柴 多，王衛(wèi)強(qiáng)，王 飛

長(zhǎng)輸管道氮?dú)庵脫Q混氣段規(guī)律研究

柴 多，王衛(wèi)強(qiáng)，王 飛

（遼寧石油化工大學(xué), 遼寧 撫順 113001）

目前長(zhǎng)輸管道投產(chǎn)置換過(guò)程仍存在較大盲目性，浪費(fèi)人力和物力。采用FLUENT模擬軟件對(duì)氮?dú)庵脫Q過(guò)程中混氣段進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同速度的情況下，對(duì)氣體混合長(zhǎng)度與管徑、管長(zhǎng)間關(guān)系進(jìn)行研究，得出了在其他條件不變的情況下，氣體混合長(zhǎng)度分別隨管徑和管長(zhǎng)的增大而增長(zhǎng)的規(guī)律；管道彎頭數(shù)量增多導(dǎo)致混氣段長(zhǎng)度增加，對(duì)于大于100 000 m的管道，管道彎頭數(shù)量對(duì)混氣段長(zhǎng)度影響可以忽略不計(jì)，管道長(zhǎng)度越短時(shí)，彎頭數(shù)量對(duì)混氣長(zhǎng)度影響越大，對(duì)日后現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)置換帶來(lái)了參考依據(jù)。

氮?dú)庵脫Q；混氣段；數(shù)值模擬；管道彎頭

近年來(lái)，天然氣管道運(yùn)輸建設(shè)在我國(guó)的發(fā)展非常迅速，在此發(fā)展過(guò)程中天然氣長(zhǎng)輸管道的安全投產(chǎn)置換問(wèn)題至關(guān)重要。據(jù)研究，為保證天然氣管道置換過(guò)程的操作安全,通常選擇氮?dú)獍演敋庹炯肮艿纼?nèi)的空氣置換出去，因?yàn)榭諝庵刑烊粴獾暮亢苋菀走_(dá)到一定極限發(fā)生爆炸[1,2]。

投產(chǎn)置換的關(guān)鍵是怎樣有效、科學(xué)、安全和經(jīng)濟(jì)的把空氣從管道中置換出去。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)混氣段規(guī)律的研究較少，有關(guān)行業(yè)對(duì)其也沒(méi)有明確的規(guī)范要求，置換投產(chǎn)的操作過(guò)程都多憑經(jīng)驗(yàn)，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中存在很大的盲目性，造成了人力、物力及成本的浪費(fèi)。在本文中仿真模擬了管道投產(chǎn)置換過(guò)程，模擬出了混合氣體在氮?dú)庵脫Q過(guò)程中的影響規(guī)律，該模擬結(jié)果可以更好的運(yùn)用于實(shí)踐，為天然氣安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大效益。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

長(zhǎng)輸管道投產(chǎn)氮?dú)庵脫Q過(guò)程涉及到氮?dú)獾牧鲃?dòng)、氮?dú)馀c空氣的混合以及氮?dú)馔苿?dòng)空氣流動(dòng)，也就是氮?dú)庠诳諝庵械膶?duì)流擴(kuò)散過(guò)程。多相流模型中的混合物要求兩相中只能有一相是可壓縮的，且不能模擬多相之間的混合流動(dòng)和反應(yīng)流動(dòng)，所以混合模型不合適。通過(guò)對(duì)各類物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程的求解，可用FLUENT來(lái)模擬物質(zhì)的混合和運(yùn)輸[3,4]，因此采用化學(xué)反應(yīng)模型中“組分運(yùn)輸模型”（即在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下計(jì)算組分之間的相互參混過(guò)程）作為長(zhǎng)輸管道投產(chǎn)氮?dú)庵脫Q的計(jì)算模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

