（油气储运工程专业论文）海管氮气置换混气规律研究.pdf

i n v e s t i g a t i o no nt h eg a sd i f f u s i o nr u l ef o rn i t r o g e nd i s p l a c e m e n t o fs ub s e ap i p e l i n e f uc h u n l i ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c a ox u e w e n a b s t r a c t i n v e s t m e n to fas u b s e ag a sp i p e l i n ec o n s t r u c t i o ni sh i g h ，s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt o g u a r a n t e et h es a f e t yo fas u b s e ap i p e l i n ed u r i n gc o m m i s s i o n i n g b u tp r e s e n t l y ，n i t r o g e n d i s p l a c e m e n tt e c h n i q u ei sm a i n l yo p e r a t e da c c o r d i n g t oe x p e r i e n c ea th o m e ，s ot h e r ei sg r e a t b l i n d n e s s i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e “g a s t o g a s p r o c e s sd u r i n gt h en i t r o g e nd i s p l a c e m e n to fs u b s e ap i p e l i n e sw a ss t u d i e db y c o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n ta n ds i t ec o m m i s s i o n i n gp r a c t i c e t h r e es o l u t i o n so ft h ec o n v e c t i o n d i f f u s i o nc o e f f i c i e n tw e r es u m m a r i z e da n da n a l y s e d ， w h i c hw e r eg r i ，t a y l o ra n dt a y l o r - c w a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fc o n v e c t i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e n tw e r ed i s c u s s e d ：f o rl o n g - d i s t a n c eg a sp i p e l i n e s ( 1o o k mo rs o ) ，t h ei n f l u e n c eo f e l b o w so nt h ec o n v e c t i o n d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti sv e r ys m a l l ；t h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o n c o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa st h ed i s p l a c e m e n tr a t ea n dp i p e l i n ed i a m e t e ri n c r e a s e ；a st h ep i p e l i n e r o u g h n e s si n c r e a s e s ，t h et u r b u l e n td i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e ss l i g h t l y ，t h a ti st os a y ，t h e i n f l u e n c eo fp i p e l i n er o u g h n e s so nt h et u r b u l e n t d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti ss m a l l ；i nt h e d i s p l a c e m e n tp r o c e s s ，l a m i n a rf l o ws t a t es h o u l db ea v o i d e dt or e d u c et h eg a s - m i x i n gl e n g t h t h es c o p e so fa p p l i c a t i o no fg r ia n dt a y l o r - c wc a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ed e t e r m i n e db y e s t a b l i s h i n go n e - d i m e n s i o n a ln i t r o g e nd i s p l a c e m e n tm o d e l ，s o l v i n gt h ec o n v e c t i o n d i f f u s i o n e q u a t i o nb ye x c e l2 0 0 7 ，a n dc o m p a r i n gt h es o l v e dr e s u l t sw i t ht h em e a s u r e dd i s p l a c e m e n t r e s u l t so ff o r e i g ng a sp i p e l i n e s a d o p t i n gf l u e n ts o f t w a r ew h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) ，f o r n i t r o g e nd i s p l a c e m e n to f s u b s e ap i p e l i n e ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ， c o n v e c t i o n d i f f u s i o nd i s c r e t i z a t i o ns c h e m ea n dp r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n ga l g o r i t h mw e r e a s c e r t a i n e dr e a s o n a b l y ，a c c o r d i n gt oc f db a s i ct h e o r ya n dt u r b u l e n c es i m u l a t i o nt h e o r y a n d am e t h o do fm e s hg e n e r a t i o nw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ng r i dm e s h i n g f o rt u r b u l e n c em o d e l t h r o u g ht h et w o d i m e n s i o n a lu n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c h a n g er u l e so fm o l e f r a c t i o nd i s t r i b u t i o no fn i t r o g e n ，g a sf l o wr a t ea n dp i p e l i n ep r e s s u r ew e r es t u d i e d f i v em a i n f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eg a sm i x i n gl e n g t hw e r ea n a l y s e d ，i n c l u d i n gb a c kp r e s s u r e ，f l o ws t a t e ， f l o wr a t e p i p e l i n ed i a m e t e ra n d p i p e l i n el e n g t h b ya n a l y s i n ga n dd e a l i n g 、析t l lt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，c a l c u l a t i n gf o r m u l ao ft i m eo nn i t r o g e nd i s p l a c e m e n tw a sr e g r e s