二氧化碳長輸管道投產(chǎn)置換過程模擬分析

劉建武， 李 毅， 龔霽昱， 張千昌， 胡其會(huì)*

(1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司， 東營 257062； 2.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 青島 266580)

以CO2為主的多種溫室氣體大量排放導(dǎo)致全球變暖、極端天氣出現(xiàn)等氣候問題已成為全球矚目的重大問題，嚴(yán)重影響人類的生存和正常發(fā)展。根據(jù)《巴黎氣候協(xié)定》，中國承諾2030年碳排放達(dá)峰，未來中國CO2減排任務(wù)艱巨。碳捕集、利用及封存技術(shù)(carbon capture, utilization and storage, CCUS)能有效減少大規(guī)模工業(yè)CO2排放，是未來幾十年CO2減排、控制溫室效應(yīng)的有效手段。然而，CO2捕集地一般與封存區(qū)域距離較遠(yuǎn)，需要將捕集的CO2安全高效地輸送到封存區(qū)域。相比于陸路槽車、海上船運(yùn)等其他運(yùn)輸方式，管道輸送是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)輸方式[1]。

目前，全世界約有超過7 500 km的CO2長輸管道，其中大部分用于CCUS技術(shù)減少CO2的排放[2]。相比國外，中國還沒有工業(yè)規(guī)模已投產(chǎn)的CO2輸送管道，中國CO2管道建設(shè)不得不通過人口密集區(qū)域，因此外國投產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不能完全適用于國內(nèi)的情況。另外，目前中國CO2管道設(shè)計(jì)、投產(chǎn)以及運(yùn)行主要參考天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是CO2與天然氣的相特性差別較大，CO2管道投產(chǎn)運(yùn)行過程中易發(fā)生相變或生成干冰造成凍堵[3]，影響管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行。因此，天然氣管道設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不適用于CO2管道，需要開展專門針對(duì)CO2管道投產(chǎn)運(yùn)行技術(shù)的研究。

惰性氣體投產(chǎn)置換是管道投產(chǎn)工藝的重要組成部分，置換氣體通常采用N2，與天然氣管道投產(chǎn)置換需避免空氣與天然氣直接接觸形成爆炸性氣體混合物相比，CO2管道投產(chǎn)置換主要是利用N2惰性且具有高吸水性的特點(diǎn)，置換過程可以完成管道清洗干燥并為隨后調(diào)試管道或設(shè)備做好準(zhǔn)備。