長(zhǎng)距離管道氮?dú)庵脫Q過(guò)程中，重力對(duì)混合氣的影響較小，重力對(duì)軸向截面水平方向的影響可以忽略不計(jì)，所以本文中FLUENT的模擬過(guò)程是二維仿真模擬，計(jì)算區(qū)域用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。二維網(wǎng)格的劃分可以使用三角形網(wǎng)格（Tri）和四邊形網(wǎng)格（Quad），由于在兩種網(wǎng)格的步長(zhǎng)幾乎相同的條件下，兩種網(wǎng)格在解的精確度、所需的計(jì)算時(shí)間、收斂速度等方面，四邊形網(wǎng)格均優(yōu)于三角形網(wǎng)格，所以本文選用四邊形網(wǎng)格。建立模型時(shí)忽略管道的保溫層和防腐層，忽略壁厚，管道內(nèi)氣體置換過(guò)程是在常溫下，而且流速較慢，管道壁面可以認(rèn)為是常溫（環(huán)境溫度）。在劃分好的網(wǎng)格局部放大圖如圖 1所示（采用Interval Count分段方式，Ratio的節(jié)點(diǎn)距離比為1）。圖中上下藍(lán)色線段代表管道壁面，雖然網(wǎng)格軸向距離劃分較稀疏，但不影響本次模擬。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格局部放大圖Fig.1 Partial enlargement of grid computing area

1.3 湍流模型

湍流模型中應(yīng)將“計(jì)算的精確度和計(jì)算所需時(shí)間”作為選取模型的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者付春麗曾進(jìn)行模擬并得出結(jié)論：Reynolds-Stress模型不適用于長(zhǎng)輸管道氮?dú)庵脫Q數(shù)值模擬，因?yàn)榇四Ｐ陀?jì)算量最大，比k-ε模型要多消耗50%～60%CPU和15%～20%內(nèi)存，收斂難度大，所以應(yīng)從剩下三個(gè)k-ε模型中選擇。其中標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型的 CPU消耗時(shí)間比Realizable k-ε模型少 11%，比 RNG k-ε模型少20%，但三者計(jì)算精度沒(méi)有太大差異。因此，本文長(zhǎng)輸管道氮?dú)庵脫Q采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型進(jìn)行湍流流場(chǎng)的數(shù)值模擬[5]。

1.4 邊界條件

設(shè)置邊界條件時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和適用于所選擇的模型。置換中的空氣和氮?dú)舛际强蓧嚎s氣體，將氮?dú)膺M(jìn)入管線的進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet），將管線的出口設(shè)置為自由出口（outflow），管內(nèi)選取壁面邊界（wall）。

1.5 求解器設(shè)置

黏度利用理想氣體混合定律，密度的計(jì)算公式使用理想氣體，并將其應(yīng)用于組分運(yùn)輸模型中。采用一階隱式的非定常分離求解器，PISO壓力速度耦合算法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s，每一個(gè)時(shí)間步的迭代次數(shù)最多為20次。

2 數(shù)值模擬及分析

從圖2中可以看到，其余條件不變的條件下，隨著直徑的增加，也增大了對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)，導(dǎo)致管道內(nèi)混合氣體長(zhǎng)度的增加。在相同管徑下混氣長(zhǎng)度由于氣體速度的增加使氣體的紊亂程度增大，分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)越來(lái)越激烈，從而越來(lái)越大。相同管徑時(shí)，隨著速度的增大混氣長(zhǎng)度也增大。置換速度太低，可能會(huì)在管內(nèi)形成層流狀態(tài)，使大量的氣體進(jìn)入到另一種氣體中，容易形成大量的混合氣體，增加氣體混合長(zhǎng)度；管線中的焊渣和其它能夠移動(dòng)物的物體由于速度過(guò)高而在高速氣流的攜帶下運(yùn)動(dòng)，和管道發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生火花[6,7]，對(duì)投產(chǎn)帶來(lái)安全隱患，所以置換速度不能太高。因此，應(yīng)將速度控制在3～5 m/s為宜[8]，從而得到最短混氣段。

圖2 速度與混合氣體長(zhǎng)度在管徑不一樣時(shí)的折線圖Fig.2 Speed and length of mixed gas in pipes with different diameter

圖3 不同速度下管長(zhǎng)與混氣長(zhǎng)度柱狀圖Fig.3 Pipe length and the length of mixed gas under different speed