s e d t h ec a l c u l a t i o n m e t h o do fi n j e c t i o nc a p a c i t yo fn i t r o g e nw a si d e n t i f i e d ，a n dc a l c u l a t i n gf o r m u l ao fi n j e c t i o n c a p a c i t yo fn i t r o g e nw a sd e t e r m i n e db yn o n l i n e a rf i t t i n g b yc o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s 丽t l lt h ee x p e r i m e n ta n ds i t ec o m m i s s i o n i n gp r a c t i c e ，t h ec o r r e c t n e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sw e r ev e r i f i e d t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a so ft w om a i np r o c e s sp a r a m e t e r s ( i n j e c t i o n v e l o c i t ya n di n j e c t i o nc a p a c i t yo fn i t r o g e n ) o fn i t r o g e nd i s p l a c e m e n tw e r ed e t e r m i n e d t h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e a l i z a t i o no fs c i e n t i f i c ，e c o n o m i c ，e f f i c i e n ta n ds a f en i t r o g e n d i s p l a c e m e n to fs u b s e ap i p e l i n e sw a sa c h i e v e db ys t u d y i n gn i t r o g e nd i s p l a c e m e n tp r o c e s s k e y w o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ，n i t r o g e nd i s p l a c e m e n t ，c o n v e c t i o n - d i f f u s i o n ，g a sm i x i n g s e c t i o n ，i n j e c t i o nc a p a c i t yo fn i t r o g e n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：少7 年尹月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位敝储签名j 蓥函 指导教师签名： 日期： 日期： 哆年 加萨 f 日 日 q 凹， 月 月 穸少 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章前言 管道输送是天然气长距离输送的基本方式，海底输气管道建设投资大、造价高，所 以确保海底输气管道投产运行的安全十分重要。投产置换是输气管道建成后投入运行的 一个关键环节，通过这一环节排除管道中的空气，顺利引入天然气。当空气中的天然气 含量达到5 - - 15 ( 体积含量) 时，混合气体就会处在爆炸范引，因此投产置换的难点 在于如何有效地将管道内的空气与天然气进行隔离，防止形成爆炸性混合物，且尽量做 到费用低、操作简单。根据天然气管线运行规范s y 厂r 5 9 2 2 2 0 0 3 的要求，天然气投 产前应采用氮气或其它无腐蚀性、无毒害性惰性气体作为隔离介质，现场管道投产置换 一般采用氮气作为天然气和空气的隔离介质，当管道末端气体中氧的体积含量低于2 时，管道置换合格，甲烷含量与天然气含量一致时管道投产置换结束。 如何科学、经济、高效、安全地将天然气管道中空气置换出去，这是困扰海底输气 管道投产工作的难题。目前国内外文献均没有看到对海管氮气置换工艺技术进行系统研 究的成果，相关行业规范均没有明确的要求和成熟的经验。海管置换过程中注氮量等工 艺参数仅凭经验确定，存在很大的盲目性。若氮气准备不足，整个投产过程会被中断， 因此现场基本上以高氮气用量来确保投产的完成，造成了较大的浪费。