输气管道投产置换过程工艺研究进展

陈磊 由双海 马云龙 马瑛

摘 要：对目前国内输气管道在投产过程中气体置换现状进行了分析，重点介绍了比较常见的置换工艺，并从安全、效果以及现场实际操作难易程度等方面，考察了不同置换方式的优缺点，确定了不加隔离器的氮气置换方法为最佳的置换工艺。此外还重点介绍了输气管道投产置換过程气体混合规律的研究进展和成果，通过对目前研究现状分析，指出了各研究手段的利弊，在今后的研究过程中需对各置换参数进行更加深层次的研究，不仅要有理论推导和数值模拟，更要对所得结果与现场进行反复验证和修正。

关 键 词：输气管道;置换;工艺;混合规律;数值模拟

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1301-03

Research Progress in Gas Replacement

Processes During Gas Pipeline Commissioning

CHEN Lei1， YOU Shuang-hai2， MA Yun-long3， MA Ying3

（ 1. National Engineering Laboratory for Pipeline Safety， China University of Petroleum，Beijing 102249， China;

2. Liaohe Petroleum Exploration Bureau Oilfield Construction Engineering No.1 Company，Liaoning Panjin 124000， China;

3. Sinopec Petroleum Engineering Design Company Beijing Branch， Beijing 102200， China）

Abstract： Status of gas replacement processes during gas pipeline commissioning in China was analyzed. Common replacement methods were compared. Advantages and disadvantages of different displacement methods were investigated from the view of safety， effect and degree of difficulty of actual operation. The results show that the nitrogen replacement method without isolator is the best. Research progress and results of the gas mixing rule in the replacement process were introduced. Through analyzing the present status of the research， advantages and disadvantages of various research methods were put forward. Its pointed out that the displacement parameters should be deeply studied in future， the theoretical derivation and numerical simulation should be strengthened， and field verification and correction of obtained results are also strengthened.

Key words： Gas pipeline; Replacemen; Process; Mixing rule; Numerical simulation

管道建成后输气管道的投产置换是其投入运行的关键环节，为确保管道运行安全，新建成的天然气管道正式投用前必须采用惰性气体置换输气站及管道内的空气[1]，当置换管段末端内氧气含量低于2%时，满足天然气输送条件，管道置换合格[2]，目前，国内对置换工艺中各参数以及气体混合规律缺乏研究，相关行业规范以及国外文献资料较少，因此对置换过程的置换参数以及气体混合规律的认识和研究具有重要的意义。

1 置换方式对比分析

1.1 置换方式

近些年来，我国输气管道投产置换过程通常采用注氮气的方式，管道现场利用液氮蒸发获得氮气，并将其注入管线中，避免天然气与空气直接混合，不会使天然气达到爆炸极限，以保证投产的安全性。主要采用加隔离器和不加隔离器的氮气隔离置换方式[3]，两种置换工艺的特点如下。

（1）隔离器置换工艺，该种工艺又分为双隔离器置换工艺和单隔离器置换工艺，即采用隔离球或清管器将空气与天然气隔开，以阻止天然气与空气直接混合，达到安全操作的目的，这种工艺虽然采用隔离器将空气与天然气隔开，但增加了气体运动的阻力以及置换的成本。双隔离器置换工艺原理如图1所示。

（2）不加隔离器置换工艺，是指在管道置换过程中不使用隔离器或清管器，采用氮气将空气与天然气自然隔开，使天然气、氮气和空气在管道中自然形成三个区域，因此也叫气推气置换方法，我国西气东输管线置换过程就采用此种方法，并取得了比较不错的效果，打破了以往认为只有采用双隔离器才能达到最佳效果的认识，现场发现采用不加隔离器置换工艺比双隔离器置换工艺的混油量更少，原因在于虽然这种置换工艺使三个区域之间没有相对的独立性，而且三种气体彼此之间的相互扩散又很大程度的受外界因素的影响，特别受到环境温度、置换速度、管道压力的影响最为明显，但该置换工艺在置换过程中所受阻力相对较小，而且也容易控制置换速度，现场操作也比加隔离器置换工艺简单，经济性也较好。其置换工艺原理如图2所示。

