黃啟玉， 曹鑫鑫， 唐駿琪， 許琛琛， 蘭 浩

(1.中國石油大學(北京)油氣儲運工程系，北京 102249； 2.中國石油管道公司，河北廊坊 065000)

天然氣管道氮氣隔離混氣長度研究

黃啟玉1， 曹鑫鑫1， 唐駿琪1， 許琛琛2， 蘭 浩2

(1.中國石油大學(北京)油氣儲運工程系，北京 102249； 2.中國石油管道公司，河北廊坊 065000)

基于一維混合模型研究天然氣管道投產(chǎn)過程中氣體的混合規(guī)律，利用Taylor、Taylor-CW、G.R.I 3種不同方法分別計算出氣體擴散系數(shù)及投產(chǎn)過程中形成的天然氣-氮氣混氣段長度，分析了管道置換過程中影響混氣長度的主要因素，包括管長、管徑及流速。由Taylor-CW方法計算出的結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)最為接近，用該方法驗證國內(nèi)3條已投產(chǎn)管道所得的相對誤差分別為39.7%、23.4%、22.0%。

天然氣管道； 氮氣隔離； 混氣長度； 現(xiàn)場對比

天然氣管道投產(chǎn)時，為避免天然氣與空氣直接接觸達到天然氣的爆炸極限造成安全隱患，需預先在管道中封存一段氮氣，將天然氣與空氣隔離。氣體運行過程中，由于管線內(nèi)部存在速度梯度和濃度梯度，管道內(nèi)會形成兩段混氣段——氮氣-空氣混氣段、天然氣-氮氣混氣段。故管道內(nèi)預存足夠的氮氣量，才能夠保證在整個投產(chǎn)過程中天然氣與空氣均處于隔離狀態(tài)。

目前，研究混氣長度影響因素及變化規(guī)律的主要方法是運用FLUENT軟件對氣體擴散的過程進行模擬，初始設定的影響因素有氣體種類、流態(tài)、管長、管徑、流速、背壓。模擬過程中，采用控制變量法，改變其中一個變量，根據(jù)所得結(jié)果分析混氣長度的影響因素及變化規(guī)律。經(jīng)研究得出：天然氣-氮氣與氮氣-空氣兩種混氣長度相差不大；湍流情況下的混氣長度遠短于層流狀態(tài)下的；混氣長度均隨著管徑、管長、流速及背壓的增大而增大，與管徑成正比、與管線長度的二分之一次方成正比[1-6]。

計算混氣長度時，利用FLUENT軟件對天然氣管道內(nèi)氣體的摻混進行模擬，得出相應的混氣長度計算擬合公式，利用該公式對特定長度、管徑、流速的管道混氣長度進行預算[7]。另有學者利用類似的方法對天然氣管道置換的混氣過程進行模擬，得出另一擬合公式[8]。前者計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)偏差較大，一般為實際數(shù)據(jù)的2倍以上；后者的誤差小于前者，但在不同的管道參數(shù)下其計算結(jié)果不穩(wěn)定。

基于氣體擴散的一維模型，可利用Taylor、Taylor-CW、G.R.I 3種不同的方法編程計算出天然氣管道置換過程中形成的兩種混氣段的長度。利用該方法計算國外8條管道混氣長度并與實際數(shù)據(jù)進行對比，得出結(jié)論：G.R.I方法優(yōu)于其余兩種[9]。另有學者基于二維模型編程計算，但未將計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比分析，無法保證計算結(jié)果與管線現(xiàn)場情況相符[10]。

目前，天然氣管道實際投產(chǎn)所需注氮量主要依據(jù)經(jīng)驗確定。對于短距離管道，所需氮氣量根據(jù)管容與置換壓力確定；對于長距離管道，氮氣封存長度一般取待置換管線全長的20%[11]。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場經(jīng)驗方法造成了一定人力、物力的浪費，且具有較大的盲目性。因此，為確定封存氮氣量，需對天然氣與氮氣、氮氣與空氣的混合情況進行計算，得出所需氮氣的最小用量。該研究以天然氣-氮氣混氣段的變化為例，假設氣體間僅存在軸向摻混，利用Taylor、Taylor-CW、G.R.I. 3種不同方法分別計算出氣體擴散系數(shù)及天然氣-氮氣混氣段長度變化情況，并將計算結(jié)果與國內(nèi)外實際投產(chǎn)管線現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比分析，得出相應結(jié)論。