目前，中外針對(duì)氣體管道投產(chǎn)方案的研究主要集中在天然氣管道置換方面。外國針對(duì)管道N2投產(chǎn)置換與混氣的理論研究開展較早，主要采用實(shí)驗(yàn)法確定了對(duì)流擴(kuò)散系數(shù)。1953年，Taylor[4]最早對(duì)細(xì)管中介質(zhì)擴(kuò)散情況進(jìn)行了研究，采用高錳酸鉀水溶液作為示蹤計(jì)，并使用色度計(jì)對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)軸向濃度分布進(jìn)行了測量，得到層流與紊流的軸向擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式。Johnson等[5]通過研究天然氣管道直接吹掃和惰性氣體吹掃，提出置換過程中天然氣和惰性氣體分別與空氣混氣段長度的計(jì)算公式。Mahgerefteh等[6]研究了氣態(tài)純CO2和含雜質(zhì)CO2在管道內(nèi)減壓波的傳播速度并進(jìn)行了預(yù)測和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含雜質(zhì)的CO2的相變壓力平臺(tái)明顯降低。J?ger等[7]針對(duì)CO2可能在管道內(nèi)發(fā)生相變，建立了吉布斯自由能模型，對(duì)純CO2和含雜質(zhì)的CO2的固-液-氣相平衡進(jìn)行了計(jì)算和描述，提供了管道內(nèi)CO2的相態(tài)的判別依據(jù)。目前，中國針對(duì)長距離輸氣管道N2投產(chǎn)置換的研究主要停留在施工現(xiàn)場的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)論和軟件模擬的方案選擇階段。孫興祥等[8]針對(duì)澀北至西寧段管道投產(chǎn)置換時(shí)采用不同置換方案的投產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了有無隔離器置換的優(yōu)缺點(diǎn)，論述了無隔離器置換的可行性。譚力文等[9]對(duì)管道采用N2投產(chǎn)置換過程的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)合管道試運(yùn)營投產(chǎn)規(guī)范和氣體狀態(tài)方程定量地計(jì)算了投產(chǎn)置換過程中注氮溫度、注氮量、推進(jìn)速度等參數(shù)。叢蕊等[10]對(duì)天然氣管道投產(chǎn)置換進(jìn)行了模擬，得到了置換時(shí)所需N2量和消耗時(shí)間隨管道長度、管徑及壓力的變化規(guī)律，為無隔離器置換工作提供了理論依據(jù)。段威等[11]根據(jù)氣體擴(kuò)散與傳的基本理論推導(dǎo)出混氣段長度的理論計(jì)算公式，將理論計(jì)算結(jié)果與利用FLUENT軟件模擬結(jié)果吻合，證明計(jì)算公式可行性，并研究了不同置換條件下，混氣段長度的變化規(guī)律，為天然管道投產(chǎn)置換過程的相關(guān)參數(shù)提供了理論依據(jù)。柴多等[12]利用FLUENT軟件，對(duì)N2在不同置換流速下管徑、管長對(duì)混氣段長度的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了彎頭對(duì)混氣長度的影響。崔茂林等[13]歸納總結(jié)了中國十余年來工業(yè)規(guī)模長距離輸氣管道投產(chǎn)置換的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了在天然氣長距離輸送管道N2投產(chǎn)置換操作過程中的一些創(chuàng)新做法和實(shí)用性技巧，極大簡化管道投產(chǎn)的現(xiàn)場操作，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。鄭建坡等[14]綜合考慮了CO2輸送的起終點(diǎn)距離、輸送量、輸送溫度和輸送成本，具體分析了不同條件場合下，管道、汽車、火車和船舶4種運(yùn)順方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出對(duì)于大量CO2長距離運(yùn)輸應(yīng)采用管道運(yùn)輸方式。然而，從文獻(xiàn)調(diào)研來看，中國目前沒有還已建成的CO2管道，并且關(guān)于CO2管道投產(chǎn)方案的研究極為匱乏，因此針對(duì)CO2管道投產(chǎn)置換方案進(jìn)行研究對(duì)中國工業(yè)規(guī)模CO2管道的投產(chǎn)運(yùn)行具有重要的工程意義。

現(xiàn)針對(duì)延長石油某CO2長輸管道，利用SPS軟件建立管道投產(chǎn)置換仿真模型，分析不同管內(nèi)氣體介質(zhì)投產(chǎn)置換規(guī)律，分別針對(duì)純CO2、含雜質(zhì)CO2及天然氣管道的投產(chǎn)置換過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同因素對(duì)注氮量和投產(chǎn)過程時(shí)間的影響，根據(jù)分析結(jié)果推薦了該條CO2管道的投產(chǎn)方案。

1 投產(chǎn)置換仿真模型建立

1.1 概況

延長石油某CO2輸送管道工程，設(shè)計(jì)輸量為36萬 t/年，沿線設(shè)首站、分輸站和末站3座站場，以及6座閥室(3座監(jiān)控閥室、3座普通閥室)。管道全長102.0 km，最高處海拔為1 667 m，最低洼處海拔為1 220 m。管道沿線海拔高程如圖1所示。

圖1 管道沿線高程Fig.1 Elevation along pipeline

管道沿線設(shè)3座站場、6座閥室，最大站間距為14.5 km，站場閥室情況如表1所示。

表1 站場及閥室情況Table 1 Station and valve room information

1.2 輸送介質(zhì)組分及性質(zhì)

