输气管道投产过程混气规律研究.docVIP

天然气长输管道气推气投产工艺 混气段影响因素 牛化昶1 姚琳1 陈传胜1 （1. 中石化天然气川气东送管道分公司,武汉 430205 ） [摘 要]天然气长输管道气推气投产工艺目前广泛应用于长输天然气管道投产中，研究气推气投产工艺混气段影响因素，有助于控制气推气投产过程混气段形成的长度，从而达到降低注氮量的同时也能够确保管道安全经济投产，通过分析天然气长输管道气推气投产工艺混气段形成过程，探索流态、流速、管径、管道背压、管长及地形条件、放空点等各因素分别对混气段的影响，结合川气东送管道投产经验，提出了控制天然气长输管道混气段的措施。 关键词：天然气长输管道 气推气 投产工艺 混气段 影响因素 天然气作为清洁能源，在日常生活中扮演着越来越重要的角色，而目前国内已探明可开采的天然气储量主要集中在西部地区，为调整我国能源结构，促进我国西部地区经济发展，尽快把西部资源优势转化为经济优势，目前，国内已建成了陕京线、西气东输一线、二线、川气东送等大口径、高压力长输天然气管道，正在规划建设的有西气东输三线、新粤浙、新鲁等大口径、高压力长输天然气管道，随着对长输天然气管道投产工艺技术的不断摸索和探索，已验证在天然气长输管道投产中，采用不加清管器天然气推氮气推空气即“气推气”投产工艺技术是安全可靠的【1】，并在近几年国内天然气长输管道投产中得到了推广应用【2】，而目前国内采用“气推气”投产工艺普遍采用高氮气消耗量以保障管道投产安全，研究气推气投产工艺混气段影响因素，对确定“气推气”投产过程中的混气量，保障“气推气”投产工艺中氮气耗量最小，管道投产最安全经济适用，避免影响环境，是非常有必要的。 1 天然气长输管道“气推气”投产工艺混气段形成 在长输天然气管道气推气投产工艺过程中，管道的直径和管道的长度相比，可以忽略不计，在管道的径向，由于气体的扩散作用【3】，导致“天然气推氮气推空气”气推气置换过程产生混气段，其混气过程如图1： 为了能够清楚地表达天然气长输管线气推气投产工艺气体混合规律，现以输气管道（管长L=l.5km，管径D=0.5m）在投产时以氮气置换空气为例进行说明。图2是紊流流态下氮气置换空气时，氮气摩尔浓度分布的结果图。从图2可以看出，管道初期，在氮气进入后与空气的混气长度比较短，且轴向浓度梯度较大。随着置换的不断进行，将会有更多的氮气进入管内，在与空气混合后氮气的轴向浓度梯度会逐渐降低，随着时间增长，氮气与空气的混气长度随之增长，氮气在管道内的浓度等值面呈现出“子弹头”形状。 ?? 图3为混气段内氮气沿管线轴向的变化趋势，其中横坐标表示管线轴向位置，纵坐标为氮气的摩尔浓度。从图3可知，在管道开始运行较短的时间内，氮气的摩尔浓度急剧下降，在气体运行接近一般距离的时候，管道内氮气的摩尔浓度几乎降低到零。这是由于在注入氮气之后，在速度梯度和浓度梯度的综合影响下，氮气与空气的接触面发生了对流扩散，从而形成了混气段。 2天然气长输管道“气推气”投产过程混气段影响因素【4】 2.1.流态对混气段的影响 当气体流速处于层流时，混气段会增大，主要原因为在层流时管内横截面流速分布呈抛物线型，管中心处流速为管内平均流速的两倍，径向速度梯度大，导致管中心的流体以“棱锥形”楔入前行流体中，增大了混气长度；而湍流流态下后行流体呈“子弹头”状楔入前行流体，因而湍流时混气少，同时在湍流状态时管道横截面上的流速分布较为平坦，径向速度梯度小，使得湍流时的混气长度小于层流。同时在投产过程中，层流的置换时间远远大于紊流置换所用时间，层流置换会延长投产周期，因此在天然气管道投产置换中应避免出现层流状态，并且也应尽量不要在投产置换中停输，否则会很大程度的增加混气量。 2.2 流速对混气段的影响【5】 天然气长输管道投产过程中，流速不宜过低，过低将使气体流态处于层流状态，导致混气段增长，同时延长投产周期。对于湍流状态，为考察混气长度随流速的变化趋势，现以不同流速置换管长1.5 km、管径0.5m的输气管道为例，所对应的混气长度随置换长度的变化关系图如图4、表1所示。从图4可看出，混气长度的增长速度在其各个发展阶段是不同的：在置换开始阶段，混气长度增长速度快，随着置换的进行，增长速度逐渐减慢，直至逐渐趋于平衡；相同工况下天然气-氮气和氮气-空气的混气长度随着速度的增大而增加，并且置换速度越大，混气长度平均增长的速度越快。这是因为在置换过程中，分子扩散与对流扩散时刻存在导致氮气与空气的混合不断进行，在置换开始阶段，管内速度梯度和浓度梯度最大，随着置换的进行慢慢变小直至平衡，所以混气长度增长速度逐渐减慢，置换速度增大时，湍流度提高气体间的对流传质加强，对流扩散系数增大导致混气长度也增大。 表1：气推气投产过程混气段拟合