海底輸氣管道投產氮氣用量計算方法研究

第２２卷第６期２（）１（）年１２月

中國海上油氣

海底輸氣管道投產氮氣用量計算方法研究＊

曹學文付春麗

（１巾國石油大學（華東）儲運與建築工程學院；２中國石油集團海洋］＿程****）

摘要國內海底輸氣管道投產氮氣置換所需氮氣量主要依據經驗確定，存在較大的盲目性。採用ｆｌｕｅｎｔ軟體對海底輸氣管道氮氣置換過程中氮氣在管道內空氣中的湍流擴散情況進行數值

模擬，基於模擬結果擬合了混氣長度的計算公式，進而得到了海底輸氣管道氮氣置換氮氣用量的計算公式。利用本文公式計算得到的平湖和樂東２條海底輸氣管道投產氮氣置換的氮氣用量與這２條管道的實際注氮氣量基本吻合，說明所推導的氮氣用量計算公式具有較好的**準確性。關鍵詞海底輸氣管道

投產氮氣置換氮氣用量計算公式

１．２　網格劃分

用ｇａｍｂｉｔ軟體對計算區域進行網格劃分，採用結構化四邊形網格，網格劃分方式採用漸變式，在壁面處對網格加密；同時採用基於單元格的網格自適應技術對近壁面網格進行優化，優化後近壁面

氮氣置換是海底輸氣管道投產執行前的乙個關鍵環節【】。當海底輸氣管道置換管段出口處氣體中

氧的體積含量低於２％時，才能滿足天然氣管道安全投產執行的要求　。因此，如何合理確定用於置換排出管道中空氣的氮氣用量至關重要。目前尚未

見到對海底輸氣管道氮氣置換工藝技術進行系統研究的文獻，置換過程中所需氮氣量主要依據經驗確

網格不但在徑向加密以滿足要求，還在軸向加密以有效減少長寬比，提高數值模擬的精度。

１．３湍流模型

定　ｌ，基本上是以高氮氣用量確保投產的完成，存在較大的盲目性。

本文採用ｆｌｕｅｎｔ軟體對海底輸氣管道氮氣置

在模擬中設定相同的邊界條件和收斂標準，分別採用兩方程模型中的３種是一ｅ模型對氮氣置換的

換過程中氮氣在管道內空氣中的湍流擴散情況進行多工況的數值模擬，通過對氮氣用量計算方法的研究

湍流場進行初步數值模擬。模擬結果表明，用３種走ｅ模型模擬得到的混氣長度幾乎一致，即計算精度沒有差別，但從計算消耗時間看，ｒｎｇ是一￡模型比ｓｔａｎｄａｒｄ忌一￡模型多消耗２（）％的ｃｐｕ時間是一￡模型比ｓｔａｎｄａｒｄ是￡模型多消耗１１％的

和對模擬計算結果的非線性擬合，推導出投產置換過程中氮氣用量的計算公式。樂東、平湖２條海底輸氣

管道投產例項驗證表明，本文所推導的氮氣用量計算

公式具有較好的**準確性，可為海底輸氣管道投產前合理地確定氮氣用量提供理論依據。

ｃｐｕ時間。可見，對海底輸氣管道氮氣置換湍流場的模擬模型可在「計算精度」和「計算時間」之間取得較好平衡，因此，本文採用ｓｔａｎｄａｒｄ

１數值計算模型的建立

１．１計算模型

是一￡模型進行湍流場數值模擬。１．４邊界條件和初始條件

ｆｌｕｅｎｔ軟體通過求解每種組成物質的對流、擴散和反應源的守恆方程來模擬氮氣置換過程中氮

由於空氣和氮氣均為可壓縮氣體，管道入口邊

界設定為壓力人口，管道出口邊界設定為壓力出口，

氣在管道內空氣中的混合和輸運，具有包括反應的

和不反應的物質輸運模擬能力　ｊ。因此，選取

管道內壁壁面邊界條件選擇ｗａｌｌ，軸線邊界條件選擇對稱邊界條件ａｘｉｓ。

ｆｉｕｅｎｔ軟體化學反應模型中的「組分輸運模型」氮氣置換是非穩態流動問題，設定初始條件為管道人口氮氣濃度１００％。

作為海底輸氣管道氮氣置換的計算模型。

＊國家高技術研究發展計畫（８６３計畫）「深水計量與分離技術研究部分研究成果。第一作者簡介：曹學文，男，教授，博士生導師，從事海洋天然氣加工與處理技術研究。

位址：青島經濟技術開發區長江西路６６號（郵編

第２２卷第６期曹學文等：海底輸氣管道投產氮氣用量計算方法研究４１９

對圖２中曲線進行擬合，得到擬合公式為驗證結果表明，所推導的氮氣用量計算公式具有較

：２．４（魯）ｏ．５ｄ

海底輸氣管道氮氣置換過程分兩步進行，即氮氣擴散和氮氣增壓。對於氮氣擴散過程，氮氣將管道內空氣和混氣段完全置換出，理論上需要的氮氣量為ｍ，即

一（２）好的**準確性，可為海底輸氣管道投產氮氣置換

氮氣用量的合理確定提供依據。

參考文獻

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用ｒｊ］．油氣儲運

ｉ－２］油氣儲運專業標準委員會天然氣管道執行

號規範ｅｓ１．北京：石油工業出版社，２００３．

對於氮氣增壓過程，要求海底輸氣管道平均壓力達到０．０５　ｍｐａ（表壓），這樣理論上需要的氮氣量

。為０．５倍的管容量，即

２（４）

考慮到氮氣風化及液氮儲罐殘留等原因，氮氣置

換所用的氮氣質量

取理論用氮量的１．１倍，即ｍｎ，

一ｋ）一

公式（５）即為推導得到的海底輸氣管道氮氣置換過程中氮氣用量計算公式。

４例項驗證

選擇平湖和樂東２條海底輸氣管道氮氣置換實

例，對推導得到的氮氣用量計算公式進行驗證。將

平湖和樂東２條海底輸氣管道的管道內徑、管道長

度及置換流速等資料代入氮氣用量計算公式（５），得

到２條海底輸氣管道計算所得氮氣用量（表１）。

表１　海底輸氣管道投產氦氣置換例項

由表１可以看出：計算所得到的氮氣用量與實際氮氣用量基本吻合，計算結果可以滿足工程應用的要求。因此，通過模擬推導出的氮氣用量計算公式具有較好的**準確性，可用於海底輸氣海管投

產氮氣置換過程氮氣用量的計算。

５結論對海底輸氣管道氮氣置換過程中氮氣在管道內空氣中的湍流擴散情況進行數值模擬，基於模擬結

果擬合了混氣長度計算公式，並推導獲得了海底輸

氣管道氮氣置換過程中氮氣用量的計算公式。例項

［３］郭誼民，薛繼軍．輸氣管道氮氣置換過程氣體混合規律數值模

擬［ｊ］．石油礦場機械

ｅ４３薛繼軍，張鵬雲，王俊奇，等．輸氣管道投產置換過程氣體混合

規律研究ｅｊ］．天然氣工業

ｅｓ］王福軍．計算流體動力學分析［ｍ］．北京：清華大學出版社，

ｅ６］付春麗．海管氮氣置換混氣規律研究［ｄ３．青島：中國石油大學

（華東），２００９．

收稿日期

改回日期

（編輯：夏立軍）

海底輸氣管道投產氮氣用量計算方法研究

輸氣管道設計規範

輸氣管道工程建設標準

輸氣管道設計規範GB5

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