該CO2管道的輸送介質(zhì)組分如表2所示。通過HYSYS軟件計(jì)算介質(zhì)的臨界溫度為30.4 ℃、臨界壓力為7.546 MPa。為了區(qū)分純CO2、含雜質(zhì)CO2以及天然氣的相特性，將三者的相特性曲線展示在同一張圖中，如圖2所示。天然氣組分如表2所示。

表2 含雜質(zhì)CO2及天然氣組分Table 2 Containing impurities CO2 and natural gas components

不同介質(zhì)在不同壓力、溫度狀態(tài)下，處于不同的相態(tài)，包括氣相、液相和超臨界狀態(tài)，如圖2所示，3條不同介質(zhì)的相包線分別為：天然氣(點(diǎn)劃線)、98% CO2含有雜質(zhì)的輸送介質(zhì)(實(shí)線)以及純CO2(劃線)。純CO2為一元介質(zhì)體系，其相同壓力下泡點(diǎn)與露點(diǎn)參數(shù)相同呈線性關(guān)系，當(dāng)狀態(tài)參數(shù)處于相包線上時(shí)，氣液共存，純CO2的臨界點(diǎn)為30.95 ℃、7.37 MPa。含有雜質(zhì)的CO2相包線在0 ℃以上時(shí)，與純CO2相包線差距不大；不同的是，含有雜質(zhì)的CO2多元體系存在氣液共存區(qū)，氣液共存的條件比一元體系寬松。含有雜質(zhì)的CO2介質(zhì)與天然氣相比，在相同變化條件下更容易發(fā)生相變，其氣液共存區(qū)較窄，氣液共存條件苛刻，且在高壓力輸送條件下存在生成固態(tài)干冰的可能，增加了輸送的安全隱患。

圖2 不同介質(zhì)的相特性曲線Fig.2 Envelope lines of different fluid

當(dāng)含有雜質(zhì)的CO2超過臨界點(diǎn)時(shí)(30.4 ℃、7.55 MPa)，處于超臨界狀態(tài)。超臨界狀態(tài)下CO2的宏觀狀態(tài)與氣體相類似，密度接近液體，擴(kuò)散系數(shù)高于液體，黏度接近于氣體。此時(shí)CO2是介于氣態(tài)與液態(tài)之間的第3種狀態(tài)，超臨界狀態(tài)的CO2同時(shí)具備氣態(tài)和液態(tài)的相特性，具有更好的流動(dòng)性、溶解性和管輸特性。

1.3 SPS模型建立

根據(jù)該CO2輸送管道工程設(shè)計(jì)、站場及閥室設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合輸送介質(zhì)物性及相特性，采用SPS軟件建立仿真模型，如圖3所示。

1、2、4～7為普通閥室；3、8分別為分輸站、末站放空閥室； 9、10、14、21分別為首站、注氮口、分輸站以及末站控制閥； 12為N2封存閥；11、13～20為放空閥圖3 CO2輸送管道模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of CO2 pipeline model

由于SPS組分追蹤時(shí)，如果輸送流量為0時(shí)，不會(huì)檢測組分以及記錄介質(zhì)到達(dá)時(shí)間，因此將各個(gè)閥室及分輸站的放空接口設(shè)置為SALE，通過壓力控制設(shè)為0，相當(dāng)于直接接通大氣，當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)到達(dá)時(shí)會(huì)被檢測。這樣既能檢測組分在整個(gè)管線行進(jìn)的狀況，也可以記錄組分到達(dá)各站、各閥室的時(shí)間。

投產(chǎn)置換仿真模擬使，首先在首站與第一個(gè)閥室或中間站之間的管段注入N2并進(jìn)行封存、升壓。當(dāng)達(dá)到投產(chǎn)置換壓力要求后停止注氮，靜置一段時(shí)間檢查無泄漏點(diǎn)后，打開第一個(gè)閥室或中間站閥門，同時(shí)氣源開始向首站按照最佳置換速度注入氣態(tài)CO2，由 CO2推動(dòng)N2進(jìn)行投產(chǎn)置換.通過組分追蹤到N2頭快要到達(dá)末站時(shí)，及時(shí)打開末站放空閥進(jìn)行N2放空，直到CO2頭到達(dá)末站，關(guān)閉放空閥，置換階段完成；此時(shí)提升首站注入流量，開始全線分階段升壓直至最終達(dá)到輸送任務(wù)要求的壓力值。