3 管道彎頭對(duì)混氣段的影響

管道中彎頭數(shù)量的多少對(duì)混氣段長(zhǎng)短有一定的影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者用 Taylor混合平推流模型及Bischoff(1964)公式對(duì)1995年美國(guó)天然氣工藝研究院所觀測(cè)的 8條天然氣管線進(jìn)行計(jì)算[9]，得到國(guó)外不同的8條管線中彎頭數(shù)量所對(duì)應(yīng)的混合系數(shù)。

由圖3可知，其他條件一定的情況下，管長(zhǎng)不同所對(duì)應(yīng)的混氣長(zhǎng)度也不同。管長(zhǎng)越長(zhǎng)，混氣長(zhǎng)度越大；在相同管長(zhǎng)的條件下，混氣長(zhǎng)度隨著速度的增大而增加。

本文從中取4條不同管線所對(duì)應(yīng)的混合系數(shù)形成折線圖，如圖4所示，管道長(zhǎng)度大于100 000 m時(shí)，圖中折線幾乎呈水平方向，即彎頭數(shù)量對(duì)混合系數(shù)影響可以忽略不計(jì)，也就是彎頭數(shù)量對(duì)混氣段長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)；管道長(zhǎng)度一定時(shí)，彎頭數(shù)量增大導(dǎo)致混合系數(shù)增大，即混氣段長(zhǎng)度隨著彎頭數(shù)量的增多而增大；從圖中能夠看出，管道的長(zhǎng)度越小，折線幅度越大，彎頭數(shù)目對(duì)混合系數(shù)的影響越大，也就是對(duì)混合段氣體影響越大。

圖4 管道彎頭數(shù)量與混合系數(shù)關(guān)系折線圖Fig.4 The relation between pipe elbow number with mixing coefficient

4 安全投產(chǎn)置換

4.1 投產(chǎn)置換過(guò)程的主要風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

為了確保投產(chǎn)置換的安全進(jìn)行，如下表1-表3，列舉出各個(gè)過(guò)程的主要風(fēng)險(xiǎn)以及控制措施，以免在投產(chǎn)置換過(guò)程中帶來(lái)不必要的安全隱患。

表1 注氮過(guò)程中主要風(fēng)險(xiǎn)及控制措施Table 1 The main risk in the process of nitrogen injection and the control measures

表2 天然氣置換過(guò)程中主要風(fēng)險(xiǎn)及控制措施Table 2 The main risks and control measures in gas displacement process

表3 管道升壓過(guò)程中主要風(fēng)險(xiǎn)及控制措施Table 3 The pipeline booster risks and control measures

4.2 氮?dú)庵脫Q空氣、天然氣置換氮?dú)庾⒁馐马?xiàng)

（1）置換前要確保管道內(nèi)清潔無(wú)雜物，以免給日后的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

（2）氮?dú)饬窟^(guò)多可令人窒息，測(cè)試人員要注意在置換過(guò)程中檢測(cè)空氣中的氧含量。

（3）注入氮?dú)鈺r(shí)合理控制溫度和壓力，為了盡可能的縮小混氣段并減少氮?dú)馓潛p，在停止注入氮?dú)夂髴?yīng)立即注入天然氣；管道內(nèi)氣體的流速應(yīng)合理控制，為了更容易的監(jiān)控流速，應(yīng)在氮?dú)庾⑷朦c(diǎn)處安置流量計(jì)，其速度一般應(yīng)在3-5m/s為宜。置換速度過(guò)低，可能導(dǎo)致管內(nèi)形成層流狀態(tài)，使大量氣體進(jìn)入到另一種氣體中，容易形成大量的混合氣體，增加氣體混合長(zhǎng)度；管線中的焊渣和其它能夠移動(dòng)的物體由于速度過(guò)高而在高速氣流的攜帶下運(yùn)動(dòng)，和管道發(fā)生碰撞，并產(chǎn)生火花，對(duì)投產(chǎn)帶來(lái)安全隱患。

