輸氣管道投產(chǎn)置換過程工藝研究進(jìn)展

陳磊 由雙海 馬云龍 馬瑛

摘 要：對(duì)目前國(guó)內(nèi)輸氣管道在投產(chǎn)過程中氣體置換現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了比較常見的置換工藝，并從安全、效果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作難易程度等方面，考察了不同置換方式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了不加隔離器的氮?dú)庵脫Q方法為最佳的置換工藝。此外還重點(diǎn)介紹了輸氣管道投產(chǎn)置換過程氣體混合規(guī)律的研究進(jìn)展和成果，通過對(duì)目前研究現(xiàn)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(duì)各置換參數(shù)進(jìn)行更加深層次的研究，不僅要有理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，更要對(duì)所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和修正。

關(guān) 鍵 詞：輸氣管道;置換;工藝;混合規(guī)律;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chǎn)置換是其投入運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為確保管道運(yùn)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(nèi)的空氣[1]，當(dāng)置換管段末端內(nèi)氧氣含量低于2%時(shí)，滿足天然氣輸送條件，管道置換合格[2]，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)置換工藝中各參數(shù)以及氣體混合規(guī)律缺乏研究，相關(guān)行業(yè)規(guī)范以及國(guó)外文獻(xiàn)資料較少，因此對(duì)置換過程的置換參數(shù)以及氣體混合規(guī)律的認(rèn)識(shí)和研究具有重要的意義。

1 置換方式對(duì)比分析

1.1 置換方式

近些年來，我國(guó)輸氣管道投產(chǎn)置換過程通常采用注氮?dú)獾姆绞剑艿垃F(xiàn)場(chǎng)利用液氮蒸發(fā)獲得氮?dú)?，并將其注入管線中，避免天然氣與空氣直接混合，不會(huì)使天然氣達(dá)到爆炸極限，以保證投產(chǎn)的安全性。主要采用加隔離器和不加隔離器的氮?dú)飧綦x置換方式[3]，兩種置換工藝的特點(diǎn)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(dá)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(yùn)動(dòng)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?dú)鈱⒖諝馀c天然氣自然隔開，使天然氣、氮?dú)夂涂諝庠诠艿乐凶匀恍纬扇齻€(gè)區(qū)域，因此也叫氣推氣置換方法，我國(guó)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(cuò)的效果，打破了以往認(rèn)為只有采用雙隔離器才能達(dá)到最佳效果的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)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(gè)區(qū)域之間沒有相對(duì)的獨(dú)立性，而且三種氣體彼此之間的相互擴(kuò)散又很大程度的受外界因素的影響，特別受到環(huán)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(duì)較小，而且也容易控制置換速度，現(xiàn)場(chǎng)操作也比加隔離器置換工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性也較好。其置換工藝原理如圖2所示。

（a） 最初狀態(tài)

（b） 最終狀態(tài)

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?dú)庵脫Q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(shí)際的投產(chǎn)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(zhǎng)度的是氣體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)氣體處于紊流狀態(tài)時(shí)，混合段的長(zhǎng)度會(huì)大大減小，而是否采用隔離器或者清管器對(duì)混合段的長(zhǎng)度并不其決定的作用，即使應(yīng)用隔離器，也很難完全的將兩種介質(zhì)分隔開來，特別是當(dāng)隔離器經(jīng)過管道彎管處或是經(jīng)過較長(zhǎng)站間時(shí)，會(huì)發(fā)生磨損變形的現(xiàn)象，將導(dǎo)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(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行操作相對(duì)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(chǎn)置換的最佳工藝。

2 混合長(zhǎng)度變化規(guī)律研究

對(duì)于無隔離器的置換方式，由于氣體的自由擴(kuò)散，導(dǎo)致在氣體置換的過程中會(huì)發(fā)生氣體的混合，尤其是氮?dú)舛伍L(zhǎng)度的逐漸縮小，增加了置換過程的風(fēng)險(xiǎn)性，為此必須對(duì)混合段的混合長(zhǎng)度進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來模擬天然氣的置換過程，得到了混合長(zhǎng)度隨時(shí)間、空間的變化規(guī)律以及流速和背壓對(duì)混合長(zhǎng)度的影響，但室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)同步、實(shí)時(shí)采樣，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)誤差較大，為此需要增加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量?jī)?nèi)容，以得到較為準(zhǔn)確的氣體混合規(guī)律。郭誼民[5]等人以長(zhǎng)乎天然氣管道投產(chǎn)為背景，對(duì)該管道投產(chǎn)置換過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，獲得了氣體置換速度對(duì)混合段長(zhǎng)度的影響規(guī)律，但其將置換過程簡(jiǎn)化為二維紊流擴(kuò)散模型并非完全準(zhǔn)確，因?yàn)樵谥脫Q過程中氣體有可能處于層流至紊流的過渡區(qū)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(nèi)，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(xù)深入探討不同速度下的氣體置換規(guī)律，以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。范開峰[6]等人通過建立管道模型，并在Fluent軟件中進(jìn)行求解設(shè)置后，運(yùn)用組分輸運(yùn)模型模擬分析了氮?dú)庵脫Q過程中混氣段的特性，得出了不同時(shí)間與不同速度下混氣段的特性規(guī)律。但該實(shí)驗(yàn)是對(duì)長(zhǎng)1 000 m，直徑0.486 m的管道進(jìn)行的數(shù)值模擬，所得結(jié)論是否具有普遍意義還有待進(jìn)一步研究。段威與李剛[7，8]等人依據(jù)擴(kuò)散基本理論和對(duì)流擴(kuò)散方程建立對(duì)流—擴(kuò)散模型，并應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行模擬，推導(dǎo)出混氣長(zhǎng)度計(jì)算公式，但其二人均未考慮管徑與管長(zhǎng)對(duì)結(jié)果的影響。許玉磊[9]針對(duì)無隔離器的置換方式，建立基于投產(chǎn)的流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并利用差分求解，雖然所得結(jié)果與西氣東輸實(shí)際相吻合，并未與其他管線進(jìn)行驗(yàn)證分析，因此計(jì)算方法及模擬手段并未具備普遍的規(guī)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(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，氮?dú)庵脫Q在國(guó)內(nèi)已有很多成功的經(jīng)驗(yàn)，但其置換工藝大多根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)獲得，大多參數(shù)的確定也都根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用所得，而室內(nèi)模擬所得數(shù)據(jù)與實(shí)際偏差較大，因此對(duì)于注氮速度、混氣段長(zhǎng)度的準(zhǔn)確計(jì)算還需要進(jìn)行深層次的理論研究與計(jì)算，不僅要有理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，更要對(duì)所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證和修正。此外，還應(yīng)對(duì)已有的各種實(shí)際參數(shù)進(jìn)行記錄、整理和分析，以便為以后其他管道安全投產(chǎn)積累經(jīng)驗(yàn)。

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