在现场海管氮气 置换施工过程中采取不加隔离清管器的置换方法，但是对置换速度等对混气长度和氮气 用量的影响、置换时间的确定、注氮量的计算等，到目前没有可靠的理论研究，这必然 会造成氮气置换过程中的人力物力的浪费，增加投资成本。因此，有必要对海底输气管 道安全投产置换工艺进行科学、系统的研究，以至优化氮气置换工艺。 本文以对流扩散理论和数值模拟计算为基础，并将模拟的结果与实验和现场投产实 践进行对比，旨在对海底输气管道氮气置换过程进行理论研究，以获得混气长度的影响 因素，置换时间、注氮量计算方法及公式等理论结果，并最终提出海管氮气置换工艺参 数的确定方法。通过研究，优化投产置换工艺，减少不必要的设备安排及氮气损耗，减 少投产成本，为投产置换方案的制定提供理论依据；为现场投产置换的实施、管理提供 指导。 1 2 国内外研究现状 第一章前言 目前国外对输气管道氮气置换的研究从传质的理论入手，但是主要通过实验研究对 对流扩散系数的确定；国内对输气管道氮气置换的研究大多停留在经验性的施工阶段， 一般只是对施工实践置换方案的选择和讨论，以及对施工步骤的总结，都是经验性的总 结和讨论，没有从混气机理上进行深入探讨，没有一定的理论作支撑，置换过程存在一 定的盲目性，在一定程度上造成了人力、材料的浪费。国内的研究者针对输气管道一次 次的成功投产，总结出了许多具有指导性的结论。 高贵民( 1 9 9 5 ) 【2 j 分析了华北油田向北京供气的第二条输气管线的氮气置换过程，投 产方案确定用氮气作为隔离介质进行置换通球。认为传统的双清管器置换只能保证清理 掉管内施工遗留杂物，天然气通过清管器泄漏至清管器前与空气混合，如遇火花仍可能 会发生爆炸等恶性事故；如双清管器间充加液体，则液体少量留在管内后对以后生产管 理会带来困难。双清管器间用氮气隔离可有效地将天然气与空气隔离，杜绝发生不安全 事故。通过现场监视点监听，两个清管器在距发球筒4 5 5 0 k m 的范围内合二为一，这说 明氮气隔离段长度不足，但氮气只能通过第一个清管器漏出，仍能起到有效隔离天然气 与空气的作用。该工程一次投产成功，不但确保安全，还为今后提供了可贵的实际经验。 曲国华等( 1 9 9 9 ) 口l 对上海城市燃气工程浦东新港首站至北蔡末站天然气供求管线的 氮气置换的施工实例进行了分析。氮气置换的原则是分段置换，氮气置换合格标准：长 输管线内混合气体中的氮气体积百分比大于9 8 ( 氧气体积含量 2 ) 并且连续三次对各 放散口取样都低于此值时，置换合格。管线全线氮气置换合格后，应使管线内氮气压力 保持微正压力，当压力达到0 0 8 m p a 时停止注氮。 汪春付( 2 0 0 3 ) 4 1 结合济南齐鲁天然气管线投产要求和实际施工环境，对两种天然 气管线整体的干燥、置换方案进行了分析比较。由于甲醇+ 氮气的干燥、置换工艺具有 干燥效果好、应用不受外界环境气温与湿度等因素影响的优点而被采用。依靠甲醇干燥 管线；采用氮气置换空气、天然气置换氮气的方法，通过在四个清管器之间分别注入一 定量氮气、甲醇、氮气和天然气，组合成“四球三车箱 的方式，实现管线一次性干燥 与置换。还介绍了该工艺在管线干燥与置换过程中的具体实施情况，给出了甲醇实际注 入量的计算方法，为其它天然气管线的整体干燥与置换提供了借鉴。 任增瑶等( 2 0 0 3 ) 【5 l 对涩宁兰输气管线涩北一西宁段和西宁一兰州段分别采用加隔离 清管器和不加隔离清管器的两种置换工艺方案进行了比较分析，指出传统的加隔离清管 器置换工艺存在混气量大、隔离清管器损耗大等问题，尤其是在高程变化大的山区地段 和管线的多弯头、变径处隔离清管器易被卡住，适用范围较窄；而不加隔离器的“气推 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气”置换投产方案却具有混气量小，安全可靠，操作简便的特点，具有一定的推广应用 前景。 孙兴祥等( 2 0 0 4 ) 1 6 】对涩宁兰天然气管线氮气置换时采用的不同方案的实施结果进行 了对比分析，阐明了各自的优缺点，论述了不加隔离清管器方案的可行性，并对检测数 据进行了定性分析，总结了一般性规律：不加隔离器方法置换效率高；不加隔离器方法 费用低；不加隔离器方法安全可靠。提出了一种大口径长距离天然气管线氮气置换方案 一采用不加隔离清管器的方案是可行的。 唐善华等( 2 0 0 5 ) 7 1 对西气东输靖边一上海输气管道段投产置换设计方案中涉及的置 换顺序的制定、隔离球的选用、注氮温度、注氮量的确定及天然气推进速度等问题进行 了分析探讨，提出了清管段先干线、后支干线、边线路、边站场的置换次序，不加隔离 球，5 m s 的置换速度以及注氮量测算等是合适可行的，指出了解决置换过程存在的诸多 问题的方法。 氮气推进速度的确定：在天然气置换时，为保证较小的混气量，须防止气体流态层 流化，在该流态下，一种气体的楔头大量的进入另一种气体中，形成大量混气。