1 理論分析及編程

僅考慮軸向氣體的摻混，忽略徑向速度、濃度的不均勻性及重力影響，建立一維氮氣對流擴散模型，確定邊界條件和初始條件，得出相對應的氣體擴散理論公式[12]，當k?u時，該擴散過程為對流占優(yōu)擴散過程[13]，用到的氣體擴散方程、初值條件及邊界條件如下：

(1)

x(l,0)=0, 0≤l≤1

x(0,t)=1,t>0

x(1,t)=0,t>0

在初值條件下，對流方程的精確解為[14-18]:

(2)

根據(jù)式(2)理論公式，確定氣體擴散系數(shù)后，即可求得特定管道的混氣長度。目前有3種對流擴散系數(shù)：Taylor擴散系數(shù)、Taylor-CW湍流擴散系數(shù)、G.R.I湍流擴散系數(shù)[9]。

Taylor擴散系數(shù)： 層流狀態(tài)下：

(3)

湍流情況下：

(4)

式中，k為層流擴散系數(shù)，m2/s；u為管內(nèi)平均流速，m/s；r為管道半徑，m；D1為分子擴散系數(shù)，m2/s；um為圓管界面的主體平均流速，m/s；Re為雷諾數(shù)(3×104≤Re≤106)。

Taylor-CW湍流擴散系數(shù)：

(5)

其中，圓管湍流摩擦系數(shù)f由Colebrook-White公式迭代計算得出：

(6)

式中， Re為管道內(nèi)氣體流動雷諾數(shù)；δ為管道絕對當量粗糙度，m；r為管道半徑，m；um為圓管界面的主體平均流速，m/s。

G.R.I湍流擴散系數(shù)：

(7)

式中，k為G.R.I湍流擴散系數(shù)，m2/s；v為置換流速，m/s；d為管道直徑，m。

基于上述理論分析，通過編程定量研究管道投產(chǎn)過程中天然氣與氮氣的摻混情況。將整條管線分為若干個步長，計算單個步長管道內(nèi)氣體混合后氣體濃度分布情況，將上一步長終點處的濃度作為下一步長起始點的濃度，循環(huán)計算直至整條管段置換完畢。計算出最終天然氣濃度為98%的點坐標，由此確定管段置換完畢后的混氣長度(置換過程的混氣段包括氮氣-空氣混氣段和天然氣-氮氣混氣段，本數(shù)學模型認為氣體種類對混合長度的影響很小[4]，故氮氣-空氣混氣段長度等于天然氣-氮氣混氣段長度，總混氣長度取編程計算一段混氣長度的2倍)，具體流程見圖1。

利用Matlab軟件中GUI功能，設計計算界面，如圖2所示。根據(jù)投產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在界面左側(cè)可輸入動力黏度、密度、絕對當量粗糙度、管道直徑、平均流速及管長等已知參數(shù)，可計算出流體流動狀態(tài)表征參數(shù)雷諾數(shù)Re在126 172～340 045內(nèi)，遠大于臨界雷諾參數(shù)2 000，故編程時默認流動狀態(tài)為湍流。在界面右側(cè)可選擇不同的湍流擴散系數(shù)計算方法，最終的計算結(jié)果從混氣長度一欄中輸出。

圖1 編程流程圖

Fig.1Programmingflowchart

圖2 計算界面

Fig.2Graphicaluserinterface

2 混氣長度影響因素分析

利用一維編程軟件對天然氣管道氮氣置換過程中混氣長度變化規(guī)律進行分析，對影響天然氣管道投產(chǎn)時混氣段長度及混氣量的因素進行了研究，確定了管長、管徑、流速等因素對混氣量的影響。

