長輸天然氣管道投產(chǎn)氮?dú)膺\(yùn)移規(guī)律研究

方磊 白道然 侯鵬坤 王則川

1新疆油田公司采氣一廠

2中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)公司

隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，長輸管道投產(chǎn)前需經(jīng)歷清管、通球測徑、試壓吹掃、干燥、氮?dú)庵脫Q等步驟，其中氮?dú)庵脫Q是投產(chǎn)前的重要環(huán)節(jié)[1-2]。若注氮量不夠，容易導(dǎo)致天然氣與空氣混合，形成爆炸；若注氮量過多，則會造成浪費(fèi)。張楠等[3]、付春麗[4]、付先惠等[5]均對天然氣投產(chǎn)前的氮?dú)庵脫Q進(jìn)行了研究，得到混氣段長度與管徑、管長呈正比，管道傾角的絕對值越大，置換時(shí)間越長；金金等[6]研究了注氮濃度、注氮溫度和注氮速度對混氣段長度的影響，并擬合了混氣段長度與注氮速度的關(guān)系式；高書鵬等[7]對管道復(fù)產(chǎn)過程中的氮?dú)膺\(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，利用數(shù)值模擬判斷出口處空氣剩余情況。以上研究對于氮?dú)庵脫Q規(guī)律的研究具有重要意義，但多涉及氮?dú)庵脫Q空氣，對于天然氣置換氮?dú)膺^程中的氮?dú)膺\(yùn)移規(guī)律研究較少。此外，隨著大量跨國輸氣管道的建設(shè)，管道類型向高鋼級、大口徑、高壓力、高輸量的方向發(fā)展，其投產(chǎn)方式和技術(shù)研究不同于以往輸氣管道?；诖耍阅砐80 管線鋼為例，采用計(jì)算流體力學(xué)的方式驗(yàn)證現(xiàn)場投產(chǎn)數(shù)據(jù)，研究大口徑輸氣管道投產(chǎn)過程中的氮?dú)膺\(yùn)移規(guī)律，得到不同條件下的最低注氮管容比，以期為同類型管道的投產(chǎn)提供借鑒意義。

1 數(shù)學(xué)模型

天然氣置換氮?dú)馐莾煞N氣體的混合，涉及天然氣運(yùn)移、氮?dú)夂吞烊粴饣旌霞暗獨(dú)膺\(yùn)移推動空氣過程，由于多相流模型中只有一相為可壓縮流體，故采用組分運(yùn)輸模型模擬多相之間的混合和反應(yīng)流動[8-9]。

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；div 為散度算法；φi為i組分的體積分?jǐn)?shù)；v為氣體速度，m/s；Di為i組分的擴(kuò)散系數(shù)；Ri為單位時(shí)間、單位體積下的i組分質(zhì)量，kg/(m3·s)；grad 為梯度算法。

連續(xù)性方程和動量方程如下：

式中：ui和uj為流體在坐標(biāo)系i方向和j方向上的速度分量，m/s；xi和xj為流體在i方向和j方向上的坐標(biāo)，m；τij為黏性應(yīng)力值，Pa；ρ為管道壓力，Pa；Fi為i方向的作用力，m/s2。

2 模型建立

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

采用二維大尺度模型，管道長度1 000 m，管徑1 422 mm，壁厚25 mm，初始時(shí)刻管內(nèi)的氮?dú)夤苋荼葹?%，即氮?dú)夥獯娑蔚拈L度為80 m（圖1）。天然氣從模型左側(cè)進(jìn)入，推動氮?dú)夂涂諝庀虺隹谝苿印?/p>

圖1 二維模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of two-dimensional model

采用ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對近壁面進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，在管道入口截面處采用O 型網(wǎng)格，避免網(wǎng)格線夾角過小引發(fā)的網(wǎng)格畸變（圖2）。經(jīng)檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8 以上，網(wǎng)格數(shù)量980 078 個。

圖2 入口截面網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of the grid division of the entrance section

2.2 邊界條件及求解方法設(shè)置

入口設(shè)置為速度入口，天然氣的體積分?jǐn)?shù)為1；出口設(shè)置為壓力出口；管道內(nèi)壁選擇Wall（壁面）為壁面邊界條件；軸向邊界條件選擇對稱邊界axis（對稱軸）；管內(nèi)氮?dú)獾姆獯鎵毫?.02 MPa。