无量纲 理查德系数( r a ) 是确定是否存在分层现象的一种方法。 r = ( g d ) “ g = ( g z x p ) i p = , e ( 1 - 1 ) = ( 岛+ p b ) 1 2 式中：r 私无量纲理查德系数； d ：管道内径，m l 甜：平均速度，m s ； g ：重力加速度，取9 8 1 m s 2 ； a p ：不同气体密度差值，k g m 3 ； 岛、岛：两种气体的密度，k m 3 。 根据实践经验，理查德系数( r 拌) 在1 和5 之间对应的混气量是可以接受的，速度越大， 出现分层的可能性越小。 张鹏云等( 2 0 0 6 ) 8 1 对天然气管道投产置换过程进行了实验模拟研究。为确保置换过 程的安全性，对置换过程中气体的混合规律进行了研究。根据二元体系气体紊流扩散原 理，在实验室内构建了天然气管道投产置换过程的模拟实验系统。利用该实验系统，分 3 第一章前言 别对不同流速、不同背压下管道内气体的扩散过程进行模拟试验，获得了置换过程中受 流速和背压影响的天然气与氮气、氮气与空气的扩散规律，为管道投产置换合理确定氮 气用量提供了理论依据。 谭力文等( 2 0 0 7 ) 【9 1 对天然气管道氮气置换工艺参数的确定及控制方法进行了研究。 根据气体状态方程及相关推导和计算，导出了注氮温度、注氮压力、注氮量、注氮施工 时间以及氮气和天然气的推进速度等参数的定量计算式，并分析了这些参数的最优值。 结果表明：通过预计算天然气管道氮气置换工艺参数及确定其控制方法，可以提高管道 的运行效率及安全性。 注氮温度：因为液氮或过低温度的氮气进入管道后，一方面会影响管材的低温强度 ( 低温脆性) ，另一方面低温易使阀门等设备的密封泄露。因此，氮气进入管道的温度不 能低于5 ，最好控制在5 2 5 。 管道注氮总量的确定： m = k o 二-( 1 - 2 ) 式中：m 注液氮的质量，k g ；k o ：管道充压系数( 结合具体情况一般取值为l ，2 ) ；阢 管道总容积，m 3 ； ，：氮气的比容，m 3 l ( g 。氮气推进速度的确定同上。 氮气置换推进速度的计算：置换平均速度由气体状态方程计算( 通常置换温度都为 当地温度，这里考虑为常温) ： p q = p o q o ；o ：p o q o ：q o 1 0 p ( 1 - 3 ) p ”： 望 2 4 0 0 0 0 x f x p 式中：p ：置换管段的平均压力，m p a ( 注：注氮置换的压力可以由注氮车阀门和放空阀 门进行控制) ；f - 管道横截面积，m 2 ；o ：施工状态下氮气供气流量，m 3 d ；p o ：标准 大气压，m p a ：q o ：标准大气压下的流量，m 3 d ；甜：氮气置换平均推进速度，k m h 。 注氮施工时间丁：注氮时间由注氮速度( 氮气置换速度即等于注氮速度) 和注氮总量计 算可得。同时，还应考虑现场准备时间、操作时间、氮气的放空吹扫、收尾等时间，可 以初步估算得出置换施工过程共需要的时间。 丁= 孬2 4 两m ( 1 - 4 ) 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中：乃注氮施工时间，h ；胍注液氮的质量，k g ；菇：氮气的密度取值1 1 6 4 ，k g m 3 。 许玉磊等( 2 0 0 8 ) 【1 0 1 对输气管道气推气 投产过程进行了混气规律研究。长输天然 气管道的置换投产一直是采用现场的检测仪器加以控制，而目前普遍使用的“气推气 方式在投产过程中缺乏理论依据。根据流体连续性方程、运动方程、能量方程动力学三 大方程，结合气体间扩散方程提出了“气推气 投产混气规律的一维数学模型，采用差 分方程进行了求解，并且编制了计算程序计算混气规律。以西气东输西段为目标管道进 行了计算，其结果与实际相吻合，可以应用于工程分析。该模型也可以为其它长输天然 气管道的投产提供理论支撑以及技术支持。 国外对置换过程中对流扩散系数的研究大多通过实验进行的，实验研究对象均为细 长管内示踪质对流扩散。 ( 1 ) 层流轴向对流扩散系数 g i t a y l o r j 究了管流中示踪质对流扩剐1 1 】【1 2 】【1 3 】，采用高锰酸钾水溶液作为示 踪剂，研究直径为0 5 - - 一l m m ，长1 5 2 0 m m 的圆管中流动，轴向浓度分布通过色度计测量。 但是忽略了轴向扩散，只考虑了径向扩散。t a y l o r 得到了层流轴向扩散系数计算公式： d = 1 2 2 4 8 d 。( 1 5 ) 式中，d 为层流扩散系数，m s ：，为管道半径，m ；n o 为平均流速，m s ；见为分子扩 散系数，m 2 s 。 a 打s 改进了t a y l o r 的方法【1 4 1 ，考虑了轴向扩散的影响，得到层流轴向扩散系数公式： d = 绒+ r 2 2 4 8 d , , , ( 1 6 ) e v a n s 分析了管径为6 3 5 m m ，管长为1 7 2 9 0 m 的管内气流【1 5 j 。