2 結(jié)果分析

2.1 氮?dú)夥獯骐A段

根據(jù)N2投產(chǎn)置換要求，在首站與1號(hào)閥室之間進(jìn)行N2封存。根據(jù)現(xiàn)場投產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，封存壓力不宜過高，否則置換開始后N2段自身擴(kuò)散速度快，影響各閥室和站場檢測N2-空氣混氣頭的到達(dá)時(shí)間。一般要求N2封存壓力為0～0.1 MPa(表壓)[15-16]，以封存壓力為0.05 MPa進(jìn)行模擬。根據(jù)《油氣管道試運(yùn)投產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》(Q/SYGD0112.1—2019)的技術(shù)要求，N2在管道內(nèi)的推進(jìn)速度宜控制在0.6～2.0 m/s，所以模型流量取為200 Nm3/h[16]。

N2封存完成，如圖4所示。此時(shí)首站與1號(hào)閥室之間充滿N2，濃度為98%，壓力為0.05 MPa。1號(hào)閥室后的管道內(nèi)為空氣，N2濃度為78%，壓力為大氣壓。

圖4 N2封存完畢管道內(nèi)狀態(tài)Fig.4 Status in pipeline after N2 storage

所需消耗置換氣量與輸送介質(zhì)沒有直接聯(lián)系，與N2封存壓力和首站與第一個(gè)閥室之間的距離有關(guān)。根據(jù)模擬結(jié)果，可得首站至1號(hào)閥室之間N2封存完畢共耗時(shí)152.3 min，共用N2507.688 m3，如圖5所示。為了分析不同封存壓力時(shí)的N2封存量與消耗時(shí)長，分別進(jìn)行了封存壓力為0.01、0.03、0.05、0.07 MPa時(shí)的N2封存模擬分析。由模擬結(jié)果可知，0.01、0.03、0.05、0.07 MPa封存壓力時(shí)的N2消耗量分別為358.775、431.972、507.688、579.866 m3，消耗時(shí)長分別108.4、131.8、152.3、176 min?？梢钥闯?，N2消耗量和消耗時(shí)長均隨封存壓力上升而上升，且基本成正比。

圖5 N2封存耗氣量Fig.5 N2 storage gas consumption

由于此條管道管徑較小，第一個(gè)閥室與首站距離較近，所以所需N2量小，建議采用注氮車注氮，注氮速度按技術(shù)要求最大流速2.0 m/s進(jìn)行，節(jié)省注氮消耗時(shí)間。特別地，由于液氮罐車注氮，液氮溫度過低，為了保護(hù)管道應(yīng)將N2提前氣化且溫度至少在5 ℃之上后再注入管道。

2.2 氮?dú)庵脫Q階段

氮?dú)庵脫Q過程，如圖6所示。隨著CO2的注入，CO2作為動(dòng)力推動(dòng)N2向前移動(dòng)。根據(jù)《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》(SY/T 5922—2012)中規(guī)定[17]，N2置換過程中管道內(nèi)氣流速度不宜大于5 m/s。為減少投產(chǎn)置換時(shí)間，模擬采用最大氣流速度5 m/s，經(jīng)管道內(nèi)徑計(jì)算得出CO2氣源注入流量為463 Nm3/h。