由于氮?dú)膺\(yùn)移是非穩(wěn)態(tài)流動問題，故選擇SIMPLE 算法進(jìn)行壓力速度耦合求解；壓力、動量、能量方程采用二階迎風(fēng)格式；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-Ω 模型。設(shè)置迭代步長0.001 s，每步最大迭代次數(shù)為50。

3 模型檢驗(yàn)

根據(jù)SY/T 5922—2012 《天然氣管道運(yùn)行規(guī)范》，對于管道不同部位，當(dāng)氣頭中氧氣體積分?jǐn)?shù)小于18%，認(rèn)為氮?dú)?空氣混合段到達(dá)；當(dāng)氣頭中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)大于98%，認(rèn)為純氮?dú)舛芜_(dá)到；當(dāng)氣頭中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)小于98%，認(rèn)為天然氣-氮?dú)饣旌隙蔚竭_(dá)，此時(shí)置換完成；當(dāng)天然氣體積分?jǐn)?shù)大于80%時(shí)，天然氣投產(chǎn)成功。根據(jù)上述原則，確定管道投產(chǎn)過程中純氮?dú)舛喂苋荼萚10-12]。

某X80 管線鋼，管徑1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa，設(shè)計(jì)輸量380×108m3/a，通過現(xiàn)場投產(chǎn)實(shí)踐，驗(yàn)證CFD 模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。該管道在投產(chǎn)時(shí)設(shè)置的注氮管容比為8%，現(xiàn)場封存壓力0.02 MPa，通過調(diào)節(jié)投產(chǎn)調(diào)節(jié)閥開度控制天然氣流量和速度，保證天然氣氣頭速度穩(wěn)定在7 m/s 左右。利用管道沿線閥室的旁通管道檢測氣頭，預(yù)計(jì)氣頭達(dá)到閥室前約15 min，將閥室放空閥打開至很小開度，以保證聽到氣流聲音，隨后進(jìn)行氣頭檢測，無論是否檢測到氣頭，立即關(guān)閉放空閥，每隔3 min 打開放空閥再進(jìn)行一次氣頭檢測，直到檢測到氣頭為止。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐，當(dāng)氣頭中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)小于98%，認(rèn)為天然氣-氮?dú)饣旌隙蔚竭_(dá)，置換完成。純氮?dú)鈿忸^到達(dá)管道末端（1 000 m 處）時(shí)，管內(nèi)殘存的純氮?dú)夤苋荼葹?.5%，則最低注氮管容比為8%-3.5%=4.5%。

CFD 設(shè)置與管道投產(chǎn)參數(shù)一致，得到氣體運(yùn)移過程中不同管道位置的純氮?dú)舛喂苋荼龋▓D3）。置換至管道末端時(shí)管內(nèi)殘存的純氮?dú)夤苋荼葹?.1%，最低注氮管容比為4.9%，絕對誤差0.4%，與現(xiàn)場投產(chǎn)結(jié)果基本一致，說明采用CFD 模擬天然氣管道投產(chǎn)中的氮?dú)膺\(yùn)移是可行的。

圖3 不同管道位置的純氮?dú)舛喂苋荼菷ig.3 Pipe volume ratio of pure nitrogen in different pipe positions

4 結(jié)果與討論

4.1 重力作用對氮?dú)膺\(yùn)移的影響

在注氮管容比8%，封存壓力0.02 MPa，氣頭速度5 m/s 的條件下，考察管徑對氮?dú)膺\(yùn)移的影響，根據(jù)氣頭速度和置換時(shí)間繪制不同管道位置下的氮?dú)庠茍D（圖4）。不同位置的氮?dú)庠茍D大致相同，當(dāng)管道直徑較小時(shí)（711 mm），天然氣以子彈頭形狀楔入前行氮?dú)猓划?dāng)管道直徑較大時(shí)（1 016 mm、1 219 mm 和1 422 mm），由于天然氣與氮?dú)獾拿芏认嗖钶^大，在重力作用下，天然氣逐漸沿管壁上方突進(jìn)，而氮?dú)膺\(yùn)移至管壁下方，形成拖尾現(xiàn)象，管徑越大，氣體間的對流擴(kuò)散系數(shù)越大，混氣段長度越長。此外，管徑1 422 mm 的混氣段在置換前期約有50 m，在置換后期約有250 m，說明越靠近管道末端，置換時(shí)間越長，混氣段越長。因此，不能忽略重力對大口徑管道氮?dú)膺\(yùn)移的影響。