在压力为1 0 1 3 2 x 1 0 5 和4 4 5 8 x 1 0 5 时，先后采用了几个混合系统( n 2 c 2 h 4 、h 2 、n 2 s f 6 、h 2 s f 6 、h e s f 6 和a r - s f 6 ) 进行实验，导热析气计测量轴向浓度分布。气体流速变化范围为1 0 0 1 6 0 0 c m s ，实验结果和分析解吻合得很好。得到轴向扩散系数和低气速下分子扩散系数 的关系如公式( 1 6 ) 所示。 ( 2 ) 湍流轴向对流扩散系数 g i t a y l o r 用条内径9 5 2 m m ，长16 5 m 的直管，对盐水在水的湍流扩散进行实验 研究1 1 1 。通过下游溶液导电率反映盐水浓度，获得管道湍流扩散系数公式： k = 1 0 1 ，甜 ( 1 7 ) 5 第章前言 其中，“= 而。k 为对流扩散系数，m 2 s ；，为圆管半径，m ；z ，为壁面摩擦速度， m s 。 综上，国内外输气管道的投产已经积累了许多的施工经验，对于注氮总量、氮气 置换推进速度等都积累了经验公式，但均属于陆地管道的投产经验。对于海底管道投产 置换，也是采用“气推气 的置换方式，但是风险高，对投产的安全要求高，因此对海 底管道的投产方案提出了更高的要求。不同于陆地管道的地方是：海管置换过程中，由 于设备只能在陆上，因此只有氮气置换合格后才能够输送天然气；而陆地管道将氮气段 作为隔离段，若氮气量不够，可能出现天然气与空气的混气甚至爆炸。陆地管管内会有 天然气、氮气、空气同时出现的现象，但在海底管道内是绝对不会出现的，保证了投产 的安全性。 总之，国内外对输气管道投产置换过程的研究仍处于前期的经验性总结阶段，很 多研究是对输气管道氮气置换情况的分析和总结，大多数仅讨论了氮气置换的方法和操 作步骤，对置换过程中工艺参数的选择主要靠经验积累，缺乏对混气长度影响因素的理 论分析，没有一定的理论支持。因此有必要能建立数学模型，运用商业软件或者编程等 方法对氮气置换过程进行数值计算，这样能找出混气长度的影响因素，合理地计算出置 换过程中的混气长度以及注氮量，有利于优化投产过程，节省氮气用量。 1 3 质量传递原理 在含有两种或两种以上组分的物系中，如果其中某一组分存着浓度梯度，则将发生 该组分由高浓度区域向低浓度区域的转移，这种转移过程称为质量传递，简称传质。质 量传递的基本方式可分为分子传质( 分子扩散) 和对流传质( 对流扩散) 两种方式。分子传 质是依靠分子的随机运动所引起的质量传递，其与导热想象类似；对流传质则是运动流 体与固体壁面之间、或互不相溶的两种运动流体之间所发生的质量传递，类似于对流换 热，其求解涉及到流体流动状况以及速度分布等因素。严格地讲，质量传递是一个动力 学速率过程，过程的推动力应为化学位差，包括浓度差、温度差、压力差等1 6 l 。 1 3 1 分子扩散 分子传质又称分子扩散( m o l e c u l a rd i f f u s i o n ) ，是质量传递的一种方式。当在单一相 内存在组分的化学位梯度时，由分子的无规则热运动而引起的质量传递称之为分子扩 散，一般简称为扩散。分子传质时，系统处于动态平衡之中，组分分子沿扩散方向转移 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 后所留下的相应空位，需由其他分子填补，这一点和导热不同。分子扩散在气相、液相 和固相中都可能发生，是一种不依靠宏观的混合作用而发生的质量传递现象【1 6 】。 分子扩散只有在固体、静止或层流流动的流体内才会单独发生。描述分子扩散通量 或速率的基本定律为费克( f i c k ) 第一定律。对于由两组分a 和b 组成的混合物，无总体流 动时，若以物质的量浓度为基准，则由组分a 浓度梯度所引起的摩尔扩散通量可表示为： 以= 一见孕( 1 - 8 ) 似 式中： j a ：组分a 的摩尔扩散通量，即单位时间内组分a 通过与扩散方向相垂直的单位面 积的摩尔数，k m o l ( m 2 s ) ； 见：组分a 在组分b 中的扩散系数，m 2 s ； c a ：组分a 的摩尔浓度，k m o l m 3 ； z ：扩散方向上的距离，m 。 一般来说，对于完全气体及稀释溶液，在一定的温度和压力下，域与浓度无关； 但对非完全气体、浓溶液及固体，d 卅则是浓度的函数。在常温常压下，气体扩散系数 的数量级为1 0 m 2 s ，液体扩散系数的数量级约为1 0 。9m 2 s ，而固体扩散系数的数量级则 为1 0 。1 0 ，一 - 1 0 1 5m 2 s 。 1 3 2 对流传质 对流传质是在流体流动条件下所发生的传质过程。对流传质又称为对流扩散，指的 是运动流体与固体壁面之间，或互不相溶的两种运动流体之间所发生的物质传递过程。 在对流传质过程中，除了因分子扩散产生的质量传递外，还伴随有流体质点或微团的宏 观运动而产生的质量传递。