圖6 N2置換過程中管道內(nèi)狀態(tài)Fig.6 Status during N2 replacement

在氮?dú)夥獯?、升壓完成后，可以適當(dāng)停止流程24 h，此段時(shí)間可以用于榆能化首站至1號(hào)閥室之間管道低壓檢測泄漏。根據(jù)SPS軟件組分追蹤記錄，將N2頭和CO2頭到達(dá)各站場及閥室時(shí)間、累計(jì)用時(shí)計(jì)入表3。為了進(jìn)行對(duì)比，將天然氣頭和N2頭到達(dá)各站場及閥室時(shí)間、累計(jì)用時(shí)計(jì)入表4。

表3 N2和CO2頭到達(dá)各站場及閥室時(shí)間Table 3 Time of N2 and CO2 head arriving at stations and valve room

表4 N2和天然氣頭到達(dá)各站場及閥室時(shí)間Table 4 Time of N2 and natural gas head arriving at stations and valve room

通過模擬結(jié)果，如圖7所示，輸送介質(zhì)為天然氣時(shí)的置換時(shí)間小于含雜質(zhì)CO2的置換時(shí)間，且時(shí)間減小幅度隨置換進(jìn)程的前進(jìn)而增大。最終天然氣管道比CO2管道接近提前1 h完成置換任務(wù)，原因?yàn)樵谙嗤墓艿来植诙认?，天然氣有著更小的運(yùn)動(dòng)粘度，其管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力小于CO2的運(yùn)動(dòng)阻力，所以天然氣會(huì)比CO2提前完成置換任務(wù)。此外輸送介質(zhì)為純CO2和含雜質(zhì)CO2的置換時(shí)間基本相同。

圖7 置換過程中不同介質(zhì)頭和N2頭累計(jì)用時(shí)對(duì)比Fig.7 Accumulated time comparison of different media heads and N2 heads during replacement

由于此條管道尚未完成，且目前中國沒有已建成的CO2管道，無法獲得相關(guān)現(xiàn)場參數(shù)。為了驗(yàn)證模擬可靠性，與坦桑尼亞某條已知現(xiàn)場投產(chǎn)置換數(shù)據(jù)的天然氣管道[18]進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場參數(shù)如表5所示。將模擬和坦桑尼亞某天然氣管道現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，如圖8、圖9所示?？梢钥闯觯m然兩條管道在管徑和站間距有所不同，但是在氮?dú)忸^和天然氣頭到達(dá)時(shí)間的趨勢相同，且時(shí)間接近，證明模型可靠。

表5 N2和天然氣頭到達(dá)現(xiàn)場首站和閥室的時(shí)間Table 5 Time of N2 and natural gas head arriving at stations and valve room in field

圖8 N2頭到達(dá)時(shí)間現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.8 Comparison between field data and simulation data of N2 head arrival time

圖9 天然氣頭到達(dá)時(shí)間現(xiàn)場數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison between field data and simulation data of natural gas head arrival time

2.3 升壓階段

升壓階段是將剛剛置換完成的管道進(jìn)行輸送介質(zhì)的升壓知道達(dá)到輸送壓力要求。根據(jù)SPS模擬結(jié)果，可以得到升壓階段(升壓值為管道起點(diǎn)進(jìn)口壓力所達(dá)到的壓力值)中各階段的所需時(shí)間和累計(jì)CO2量，為進(jìn)行對(duì)比，將CO2與同等參數(shù)的天然氣輸送管道升壓階段中各個(gè)壓力階段的所學(xué)時(shí)間和累計(jì)天然氣量計(jì)入表6。

表6 CO2和天然氣管道升壓階段累計(jì)氣量和所需時(shí)間Table 6 Accumulated CO2 and natural gas volume and time during pressure boosting stage

在實(shí)際投產(chǎn)時(shí)，模擬結(jié)果可以作為線路負(fù)責(zé)人對(duì)整個(gè)升壓過程做出判斷的指導(dǎo)，可以根據(jù)不同壓力階段所需時(shí)間和流量提前做出相應(yīng)，有利于升壓過程安全高效的進(jìn)行。