圖4 管徑對氮?dú)膺\(yùn)移的影響Fig.4 Effect of pipe diameter on nitrogen migration

4.2 初始注氮管容比對氮?dú)膺\(yùn)移的影響

在管徑為1 422 mm，封存壓力為0.02 MPa，氣頭速度5 m/s 的條件下，考察初始注氮管容比對氮?dú)膺\(yùn)移的影響，根據(jù)氣頭速度和置換時(shí)間繪制不同管道位置下的氮?dú)庠茍D（圖5）。在置換前期（即管道前段）各工況均存在純氮?dú)舛危辉谥脫Q后期（即管道后段），初始注氮管容比為6%和7%的條件下，管內(nèi)的純氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)分別為91.5%和96.5%，參照氣頭檢測原則，此時(shí)管內(nèi)為天然氣和氮?dú)獾幕旌蠚猓瑹o純氮?dú)舛?，說明天然氣已經(jīng)突破，可能與空氣形成爆炸性混合物，存在不安全因素。

圖5 初始注氮管容比對氮?dú)膺\(yùn)移的影響Fig.5 Influence of initial nitrogen injection pipe volume ratio on mitrogen migration

統(tǒng)計(jì)氣體運(yùn)移過程中不同初始注氮管容比下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓Y(jié)果見圖6。各工況下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓厔蓊愃疲S著置換時(shí)間的延長，先快速下降后緩慢下降，初始注氮管容比為6%和7%的條件下，純氮?dú)夥謩e在700 m 和800 m處耗盡；初始注氮管容比為8%、9%和10%的條件下，置換結(jié)束時(shí)，管道末端仍存在純氮?dú)舛?，分別為0.5%、1.9%和3.3%。因此，在氣頭速度5 m/s 的條件下，最低注氮管容比為8%-0.5%=7.5%，保守取8%，即初始注氮管容比不能小于8%，如小于該值，則天然氣會突破氮?dú)馀c空氣混合，形成安全隱患。

圖6 不同初始注氮管容比下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓疐ig.6 Variation of pure nitrogen pipe volume ratio under different initial nitrogen injection pipe volume ratio

4.3 不同氣頭速度對氮?dú)膺\(yùn)移的影響

在相同管道背壓下，天然氣進(jìn)入管道后的流速在截面上會發(fā)生改變，因此可以用氣頭速度表征流速動態(tài)分布情況。此外，可根據(jù)氣頭速度推算入口對應(yīng)的質(zhì)量流量，直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場投產(chǎn)閥門的開度調(diào)節(jié)。在管徑為1 422 mm，封存壓力為0.02 MPa，注氮管容比為8%的條件下，考察氣頭速度對氮?dú)膺\(yùn)移的影響（圖7）。由于重力作用，天然氣沿頂部突進(jìn)，氮?dú)庋氐撞客贿M(jìn)，隨著氣頭速度的不斷增加，從全管段觀察，這種棱錐形的突進(jìn)效應(yīng)逐漸減弱，轉(zhuǎn)為平滑的弧面形。這是由于速度越大，湍流效應(yīng)越強(qiáng)，管道截面上的流速分布越均勻，徑向速率梯度越小，當(dāng)湍流效應(yīng)超過重力作用影響時(shí)，混氣段長度減小，突進(jìn)效應(yīng)減弱。

圖7 氣頭速度對氮?dú)膺\(yùn)移的影響Fig.7 Influence of gas head velocity on nitrogen migration