（a） 最初状态

（b） 最终状态

图1 双隔离器置换工艺原理

Fig.1 Double isolator displacement process

图2 不加隔离器氮气置换工艺原理

Fig.2 The principle of nitrogen replacement process without isolator

1.2 置换方法的比较分析

在实际的投产置换过程中，首要选择混油段最短的置换工艺，而决定混合段长度的是气体在管道中的流动状态，当气体处于紊流状态时，混合段的长度会大大减小，而是否采用隔离器或者清管器对混合段的长度并不其决定的作用，即使应用隔离器，也很难完全的将两种介质分隔开来，特别是当隔离器经过管道弯管处或是经过较长站间时，会发生磨损变形的现象，将导致其速度降低，甚至滞留管中，造成不良后果。此外，气推气置换工艺成本较低，置换阻力较小，现场执行操作相对容易，而且置换速度容易控制，安全性较好。综上所述，气推气方法是天然气投产置换的最佳工艺。

2 混合长度变化规律研究

对于无隔离器的置换方式，由于气体的自由扩散，导致在气体置换的过程中会发生气体的混合，尤其是氮气段长度的逐渐缩小，增加了置换过程的风险性，为此必须对混合段的混合长度进行深入研究。

薛继军[4]等人通过建立二元体系气体混合研究的实验系统来模拟天然气的置换过程，得到了混合长度随时间、空间的变化规律以及流速和背压对混合长度的影响，但室内模拟实验难以实现多测点同步、实时采样，这样会导致测量结果的随机误差较大，为此需要增加现场实验的测量内容，以得到较为准确的气体混合规律。郭谊民[5]等人以长乎天然气管道投产为背景，对该管道投产置换过程进行了计算机模拟，获得了气体置换速度对混合段长度的影响规律，但其将置换过程简化为二维紊流扩散模型并非完全准确，因为在置换过程中气体有可能处于层流至紊流的过渡区间，此外其所选取的气体置换速度仅在2.81～6.50 m/s范围内，这仅反映了气体置换的大部分情况，不具有普遍的意义，为此需要继续深入探讨不同速度下的气体置换规律，以便指导实际生产。范开峰[6]等人通过建立管道模型，并在Fluent软件中进行求解设置后，运用组分输运模型模拟分析了氮气置换过程中混气段的特性，得出了不同时间与不同速度下混气段的特性规律。但该实验是对长1 000 m，直径0.486 m的管道进行的数值模拟，所得结论是否具有普遍意义还有待进一步研究。段威与李刚[7，8]等人依据扩散基本理论和对流扩散方程建立对流—扩散模型，并应用仿真软件进行模拟，推导出混气长度计算公式，但其二人均未考虑管径与管长对结果的影响。许玉磊[9]针对无隔离器的置换方式，建立基于投产的流体力学数学模型，并利用差分求解，虽然所得结果与西气东输实际相吻合，并未与其他管线进行验证分析，因此计算方法及模拟手段并未具备普遍的规律，但在某种意义上也为该工艺方式的推广提供一定的理论基础。

3 结 语

目前，氮气置换在国内已有很多成功的经验，但其置换工艺大多根据以往的经验获得，大多参数的确定也都根据实践应用所得，而室内模拟所得数据与实际偏差较大，因此对于注氮速度、混气段长度的准确计算还需要进行深层次的理论研究与计算，不仅要有理论推导和数值模拟，更要对所得结果与现场进行反复验证和修正。此外，还应对已有的各种实际参数进行记录、整理和分析，以便为以后其他管道安全投产积累经验。

参考文献：

[1]Koinecke A， Kreuzig R， Bahadir M. Effects of modifiers， adsorbents and eluents in supercritical fluid extraction of selected pesticides in soil[J]. Journal of chromatography a，1997，786（1）：155-161.

[2]王仁安，胡云翔.超臨界流体萃取分馏法分离石油重质油[J].石油学报 （石油加工）， 1997， 13（1）：53-59.

[3]付先惠，王孝刚，孟庆华，等.输气管道置换优化研究[J].管道技术与设备，2012，1：9-11.

[4]薛继军，张鹏云，王俊奇，等.输气管道投产置换过程气体混合规律研究[J].天然气工业， 2006， 26（12）：147-149.

[5]郭谊民，薛继军.输气管道氮气置换过程气体混合规律数值模拟[J].石油矿场机械，2006，35（5）：31-34.

[6]范开峰，王卫强，马跃，等.天然气管道氮气置换过程混气段数值模拟[J].石油化工高等学校学报， 2013，26（1）： 63-67.

[7]段威，张健，张硕，等.天然气管道投产置换混气段长度的研究[J].天然气与石油，2012，30（3）：2-7.

[8]李刚，杨广涛，李华，等.应用仿真软件模拟天然气管道投产气体置换的探索[J].石油和化工设备，2013，16（8）：48-50.

[9]许玉磊，宋晓琴，张一峰，等.输气管道“气推气”投产过程混气规律研究[J].油气储运， 2008， 27（1）： 11-12.