天然气长输管道投产置换注氮量计算方法技术

本发明专利技术属于天然气长输管道投产无隔离器置换注氮量的计算方法，特别是天然气长输管道投产置换注氮量的最佳计算方法，通过流动的天然气与空气之间注入氮气，用氮气将天然气与空气隔开，其特征是：注入氮气量的多少是通过计算混合段氮气平均含量给出的，其计算公式是如右式，其中，Ｌｃ↓［１］、Ｌｃ↓［２］分别为Ｎ↓［２］质量浓度９８％、Ｎ↓［２］质量浓度２％混合段时的管道位置，Ｃｎ↓［２］为混合段中Ｎ↓［２］的摩尔体积浓度，Ｌｍ为混合段的长度。通过本发明专利技术给出的公式注入氮气量，可以减少天然气管道投产成本，同时降低安全风险。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天然气长输管道投产无隔离器置换注氮量计算方法，特别 是天然气长输管道投产置换注氮量的最佳计算方法。技术背景目前，我国天然气管道投产置换方法均采用三种置换方式。 一是采用 双隔离器置换，如图1所示，采用两个隔离器(清管器)将空气、氮气和天 然气分成三个彼此独立的区域，这三种介质和两个清管器依次向前推进。二是采用单隔离器置换，如图2所示，将一个隔离器置于空气和氮气之间， 使空气与氮气、天然气隔离。其三是无隔离器，如图3所示，通过氮气将 空气与天然气直接隔离。虽然从理论上讲，加隔离器能起到隔离两种不同介质的作用，但在实际应用中是很难实现的。在设计操作中加隔离器存在的不利因素主要有1. 天然气管道由于各段要求管材强度不一样，各段管道内径制造精 度不一样的，而且管道上还有许多弯管段，这样造成隔离器磨损和变形， 加之隔离器的耐磨损性能有限，起不到真正的隔离作用，反而在置换中还 会增加负面影响，如对于距离较长的清管站间，清管球长时间在管道中行 进，清管球的皮碗易被过度磨损导致串气过多，运动速度减慢，甚至清管 球停留在管中，无法推出。2. 由于管道高程变化及管道内部表面粗糙度和内径尺寸等的变化，清管球的速度难以控制，在实际中不好操作。对无隔离器置换方式，天然气、氮气和空气介质之间没有任何隔离装 置，完全处于自由状态，其运行速度靠首站上的供气压力来控制；由于气 体间的扩散，在气体置换过程中会发生氮气段与天然气的混合、氮气段与 空气的混合，导致氮气隔离段长度在置换过程中逐渐缩短。因此，为了确 保置换过程的安全性，必须对混合长度在置换过程中的变化规律进行深入 研究，以获得最佳(或最短)稳定纯氮气段的工艺条件及操作工艺参数(如 供气压力、流速)对混合长度的影响规律，避免管道中气体的流态滞留。采用无隔离器氮气置换，比双隔离器和单隔离器方式具有以下特点1) 置换效率高。2) 置换费用低。该方法减少了收发球操作，检测和工艺流程切换人员 至少可以减少l/2;置换末端站不需要放空收球，减少了天然气的放空量; 减少了隔离器和收发隔离器所需辅助材料、器具的消耗；氮气损失量小。3) 置换过程安全可靠。置换过程中不存在卡球、冲击、振动等现象， 整个置换过程运行平稳，易于控制，受地形及管道安装精度等因素影响较 小。4) 对置换管道的起末端的场站工艺要求简单，可以一次性对几个站之 间管道或全线进行投产置换。但注入的氮气量多少才是科学和可行的，目前国内天然气长输行业及 相关行业规范均没有明确的要求和成熟的经验，置换注氮量仅凭经验进 行。因此造成天然气管道投产成本较高，安全风险较大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种天然气长输管道投产置换注氮量的计算方本专利技术的目的是这样实现的，天然气长输管道投产置换注氮量的计算 方法，通过流动的天然气与空气之间注入氮气，用氮气将天然气与空气隔 开，其特征是注入氮气量的多少是通过计算混合段氮气平均含量给出的， 其计算公式是-其中，LCl、 Lc2分别为N2质量浓度98M、 &质量浓度2%混合段时的管 道位置，Cri2为混合段中N2的摩尔体积浓度，Lm为混合段的长度。 所述的混合段中氮气平均含量波动范围为0. 66 0. 69。 所述的注入的氮气是液氮，液氮质量等于汽化后的氮气质量，有其中^为液氮质量； ^代表氮气密度；Vg为氮气体积，采用^=^^ = 0.74^计算；^为计算混合长度，0.7为混合段内氮气含量，A为管道横截面积。 所述的最佳注氮量为空气、氮气混合段，纯氮气段和氮气、天然气混 合段共三段氮气消耗量的总和。