相对于分子传质，对流传质可以得到较高的传质速率。工程 上的质量传递过程主要是对流传质。流体流动是对流传质发生的前提条件，因此对流传 质过程与流体的运动特征密切相关。流体性质、流动的起因( 强制流动与自然流动) 、流 动状态( 层流还是湍流) 以及流场几何特性等都对传质过程有着重要的影响【1 6 】。 在湍流流体中，由于存在大大小小的旋涡运动，而引起各部位流体间的剧烈混合， 在有浓度差存在的条件下，物质便朝着浓度降低的方向进行传递。这种凭籍流体质点的 湍动和旋涡来传递物质的现象，称为涡流扩散( e d d yd i f f u s i o n ) 或湍流扩散。对于涡流扩 7 第一章前言 散，其扩散通量表达式为 彤= 一云c r 式中： 以：涡流扩散通量，k m o l ( m 2 - s ) ； ：涡流扩散系数，m 2 s 。 ( 1 - 9 ) 应予指出，在湍流流体中，虽然有强烈的涡流扩散，但分子扩散是时刻存在的。但 涡流扩散的通量远大于分子扩散的通量，一般可忽略分子扩散的影响。还应指出，分子 扩散系数见是物质的物理性质，它仅与温度、压力及组成等因素有关；而涡流扩散系 数则与流体的性质无关，它与湍动的强度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有关。 因此，涡流扩散系数较难确定。 在湍流运动的流体内存在分子扩散和涡流扩散。对于二元混合物，可以仿照费克第 一定律的形式，写出组分的传质通量表达式： 以= 一( 绒- i - ) 誓( 1 - 1 0 ) ( 见+ ) 称为对流扩散系数( m 2 i s ) 。在实际传质过程中，流体的流动状况十分复杂，分 子扩散和涡流扩散在传质过程中所起的作用常常是未知的。对流扩散系数跟对流传热系 数一样，也和系统的几何形状及流体流动状态、物性、流动产生的原因等有密切的关系。 氮气置换过程中混气段的形成主要是对流扩散引起的，分子扩散可以忽略。 1 4f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件是目前国际上最流行的商业计算流体力学软件，其最大的特点是可以 模拟复杂几何流域和流动的热传导。f l u e n t 软件的设计基于“c f d 计算机软件群的 概念”【1 7 1 ，针对每一种输运过程的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，使之 在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳，从而高效率地解决各个领域的复杂流动与 传递过程的问题，因此在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着 广泛的应用。其中在石油天然气工业上的应用包括：多相流、管道流动、井下分析、喷 射控制、环境分析、燃烧等。 f l u e n t 用非结构网格处理复杂的几何外形，因此网格生成能力很强，甚至可以在 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 计算结果的基础上对网格进行细化和放粗。另外，f l u e n t 软件是用c 语言编写的， 它充分利用了c 语言的动态内存分配和高效率等特点，并且可以插入用c 语言编写的 用户自定义函数来加入新的边界条件，源项、物性等。该软件也存在着一些不足，在一 些特殊问题上的精度比不上那些专门为此问题而编写的程序( 比如在计算激波时，分辨 率就不如用高精度格式和贴体结构化网格得到的结果) ，而且在计算效率方面，解决同 样的二维问题时，g a m b i t 所生成的网格比人工生成的网格数目大很多，因此c p u 时 间和内存的消耗较大。 f l u e n t 软件本质上是一个基于有限体积法的求解器，所以，它既继承了有限差分 法的丰富离散格式，具有良好的守恒性，又能像有限元法那样采用各种形状的网格以适 应复杂的边界几何形状【l 引，同时还提供了健壮的压力速度耦合算法。它在模拟方面也 十分丰富，如定常流动和非定常流动，层流( 包括非牛顿流模型) 、湍流、多相流、不可 压缩和可压缩流动、传热、化学反应等。c f d 模拟过程受到计算机硬件条件的限制， 目前对于特别复杂的三维问题，计算速度还比较慢，为此f l u e n t 软件尽可能采用各 种加速收敛技术，如多重网格法、残差光顺法与当地时间步长法等，并且利用并行算法 缓解单机容量不足与计算时间过长的不足。考虑到生成网格和后处理常常会占据研究 8 0 以上的时间，而f l u e n t 只需要输入几个参数，读入一两个数据文件就可以实现 对参数、初始边界条件的改变，免去了对n s 方程求解实现的步骤，把主要精力放在对 控制参数、初始边界条件对最终流态影响的研究上。