液氮質(zhì)量； A代表氮?dú)饷芏龋籚g為氮?dú)怏w積，采用Fg-^^-0.7Z^計(jì)算。4為計(jì)算混合長度，0.7為混合段內(nèi)氮?dú)夂?，A為管道橫截面積。 最佳注氮量為空氣、氮?dú)饣旌隙?，純氮?dú)舛魏偷獨(dú)?、天然氣混合段?三段氮?dú)庀牧康目偤汀＜兊獨(dú)舛螌⒖諝馀c天然氣完全隔開，只有具備足 夠長度純氮?dú)舛尾拍鼙Ｕ现脫Q投產(chǎn)安全，純氮?dú)舛蔚拈L度取為混合段長度 的20%。這里，根據(jù)安全起見，氮?dú)?、天然氣混合段長度取等同于空氣、 氮?dú)饣旌隙伍L度。因此，混合段長度及注氮量的計(jì)算公式分別如下-<formula>formula see original document page 11</formula>(2-6)
<formula>formula see original document page 11</formula>(2-7)已知天然氣置換時(shí)的壓力、溫度、置換長度、置換速度，根據(jù)公式 (2-6)、 (2-7)可以得到注氮質(zhì)量。混合長度主要受置換流速、管道直徑和置換管道長度三因素的影響， 而對(duì)既定的天然氣管道來說管道直徑和置換長度都是定值，所以天然氣推 進(jìn)速度是非常重要的控制參數(shù)。若在置換過程中出現(xiàn)停輸，會(huì)延長兩種不 同氣體接觸時(shí)間，從而大大增加混合長度，應(yīng)該避免置換過程中發(fā)生停輸。 置換速度不宜低于2m/s，太低則流動(dòng)處于層流狀態(tài)， 一種氣體的楔頭大量進(jìn)入另一種氣體中，形成大量混氣；根據(jù)二維數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在2.8 6.5m/s置換速度范圍內(nèi)，混合長度隨著置換速度增大而增長，但流速也不 是越高越好。管道內(nèi)的點(diǎn)焊渣等可移動(dòng)物在高速氣流的攜帶下運(yùn)動(dòng)，與管 道的碰撞會(huì)有產(chǎn)生電火花的可能，帶來安全隱患。在現(xiàn)場置換時(shí)應(yīng)注意以下問題為了給提供穩(wěn)定的背壓以便于給下游 平穩(wěn)供氣，首站應(yīng)安裝調(diào)壓閥；封存在管道內(nèi)提前所注氮?dú)獾膲毫Σ灰诉^ 高，否則正式置換開始后氮?dú)舛巫陨淼臄U(kuò)散會(huì)使氮?dú)庖豢諝饣鞖忸^到達(dá)各 場站、閥室的時(shí)間和預(yù)計(jì)時(shí)間出現(xiàn)偏差。通過搭建二元體系氣體擴(kuò)散室內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬天然氣置換過程，測 量二元體系的擴(kuò)散長度隨時(shí)間與空間的變化規(guī)律，比較了流速、出口背壓 對(duì)擴(kuò)散長度的影響。實(shí)驗(yàn)獲得了擴(kuò)散過程得基本規(guī)律。采用三維s湍流擴(kuò)散模型，對(duì)N2二元體系的湍流擴(kuò)散過程及其規(guī)律 進(jìn)行了模擬，得了相同截面N2平均濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。計(jì)算表明不能 根據(jù)三維數(shù)值模擬結(jié)果獲得湍流擴(kuò)散系數(shù)與雷諾數(shù)的定量關(guān)系。在分布式網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算平臺(tái)上用Fluent軟件對(duì)天然氣投產(chǎn)置換過程 中空氣段與氮?dú)舛蔚奈闪鲾U(kuò)散情況進(jìn)行了 二維多工況模擬，對(duì)比了流速對(duì) 混合長度的影響，獲得了混合長度計(jì)算的擬合公式以及最佳注氮量的計(jì)算 方法。
權(quán)利要求
1. 天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方法，通過流動(dòng)的天然氣與空氣之間注入氮?dú)?，用氮?dú)鈱⑻烊粴馀c空氣隔開，其特征是注入氮?dú)饬康亩嗌偈峭ㄟ^計(jì)算混合段氮?dú)馄骄拷o出的，其計(jì)算公式是
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方法， 其特征是所述的混合段中氮?dú)馄骄坎▌?dòng)范圍為0. 66 0. 69。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方法， 其特征是所述的注入的氮?dú)馐且旱?，液氮質(zhì)量等于汽化后的氮?dú)赓|(zhì)量， 有其中/n,為液氮質(zhì)量； A代表氮?dú)饷芏?；Vg為氮?dú)怏w積，采用巳=^^ = 0.74^計(jì)算；^為計(jì)算混合長度，0.7為混合段內(nèi)氮?dú)夂?，A為管道橫截面積。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方法， 其特征是所述的注入氮?dú)饬繛榭諝?、氮?dú)饣旌隙?，純氮?dú)舛魏偷獨(dú)狻⑻?然氣混合段共三段氮?dú)庀牧康目偤汀?、根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的計(jì)算方法，其特征是所述的混合段長度及最佳注氮量的計(jì)算式分別如下-/%2=(0.7 + 0.2) x / g;rZ)2i: / 4 = 0.225/ ,2丄 其中-丄--混合段長度,單位附 Z尸-"B知置換長度，單位mD--管道內(nèi)徑，單位；n /%2--注氮量，單位KgA--氮?dú)饷芏绕渲袆?dòng)力粘度/7取為二元體系中兩種氣體(天然氣和氮?dú)?動(dòng)力粘度 的算術(shù)平均值；密度為兩種氣體(天然氣和氮?dú)?密度的算術(shù)平均值；速 度u取置換平均速度。
全文摘要
本發(fā)明屬于天然氣長輸管道投產(chǎn)無隔離器置換注氮量的計(jì)算方法，特別是天然氣長輸管道投產(chǎn)置換注氮量的最佳計(jì)算方法，通過流動(dòng)的天然氣與空氣之間注入氮?dú)?，用氮?dú)鈱⑻烊粴馀c空氣隔開，其特征是注入氮?dú)饬康亩嗌偈峭ㄟ^計(jì)算混合段氮?dú)馄骄拷o出的，其計(jì)算公式是如右式，其中，Lc₁、Lc₂分別為N₂質(zhì)量濃度98％、N₂質(zhì)量濃度2％混合段時(shí)的管道位置，Cn₂為混合段中N₂的摩爾體積濃度，Lm為混合段的長度。通過本發(fā)明給出的公式注入氮?dú)饬浚梢詼p少天然氣管道投產(chǎn)成本，同時(shí)降低安全風(fēng)險(xiǎn)。
文檔編號(hào)F17D3/05GK101230952SQ20071001731
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者吳喜懷, 張鵬云, 曾學(xué)軍, 邵江云 申請(qǐng)人:長慶石油勘探局