所述的混合段长度及最佳注氮量的计算式分别如下丄- 2.4 x (0.034 ~ 0.0420.52《421> = (0.082 ~ 0.1016 、 1 D0.52wW2=(0.7 + 0.2) x /3,￡)2丄/ 4 = 0.225p,"2丄 其中丄--混合段长度,单位W-已知置换长度，单位/ -管道内径，单位》I --注氮量，单位KgA--氮气密度其中动力粘度^7取为二元体系中两种气体(天然气和氮气)动力粘度的算术平均值；密度为两种气体(天然气和氮气)密度的算术平均值；速度u取置换平均速度。由于本专利技术的优点是通过以下计算公式计算混合段氮气的平均含量求最佳注氮量，以上公式通过大量实验得出，因此注入的氮气量是科 学和可行的，因此，通过本专利技术给出的公式注入氮气量，可以减少天然气 管道投产成本，同时降低安全风险。本方法也可用其它惰性气体置换，但 氮气是最经济的。 附图说明下面结合实施例附图对本专利技术作进一步说明。图1是采用两个隔离器(清管器)将空气、氮气和天然气分成三个彼此 独立的区域示意图；图2是将一个隔离器置于空气和氮气之间，使空气与氮气、天然气隔 离示意图；图3是无隔离器，通过氮气将空气与天然气直接隔离示意图； 图4是多工况过程的拟合结果示意图；图5是置换速度5.7m/s混合段平均氮气含量随时间变化规律示意图；图6是置换速度2.8m/s混合段平均氮气含量随时间变化规律示意图。具体实施方式研究气体流速对扩散的影响规律。在实验室内，通过固定出口压力，改变入口N2流速来实现。实验结果反映了扩散过程的基本规律。在相同入口体积流量下，流动扩散初期，N2与空气(计量02)的混合区很短，随时间逐渐增长；混合区长 度的增长速率随时间逐渐减小；不同时刻的浓度分布相似，成包络线；混 合区前沿速度大于后沿速度。以N2+Air混合段为例，前沿为混合段中截 面平均氮气摩尔浓度等于0. 98的所处位置，后沿为混合段中截面平均氮 气摩尔浓度等于0. 02的所处位置。在相同的流动速度下，背压的增加使氮气、空气的扩散系数也增加， 加速了气体的扩散。因此，背压存在对管道投产置换是不利的，应减少背 压。但由于受管道放空条件和系统及置换速度的限制，背压的存在是不可 避免的，在投产置换确定氮气量时要考虑背压因素。在相同置换流速、压力、温度及相同的置换管道长度等条件下，随着 管径的增加，径向扩散的距离增加，后输的气体将形成更长的楔形等浓度 面进入气体中，导致混合段长度增加。压力增加，有l)气体的分子扩散系数增加；2)气体密度增加；3)气 体动力粘度变化不大。由于气体的分子扩散系数相对于湍流扩散系数要小 2 — 3个数量级，因此由此对混合断长度的影响可忽略。密度增加后，气体 扩散需要克服重力做功，对混合段长度的影响结果与二元气体的密度差、 流动方向等有关。对N2和空气扩散，N2密度大于空气，二者的密度差随压 力增加而增加，对向上流动，分子扩散需要克服重力作更多的功，因此，混合段长度减小；对向下流动，重力促使分子扩散的进行，因此，混合段 长度增加。对于C仏、N2二元气体扩散过程，C仏密度小于N2且推动N2流动， 因此对向上流动，混合段长度增加，而对向下流动，混合段长度减小。对 于水平流动，密度增加主要影响径向扩散，表现在混合段内气体相对浓度 的变化，对轴向扩散没有影响，即可以忽略对混合段长度的影响。用Fluent软件对天然气投产置换过程中空气段与氮气段的紊流扩散 情况进行了多工况模拟，具体参数如下管径0.457m，管道长度16Km， 进口流速分别为2.81 m/s、 3.87 m/s、 4.7 m/s、本文档来自技高网...

【技术保护点】
天然气长输管道投产置换注氮量的计算方法，通过流动的天然气与空气之间注入氮气，用氮气将天然气与空气隔开，其特征是：注入氮气量的多少是通过计算混合段氮气平均含量给出的，其计算公式是：　　　　＊＝∫↓［Ｌ↓［ｃ１］］↑［Ｌ↓［ｃ２］］ｃ↓［ｎ↓［２］］ｄｌ／Ｌ↓［ｍ］　　　　其中，Ｌｃ↓［１］、Ｌｃ↓［２］分别为Ｎ↓［２］质量浓度９８％、Ｎ↓［２］质量浓度２％混合段时的管道位置，Ｃｎ↓［２］为混合段中Ｎ↓［２］的摩尔体积浓度，Ｌｍ为混合段的长度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏云，曾学军，吴喜怀，邵江云，
申请(专利权)人：长庆石油勘探局，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]