通過圖10所示，CO2在3.0 MPa升壓階段之前所消耗CO2氣量均小于消耗天然氣氣量，且壓力越低所需氣量越小。在3.0 MPa后CO2升壓所需氣量逐漸增大，超過同壓力下天然氣管道所需氣量。隨著壓力上升CO2氣量曲線斜率減小，天然氣所需氣量逐漸接近CO2氣量，并且在13 MPa時(shí)，天然氣氣量超過CO2氣量。如圖11所示，CO2密度在置時(shí)間為4 200 min時(shí)發(fā)生突變，密度大幅上升。根據(jù)含雜質(zhì)CO2的物性參數(shù)和升壓所需時(shí)間可知，在4 200 min時(shí)壓力達(dá)到7 MPa，在含雜質(zhì)CO2的臨界點(diǎn)附近，含雜質(zhì)CO2逐漸由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵芏却蠓仙?。由于天然氣在相同溫度下沒有發(fā)生相變，密度始終隨壓力逐漸上升，所以最終在13 MPa時(shí)所需天然氣的氣量超過CO2氣量。

圖10 CO2與天然氣升壓階段消耗氣量和時(shí)間對(duì)比Fig.10 Gas consumption and time comparison between CO2 and natural gas boosting stage

圖11 CO2密度隨投產(chǎn)時(shí)間的變化Fig.11 Variation of CO2 density with commissioning time

注氮速度主要由注氮設(shè)備決定，特別若為液氮罐車注氮，由于液氮溫度過低，為了保護(hù)管道應(yīng)將N2提前氣化且溫度至少在5 ℃之上后再注入管道。

在N2封存、升壓階段完成后，可以適當(dāng)停止流程24 h，此段時(shí)間可以用于榆能化首站至1號(hào)閥室之間管道低壓檢測泄漏。

2.4 N2投產(chǎn)置換混氣段長度計(jì)算

2.4.1 N2置換混氣機(jī)理

管道在N2置換階段時(shí)，高濃度N2推著空氣在管道中運(yùn)動(dòng)。隨著置換開始，管道中形成N2-空氣混氣段，混氣產(chǎn)生的機(jī)理主要是因?yàn)榉肿訉?duì)流傳遞和擴(kuò)散傳遞。分子擴(kuò)散是指以兩種氣體的濃度差為動(dòng)力，分子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的擴(kuò)散現(xiàn)象。對(duì)流傳質(zhì)是指運(yùn)動(dòng)流體與固體表面之間或兩個(gè)有限互溶的運(yùn)動(dòng)流體之間發(fā)生的質(zhì)量傳遞。

管道內(nèi)流型為低雷諾數(shù)層流時(shí)，混氣主要由對(duì)流傳質(zhì)引起，管道橫截面上氣體流速分布不均勻，混氣段長度較長，N2消耗量大幅增加，投產(chǎn)成本增加。

管道內(nèi)流型為高雷諾數(shù)湍流時(shí)，混氣主要由湍流擴(kuò)散傳質(zhì)引起，管道橫截面上氣體流速分布均勻，混氣段長度較短，混氣量大幅降低。所以在工程上N2投產(chǎn)置換要避免在低流速的層流流態(tài)下進(jìn)行。

2.4.2 混氣段長度理論計(jì)算

由于SPS軟件模擬時(shí)無法得到較為可靠的混氣段數(shù)據(jù)，但是混氣段長度以及混氣量的數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場投產(chǎn)過程比較重要，所以根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研[11，19]，混氣段長度理論計(jì)算大多數(shù)是從分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理開展，定性地推導(dǎo)出對(duì)稱濃度范圍內(nèi)管道混氣量與管道總?cè)莘e的關(guān)系為

(1)

(2)

(3)

式中：Vh為管道內(nèi)混氣量，m3；Vg為管道總?cè)莘e，m3；Ped為貝克萊準(zhǔn)數(shù)；v為置換過程中氣體流速，m/s；L為管道全長，m；DT為氣體湍流擴(kuò)散系數(shù)；vpj為氮?dú)夂涂諝膺\(yùn)動(dòng)黏度平均值，m2/s；Repj為按vpj計(jì)算的雷諾數(shù)。

