長輸天然氣管道投產氮氣運移規律研究

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公司

隨著天然氣工業的發展，長輸管道投產前需經歷清管、通球測徑、試壓吹掃、干燥、氮氣置換等步驟，其中氮氣置換是投產前的重要環節[1-2]。若注氮量不夠，容易導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。張楠等[3]、付春麗[4]、付先惠等[5]均對天然氣投產前的氮氣置換進行了研究，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系式；高書鵬等[7]對管道復產過程中的氮氣運移規律進行了研究，利用數值模擬判斷出口處空氣剩余情況。以上研究對于氮氣置換規律的研究具有重要意義，但多涉及氮氣置換空氣，對于天然氣置換氮氣過程中的氮氣運移規律研究較少。此外，隨著大量跨國輸氣管道的建設，管道類型向高鋼級、大口徑、高壓力、高輸量的方向發展，其投產方式和技術研究不同于以往輸氣管道。基于此，以某X80 管線鋼為例，采用計算流體力學的方式驗證現場投產數據，研究大口徑輸氣管道投產過程中的氮氣運移規律，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提供借鑒意義。

1 數學模型

天然氣置換氮氣是兩種氣體的混合，涉及天然氣運移、氮氣和天然氣混合及氮氣運移推動空氣過程，由于多相流模型中只有一相為可壓縮流體，故采用組分運輸模型模擬多相之間的混合和反應流動[8-9]。

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

連續性方程和動量方程如下：

式中：ui和uj為流體在坐標系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，m；τij為黏性應力值，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，初始時刻管內的氮氣管容比為8%，即氮氣封存段的長度為80 m（圖1）。天然氣從模型左側進入，推動氮氣和空氣向出口移動。

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

采用ICEM 軟件進行網格劃分，利用自適應網格技術對近壁面進行網格優化，在管道入口截面處采用O 型網格，避免網格線夾角過小引發的網格畸變（圖2）。經檢驗，網格質量均在0.8 以上，網格數量980 078 個。

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

2.2 邊界條件及求解方法設置

入口設置為速度入口，天然氣的體積分數為1；出口設置為壓力出口；管道內壁選擇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）；管內氮氣的封存壓力為0.02 MPa。

由于氮氣運移是非穩態流動問題，故選擇SIMPLE 算法進行壓力速度耦合求解；壓力、動量、能量方程采用二階迎風格式；湍流模型采用標準k-Ω 模型。設置迭代步長0.001 s，每步最大迭代次數為50。

3 模型檢驗

根據SY/T 5922—2012 《天然氣管道運行規范》，對于管道不同部位，當氣頭中氧氣體積分數小于18%，認為氮氣-空氣混合段到達；當氣頭中氮氣體積分數大于98%，認為純氮氣段達到；當氣頭中氮氣體積分數小于98%，認為天然氣-氮氣混合段到達，此時置換完成；當天然氣體積分數大于80%時，天然氣投產成功。根據上述原則，確定管道投產過程中純氮氣段管容比[10-12]。

某X80 管線鋼，管徑1 422 mm，設計壓力12 MPa，設計輸量380×108m3/a，通過現場投產實踐，驗證CFD 模擬結果的準確性。該管道在投產時設置的注氮管容比為8%，現場封存壓力0.02 MPa，通過調節投產調節閥開度控制天然氣流量和速度，保證天然氣氣頭速度穩定在7 m/s 左右。利用管道沿線閥室的旁通管道檢測氣頭，預計氣頭達到閥室前約15 min，將閥室放空閥打開至很小開度，以保證聽到氣流聲音，隨后進行氣頭檢測，無論是否檢測到氣頭，立即關閉放空閥，每隔3 min 打開放空閥再進行一次氣頭檢測，直到檢測到氣頭為止。根據現場實踐，當氣頭中氮氣體積分數小于98%，認為天然氣-氮氣混合段到達，置換完成。純氮氣氣頭到達管道末端（1 000 m 處）時，管內殘存的純氮氣管容比為3.5%，則最低注氮管容比為8%-3.5%=4.5%。

CFD 設置與管道投產參數一致，得到氣體運移過程中不同管道位置的純氮氣段管容比（圖3）。置換至管道末端時管內殘存的純氮氣管容比為3.1%，最低注氮管容比為4.9%，絕對誤差0.4%，與現場投產結果基本一致，說明采用CFD 模擬天然氣管道投產中的氮氣運移是可行的。

圖3 不同管道位置的純氮氣段管容比Fig.3 Pipe volume ratio of pure nitrogen in different pipe positions

4 結果與討論

4.1 重力作用對氮氣運移的影響

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，考察管徑對氮氣運移的影響，根據氣頭速度和置換時間繪制不同管道位置下的氮氣云圖（圖4）。不同位置的氮氣云圖大致相同，當管道直徑較小時（711 mm），天然氣以子彈頭形狀楔入前行氮氣；當管道直徑較大時（1 016 mm、1 219 mm 和1 422 mm），由于天然氣與氮氣的密度相差較大，在重力作用下，天然氣逐漸沿管壁上方突進，而氮氣運移至管壁下方，形成拖尾現象，管徑越大，氣體間的對流擴散系數越大，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，置換時間越長，混氣段越長。因此，不能忽略重力對大口徑管道氮氣運移的影響。