（4）應(yīng)選擇多點(diǎn)檢測(cè)，應(yīng)在每個(gè)分支管道的末尾處和主管道接近放空口處設(shè)置一個(gè)檢測(cè)口，在稍高管道和接近放空口處檢測(cè)。

（5）應(yīng)避免置換過(guò)程中發(fā)生氣體停輸現(xiàn)象，否則會(huì)使兩種氣體接觸時(shí)間增長(zhǎng)，從而增加混氣段長(zhǎng)度。

（6）管道末端的天然氣放空，杜絕火源。

（7）置換合格后的升壓過(guò)程應(yīng)緩慢進(jìn)行，在同一時(shí)間對(duì)全線所有密封點(diǎn)檢測(cè)泄露。

（8）做好全部應(yīng)急預(yù)案，預(yù)防突發(fā)事件的發(fā)生，以免帶來(lái)不必要的安全隱患。

4.3 組織實(shí)施

天然氣管道投產(chǎn)置換是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，過(guò)程中必須嚴(yán)格按要求實(shí)施進(jìn)行。逐項(xiàng)確認(rèn)投產(chǎn)置換必須具備的工藝條件，電氣與防雷防靜電接地系統(tǒng)檢驗(yàn)合格，消防系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，做好對(duì)外宣傳和安全告知工作；核查投產(chǎn)人員和物資到位，各操作人員明確職責(zé)，熟悉操作要求；投產(chǎn)前應(yīng)書面形成一系列相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，成立應(yīng)急搶救小組，隨時(shí)待命，為安全投產(chǎn)做好全部準(zhǔn)備工作。

5 結(jié) 論

在本文中，模擬了管道氮?dú)庵脫Q過(guò)程，其余條件不變的條件下，隨著直徑的增加，管道內(nèi)混合氣體長(zhǎng)度增加。

管長(zhǎng)越長(zhǎng)，混合氣體長(zhǎng)度越長(zhǎng)；管徑相同時(shí)，速度越大所對(duì)應(yīng)的混氣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)將置換速度控制在3～5 m/s為宜，從而得到最短混氣段；管道彎頭數(shù)量增多導(dǎo)致混氣段長(zhǎng)度增加，對(duì)于大于100 000 m的管道，管道彎頭數(shù)量對(duì)混氣段長(zhǎng)度影響可以忽略不計(jì)，管道長(zhǎng)度越短時(shí)，彎頭數(shù)量對(duì)混氣長(zhǎng)度影響越大。本文同時(shí)列舉出注氮過(guò)程、天然氣置換過(guò)程、管道升壓過(guò)程的主要危險(xiǎn)、危害、控制措施以及氮?dú)庵脫Q空氣、天然氣置換氮?dú)膺^(guò)程前后所需要的注意事項(xiàng)和阻止實(shí)施，為今后現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)置換帶來(lái)安全保障。

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Study on Gas Mixing Rule in Course of Nitrogen Gas Displacement in Long-distance Pipelines

CHAI Duo，WANG Wei-qiang，WANG Fei
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

At present, there still exists blindness in the commissioning of the long distance pipeline nitrogen gas replacement process, which wastes manpower and material resources. In this paper, by using FLUENT simulation software, numerical simulation of gas mixing in the nitrogen replacement process was carried out, the relationship between the gas mixing length with pipe diameter and length at different speed was studied. When other conditions were unchanged, change rule of the gas mixing length with increasing of the pipe diameter and pipe length was obtained: the gas mixing length increases with increasing of the pipe diameter and pipe length, the gas mixing length increases with increasing of pipe elbows; For more than 100 000 m pipe, effect of pipe elbow number on the mixing gas length can be neglected; And the shorter the pipeline length, the greater the elbow number impact on the length of mixed gas.

Nitrogen replacement; Mixing gas; Numerical simulation; Pipeline bend

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）04-0801-03

2014-11-06

柴多，女，吉林松原人，碩士研究生，2015年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：管道輸運(yùn)技術(shù)研究。E-mail：240836170@qq.com。