2.1管長

為分析管長對混氣長度的影響規(guī)律，在管徑762 mm、置換流速9.25 m/s等條件相同的情況下，取一定的管長梯度，分別計算其對應的混氣長度，如圖3所示。

由圖3可以看出，在管徑、置換流速等條件一定的情況下，混氣長度隨管長的增大而增大；以Taylor算法和G.R.I.算法為例，管長增加至其2倍，混氣長度平均增長率分別為41.42%和41.43%。置換初期，混氣長度增加速率較大，隨著管長的增加，混氣長度的增加速率變小。分析其原因，管長增加，氣體在管道中的摻混時間變長，形成的混氣長度也隨之變長。之后，氣體內(nèi)部濃度梯度變小，對流擴散強度變小，混氣長度增加速率變小。

圖3 管長對混氣長度的影響

Fig.3Effectofthepipelinelengthonthegas-mixingsectionlength

2.2管徑

為研究管徑對混氣長度的影響，取長度相同、管徑分別為406、508、660、711、1 016 mm的不同管道，設置置換流速5 m/s，其余條件均相同，用Taylor-CW法計算混氣長度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 管徑對混氣長度的影響

Fig.4Effectofpipelinediameteronthegas-mixingsectionlength

由圖4可以看出，在管長、置換流速等條件一定的情況下，管徑增大，混氣長度增大。同一管長條件下，管徑增大至其2倍，混氣長度增長約36.7%。由于管徑增大，兩種氣體的接觸面面積增大，氣體分子擴散空間增大，故氣體的湍流擴散系數(shù)也隨之增大，混氣長度越長。

2.3流速

為研究流速對混氣長度的影響，取管徑1 016 mm、管長82 km的管段，利用Taylor-CW方法計算其在不同置換流速下(湍流)的混氣長度，如圖5所示。

由圖5可以看出，在管長、管徑等條件一定的情況下，氣體流速增大，混氣長度減小，且變化率不斷降低，這一結(jié)論與文獻[4]中的二維數(shù)值模擬的結(jié)論一致。

圖5 置換流速對混氣長度的影響

Fig.5Effectofnitrogenvelocityonthegas-mixingsectionlength

3 計算結(jié)果驗證

3.1國外管道混氣長度驗證

用Taylor、Taylor-CW、G.R.I 3種方法計算混氣長度，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比，選取計算結(jié)果與現(xiàn)場情況最為符合的方法。利用編寫的軟件對美國8條管道混氣長度進行驗證，將其與現(xiàn)場實際混氣長度對比，結(jié)果見表1。

表1 3種方法計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比結(jié)果Table 1 Comparison of calculated and field data for gas-mixing section length with three methods

由表1可以看出，G.R.I方法確定的混氣長度平均誤差最??；但針對2#～5#管道，由Taylor-CW方法確定的混氣長度與現(xiàn)場數(shù)據(jù)更為相符，最小的誤差僅有3%。

國外8條管道長度均較短，其中6條均在2～26 km內(nèi)，其余兩條管長分別為86.7、121.7 km；管道投產(chǎn)氣體平均流速差異較大，值在6.83～21.24 m/s內(nèi)。我國國內(nèi)投產(chǎn)管道一般為數(shù)百甚至上千公里，根據(jù)《天然氣管道運行規(guī)范》 (SY/T5922—2003)規(guī)范，氣體的推進速度一般在3～5 m/s內(nèi)[19]，實際投產(chǎn)時氣體平均流速一般在5 m/s左右，最大不超過8 m/s，故國外管道的投產(chǎn)數(shù)據(jù)與國內(nèi)管道有一定差距。

3.2國內(nèi)管道混氣長度驗證

選取國內(nèi)3條管道，用Taylor、Taylor-CW、G.R.I 3種方法計算混氣長度，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比分析，選取計算結(jié)果與現(xiàn)場情況最為符合的方法。該3條管線均已成功投產(chǎn)，長度分別為380、201、296 km，管徑均為1 016 mm，氣體平均速度均為5 m/s。3條管線的混氣長度變化趨勢線與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同管線計算值與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比結(jié)果