由于式(1)未考慮層流邊界層對(duì)混氣長度的影響，所以計(jì)算出的混氣量偏小，因此引入修正系數(shù)α。α的大小與雷諾數(shù)Re相關(guān)，流速越低，雷諾數(shù)越小，層流邊界層越厚，α越大，反之越小。對(duì)于對(duì)稱濃度范圍的α取值如表7所示。

表7 對(duì)稱濃度范圍α的取值Table 1 Value of symmetrical concentration range of α

若以Lh表示管道內(nèi)的混氣長度，則式(1)可表示為

(4)

根據(jù)《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》(SY/T 5922—2012)中規(guī)定，置換時(shí)管道內(nèi)氮?dú)馔七M(jìn)速度不應(yīng)超過5 m/s[17]，但是根據(jù)中國已投產(chǎn)的管道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，5 m/s的置換推進(jìn)速度的可靠性與安全富裕量較大，投產(chǎn)置換過程中在保證管道內(nèi)純氮?dú)舛伍L度滿足置換要求的前提下，可以根據(jù)天氣、時(shí)間等條件適當(dāng)提高推進(jìn)速度，縮短全線置換所需時(shí)間，降低其他安全隱患發(fā)生的可能。根據(jù)管道條件，分別對(duì)投產(chǎn)置換氮?dú)馔七M(jìn)速度為3、5、7、9 m/s時(shí)的混氣段長進(jìn)行計(jì)算，計(jì)入表8?？梢钥闯觯鞖怆S推進(jìn)速度的增加而減少，所以投產(chǎn)置換要避免較低推進(jìn)速度下進(jìn)行。

表8 不同流速下的混氣段長度和混氣量Table 8 Mixing section length and volume at different flow rates

3 結(jié)論

使用SPS軟件針對(duì)延長石油某CO2管道進(jìn)行了投產(chǎn)置換模擬，通過對(duì)注氮量、注氮時(shí)間、N2頭和CO2頭到達(dá)各個(gè)站場和閥室的時(shí)間及不同升壓階段的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，得出以下結(jié)論。

(1)在投產(chǎn)過程中，N2消耗量與輸送介質(zhì)沒有直接聯(lián)系，與N2封存壓力、管道內(nèi)徑和首站與第一個(gè)閥室之間的距離有關(guān)；在長距離輸送管道投產(chǎn)置換時(shí)，N2消耗量還與管線總長和封存段之外所有站場管道總?cè)莘e有關(guān)。

(2)根據(jù)計(jì)算，管道投產(chǎn)置換階段，天然氣管道累計(jì)用時(shí)7.06 h，CO2管道累計(jì)用時(shí)7.93 h，天然氣管道置換用時(shí)少于CO2管道。天然氣管道在升壓階段初期和后期的所需氣量為52 965 m3和410 768 m3，CO2管道升壓所需氣量為51 173 m3和402 389 m3，天然氣管道升壓初期與后期所需氣量均高于CO2管道，而在升壓中期CO2管道所需氣量逐漸超過天然氣管道，在CO2臨界點(diǎn)附近氣量差值達(dá)到頂點(diǎn)。

(3)CO2密度在管道內(nèi)壓力達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生突變，原因?yàn)镃O2狀態(tài)達(dá)到臨界點(diǎn)附近，引起CO2物性發(fā)生突變。從管道安全平穩(wěn)運(yùn)行角度來看，不應(yīng)該采取管道置換完畢后直接對(duì)管道內(nèi)氣體進(jìn)行升壓至超臨界態(tài)的方式進(jìn)行投產(chǎn)。

本文研究未考慮清管器和混氣的影響，然而研究結(jié)果仍可為實(shí)際投產(chǎn)置換工作人員提供參考，有助于控制置換速度減少混氣段長度、合理安排閥門開關(guān)時(shí)間以及提高投產(chǎn)效率。