圖4 管徑對氮氣運移的影響Fig.4 Effect of pipe diameter on nitrogen migration

4.2 初始注氮管容比對氮氣運移的影響

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氣運移的影響，根據氣頭速度和置換時間繪制不同管道位置下的氮氣云圖（圖5）。在置換前期（即管道前段）各工況均存在純氮氣段；在置換后期（即管道后段），初始注氮管容比為6%和7%的條件下，管內的純氮氣體積分數分別為91.5%和96.5%，參照氣頭檢測原則，此時管內為天然氣和氮氣的混合氣，無純氮氣段，說明天然氣已經突破，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氣運移的影響Fig.5 Influence of initial nitrogen injection pipe volume ratio on mitrogen migration

統計氣體運移過程中不同初始注氮管容比下的純氮氣段管容比變化，結果見圖6。各工況下的純氮氣段管容比變化趨勢類似，隨著置換時間的延長，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，純氮氣分別在700 m 和800 m處耗盡；初始注氮管容比為8%、9%和10%的條件下，置換結束時，管道末端仍存在純氮氣段，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，則天然氣會突破氮氣與空氣混合，形成安全隱患。

圖6 不同初始注氮管容比下的純氮氣段管容比變化Fig.6 Variation of pure nitrogen pipe volume ratio under different initial nitrogen injection pipe volume ratio

4.3 不同氣頭速度對氮氣運移的影響

在相同管道背壓下，天然氣進入管道后的流速在截面上會發生改變，因此可以用氣頭速度表征流速動態分布情況。此外，可根據氣頭速度推算入口對應的質量流量，直接用于指導現場投產閥門的開度調節。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，考察氣頭速度對氮氣運移的影響（圖7）。由于重力作用，天然氣沿頂部突進，氮氣沿底部突進，隨著氣頭速度的不斷增加，從全管段觀察，這種棱錐形的突進效應逐漸減弱，轉為平滑的弧面形。這是由于速度越大，湍流效應越強，管道截面上的流速分布越均勻，徑向速率梯度越小，當湍流效應超過重力作用影響時，混氣段長度減小，突進效應減弱。

圖7 氣頭速度對氮氣運移的影響Fig.7 Influence of gas head velocity on nitrogen migration

統計氣體運移過程中不同氣頭速度下的純氮氣段管容比變化，結果見圖8。各工況下的純氮氣段管容比變化趨勢類似，當氣頭速度為3 m/s 時，純氮氣段在600 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氣段管容比越大，但這種趨勢逐漸減弱，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，隨著置換進行，純氮氣段管容比不斷下降，且下降趨勢逐漸減緩。當氣頭速度為5、7、9、12、20 m/s 時，對應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氣段管容比變化Fig.8 Changes in pipe volume ratio of pure nitrogen at different head velocities

根據SY/T 5922—2012 中的規定，輸氣管道干線置換期間的氣頭速度不宜超過5 m/s，對照模擬結果可知，該規定的保守性較強，因此適當增大氣頭速度可節省全線置換時間，防止氮氣浪費，當干線較長時，還可避免夜間作業、夜間行車和惡劣天氣作業等，具有安全和現實意義。

考察不同氣頭速度下天然氣-氮氣混氣段和氮氣-空氣混氣段的管容比變化（圖9）。從單一氣頭速度看，天然氣-氮氣混氣段的管容比均隨置換距離的增加而增大，隨著置換的進行，增長速度逐漸減緩，最后趨于平衡狀態。從置換距離看，隨著氣頭速度的增加，一方面分子擴散和對流擴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作用，混氣段長度減小；另一方面，由于重力作用影響氣體運移規律，導致混氣段長度增加。最終，呈現出隨氣頭速度增加，天然氣-氮氣混氣段的管容比不斷減小。

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

由于氮氣和空氣的相對分子質量相似，兩者對流時重力作用的影響較小，且空氣側與管道出口相連，故氮氣-空氣混氣段的管容比受氣頭速度的影響不大。

氣體運移過程中純氮氣段管容比的變化與兩個混氣段管容比的變化相關，隨著氣頭速度增加，氮氣-空氣混氣段基本不變，而天然氣-氮氣混氣段的管容比不斷變小，導致純氮氣段的管容比不斷增加。

5 結論

（1）針對大口徑輸氣管道投產中的氮氣運移規律進行了研究，當管道直徑較大時，天然氣沿管壁上方突進，而氮氣運移至管壁下方，形成拖尾現象，說明不能忽略重力對大口徑管道氮氣運移的影響。

（2）考察了初始注氮管容比和氣頭速度對氮氣運移的影響，當初始注氮管容比較小時，無法滿足投產需求；當初始管容比為8%時，氣頭速度為5、7、9、12、20 m/s 下，對應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，氮氣-空氣混氣段基本不變，而天然氣-氮氣混氣段的管容比不斷變小，導致純氮氣段的管容比不斷增加。