Fig.6Comparisonofcalculatedandfielddataforgas-mixingsectionlengthondifferentpipeline

由圖6可以看出，現(xiàn)場數(shù)據(jù)分布較為零散，但總體呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，且主要分布在由Taylor-CW方法計算所得的曲線兩側(cè)；該方法下3條管道的混氣長度計算結(jié)果的誤差分別為39.7%、23.4%、22.0%，遠小于其余兩種方法，故3種方法中Taylor-CW最能反映現(xiàn)場實際情況。

通過分析，計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)存在誤差的原因有：

a) 管道敷設高程起伏變化，上坡段會加劇氣體的混合。此外，由于天然氣管道干燥不徹底，管道內(nèi)低洼處會存在積水，氣體壓力必須足夠大才能通過該積水段，故導致氣體被壓縮，混氣量增加。

b) 投產(chǎn)過程中首站不斷加壓，流量增大，管內(nèi)氣體流速不斷增加，導致混氣量變化。計算過程中流速均為5 m/s，與實際流速有偏差。

c) 現(xiàn)場人工檢測操作、記錄數(shù)據(jù)存在誤差。

4 結(jié)論

基于一維氣體混合模型，對天然氣管道置換過程中天然氣-氮氣混氣長度進行了預測計算，利用編寫的軟件對國內(nèi)外共11條管道混氣長度進行驗證，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行對比，得出以下主要結(jié)論：

1) 對于國外管道，所選取的管道長度總體偏小，且氣體平均流速大小不一，差異較大，故得G.R.I方法確定的混氣長度平均誤差最??；但針對部分單組數(shù)據(jù)，由Taylor-CW方法確定的混氣長度與現(xiàn)場數(shù)據(jù)更為相符，誤差在3%～39%；

2) 對于國內(nèi)管道，所選取的管道長度較長，氣體平均流速均為5 m/s，接近于國內(nèi)管道投產(chǎn)情況，故得Taylor-CW方法所得的混氣長度曲線與現(xiàn)場數(shù)據(jù)擬合較好，3條管道計算結(jié)果的誤差分別為39.7%、23.4%、22.0%；

3) 影響管道置換過程中混氣長度的因素主要有管長、管徑、流速?；鞖忾L度隨管長的增大而增大，管長增加至其2倍，混氣長度增長約41.5%；混氣長度隨管徑的增大而增大，同一管長條件下，管徑增大至其2倍，混氣長度增長約36.7%；混氣長度隨氣體流速的增大而減小，且變化率不斷降低；

4) 管道實際投產(chǎn)過程中，混氣長度受高程、流速、壓力等多種因素影響，故呈現(xiàn)一定的波動性，非單調(diào)增長趨勢。

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(編輯 王亞新)

Study on the Gas-Mixing Section Length during Nitrogen Replacement of Natural Gas Operation in Gas Pipeline

Huang Qiyu1, Cao Xinxin1, Tang Junqi1, Xu Chenchen2, Lan Hao2

(1.DepartmentofOilandGasStorageandTransportation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.ChinaNationalPetroleumCorporationPipelineCompany,LangfangHebei065000,China)

The gas diffusion coefficient and therefore gas-mixing section length was studied by using one-dimension mathematical model in combination with three different methods for calculating gas diffusion coefficient (Taylor, Taylor-CW and G.R.I). In addition, the predominant factors in affecting the gas-mixing section length were also investigated, including pipeline length, diameter and velocity of the flow. And the comparison between the calculation results and field data show that Taylor-CW method can reflect the field practice better. The relative errors of the results for three domestic pipelines are 39.7%, 23.4% and 22.0%, respectively.

Natural gas pipeline; Nitrogen gas replacement; Gas-mixing section length; Data comparison

1006-396X(2014)01-0084-07

2013-06-05

：2013-09-09

國家自然科學基金項目“油包水型乳狀液蠟分子擴散和蠟晶顆粒沉積機理研究”(51374224)。

黃啟玉(1969-)，男，博士，研究員，從事長距離輸送管道技術(shù)和油庫安全方向研究;E-mail:huang_qi_yu@sina.com。

TE832

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.01.017