統(tǒng)計(jì)氣體運(yùn)移過程中不同氣頭速度下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓?，結(jié)果見圖8。各工況下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓厔蓊愃?，?dāng)氣頭速度為3 m/s 時(shí)，純氮?dú)舛卧?00 m 處消失，氣頭速度越快，置換至相同管道位置處的剩余純氮?dú)舛喂苋荼仍酱螅@種趨勢逐漸減弱，最后氣頭速度為12 m/s 和20 m/s 的曲線幾乎重合，說明存在一個最大氣頭速度。從單一氣頭速度看，隨著置換進(jìn)行，純氮?dú)舛喂苋荼炔粩嘞陆?，且下降趨勢逐漸減緩。當(dāng)氣頭速度為5、7、9、12、20 m/s 時(shí)，對應(yīng)的最低注氮管容比為7.5%、4.9%、4.4%、4%和4%。

圖8 不同氣頭速度下的純氮?dú)舛喂苋荼茸兓疐ig.8 Changes in pipe volume ratio of pure nitrogen at different head velocities

根據(jù)SY/T 5922—2012 中的規(guī)定，輸氣管道干線置換期間的氣頭速度不宜超過5 m/s，對照模擬結(jié)果可知，該規(guī)定的保守性較強(qiáng)，因此適當(dāng)增大氣頭速度可節(jié)省全線置換時(shí)間，防止氮?dú)饫速M(fèi)，當(dāng)干線較長時(shí)，還可避免夜間作業(yè)、夜間行車和惡劣天氣作業(yè)等，具有安全和現(xiàn)實(shí)意義。

考察不同氣頭速度下天然氣-氮?dú)饣鞖舛魏偷獨(dú)?空氣混氣段的管容比變化（圖9）。從單一氣頭速度看，天然氣-氮?dú)饣鞖舛蔚墓苋荼染S置換距離的增加而增大，隨著置換的進(jìn)行，增長速度逐漸減緩，最后趨于平衡狀態(tài)。從置換距離看，隨著氣頭速度的增加，一方面分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散作用使不同氣體不斷混合，湍流作用提高了氣體間的對流傳質(zhì)作用，混氣段長度減??；另一方面，由于重力作用影響氣體運(yùn)移規(guī)律，導(dǎo)致混氣段長度增加。最終，呈現(xiàn)出隨氣頭速度增加，天然氣-氮?dú)饣鞖舛蔚墓苋荼炔粩鄿p小。

圖9 不同氣頭速度下的混氣段管容比變化Fig.9 Changes of pipe volume ratio in gas mixture section at different head velocities

由于氮?dú)夂涂諝獾南鄬Ψ肿淤|(zhì)量相似，兩者對流時(shí)重力作用的影響較小，且空氣側(cè)與管道出口相連，故氮?dú)?空氣混氣段的管容比受氣頭速度的影響不大。

氣體運(yùn)移過程中純氮?dú)舛喂苋荼鹊淖兓c兩個混氣段管容比的變化相關(guān)，隨著氣頭速度增加，氮?dú)?空氣混氣段基本不變，而天然氣-氮?dú)饣鞖舛蔚墓苋荼炔粩嘧冃?，?dǎo)致純氮?dú)舛蔚墓苋荼炔粩嘣黾印?/p>

5 結(jié)論

（1）針對大口徑輸氣管道投產(chǎn)中的氮?dú)膺\(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究，當(dāng)管道直徑較大時(shí)，天然氣沿管壁上方突進(jìn)，而氮?dú)膺\(yùn)移至管壁下方，形成拖尾現(xiàn)象，說明不能忽略重力對大口徑管道氮?dú)膺\(yùn)移的影響。

（2）考察了初始注氮管容比和氣頭速度對氮?dú)膺\(yùn)移的影響，當(dāng)初始注氮管容比較小時(shí)，無法滿足投產(chǎn)需求；當(dāng)初始管容比為8%時(shí)，氣頭速度為5、7、9、12、20 m/s 下，對應(yīng)的最低注氮管容比為7.5%、4.9%、4.4%、4%和4%。

（3）隨著氣頭速度增加，氮?dú)?空氣混氣段基本不變，而天然氣-氮?dú)饣鞖舛蔚墓苋荼炔粩嘧冃。瑢?dǎo)致純氮?dú)舛蔚墓苋荼炔粩嘣黾印?/p>