所以，f l u e n t 软件的工程应用价 值很高，本文选择使用高版本f l u e n t 6 2 1 6 进行模拟来节省研究时间和精力，保证结 果的可靠性。 1 5 本文主要研究内容 本论文以理论分析和数值模拟计算为基础，并将数值模拟结果与实验和现场实践进 行对比，在以下几个方面进行了研究： ( 1 ) 氮气置换研究首要问题是确定对流扩散系数。利用扩散基本理论建立一维氮气 置换模型，总结对比国内外的对流扩散系数的计算公式，用e x c e l2 0 0 7 求出混气长度， 并与现场实测数据进行对比，确定不同对流扩散系数计算公式的适用范围，为从定性上 评价后续模拟结果的正确性提供理论依据。 ( 2 ) 建立海管二维氮气置换的数学模型，采用f l u e n t 软件进行氮气置换非稳态 数值模拟计算。 9 第一章前言 ( 3 ) 根据数值模拟的结果，分析混气段的形成、发展乃至具体浓度的分布规律；确 定混气长度的影响因素；最终采用非线性回归确定混气长度、置换时间以及注氮量的计 算公式。 ( 4 ) 将数值模拟结果与实验和现场实践进行对比，验证数值模拟结果的正确性。 ( 5 ) 提出海管氮气置换工艺参数的确定方法。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章一维氮气置换模型 海底输气管道氮气置换过程中，管道内氮气与空气相互接触时，由于这两种气体间 存在着速度梯度和浓度梯度，在分子扩散和对流扩散的作用下，在接触界面处发生质量 传递即混气。因为氮气、空气均较轻且密度相近，管道径向浓度梯度很小，所以管道内 的传质过程主要发生在轴向，也就是考虑一维对流扩散。一维对流扩散模型能够反映管 内湍流混合的基本物理过程，如混合长度与流速、管径、管长的关系等，一般来说，一 维分析在工程上是可以接受的，本文建立一维氮气置换模型，并用e x c e l2 0 0 7 求出混气 长度，将计算结果与现场实测数据进行对比，确定不同对流扩散系数计算公式的适用范 围与精度，并为从定性上评价后续模拟结果的正确性提供理论依据。 2 1 一维氮气置换模型的建立 本模型的基本假定为： ( 1 ) 不考虑流速沿径向的分布即沿径向分布均匀； ( 2 ) 与流体流动方向垂直的截面上流体分布充分均匀，即只存在轴向浓度梯度，不 存在径向浓度梯度： ( 3 ) 将空气视为单一物质。 用一维对流扩散方程描述管内断面平均浓度分布，一维氮气置换模型的偏微分方程 及边界条件和初始条件为： 8 c8 c 铲c 一十, 一= 咒_ 魂 a ) ca ) c 2 c ( x ，o ) = o ，o 0 式中： c ：组分的质量浓度或摩尔浓度，k g m 3 或m o l m 3 ； ，：时间，s ； u ：流体流速，m s ； x ：扩散方向上的距离，m ； k ：对流扩散系数，m 2 s 。 第二章一维氮气置换模型 通过求解偏微分方程，就可以根据时间f 、流速u 和对流扩散系数k 就可以计算出管 内任意点的浓度。 2 2 对流扩散系数的计算 求解对流扩散方程之前，首要问题是针对具体问题确定对流扩散系数，这一工作对 于解的合理性和精确性具有很大的影响，所以对对流扩散系数的研究具有现实意义。由 于湍流扩散机理比较复杂，至今还没有得到一个通用的对流扩散系数公式，在求解方程 时一般取其为常数或与流速场联系起来，这样选取势必带有人为性，但目前对湍流结构 研究不深，也无法对对流扩散系数做理论分析【1 9 1 。下面结合国外大量的实验研究，总结 出对流扩散系数的求解方法。 2 2 1t a y l o r 层流扩散系数 t a y l o r 在直管道中处于层流状态下的液体中注入示踪质，实验观察示踪质的扩散情 ， 况。采用动坐标系，其运动速度与流体流速相同，t a y l o r 层流扩散系数为【1 2 , 1 4 , 2 0 ： 一 ”2 ，2 k = 4 8 d ( 2 2 ) 式中： k ：层流扩散系数，m 2 s ； u ：平均流速，m s ； ，：管道半径，m ； r d ：分子扩散系数，m 2 s 。 适用范围为：u d d o3 0 l d ，d 为管道直径，三为计算长度【2 0 】。由上式中可以看 出，层流时对流扩散系数分别与流速的平方、管径的平方成正比，因此其随着流速、管 径的的增大而快速增大；与分子扩散系数成反比。 2 2 2t a y l o r 湍流扩散系数 沿固体壁面作湍流运动的流体，其内部存在3 个不同的区域，它们依照距离壁面的 次序分别是层流内层( 或称黏性低层) 、缓冲层( 又称过渡层) 和湍流核心。在这三个区域 中，流体的流动形态各不相同，因而质量传递的机理也彼此不同。紧贴着壁面的层流内 层很薄，流体沿壁面方向平行流动，沿壁面的法线方向上，只有分子的无规则热运动， 质量传递的方式主要依靠分子扩散。由于分子扩散速率很慢，因此层流内层中的浓度梯 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 度很大。这种情况下的传质速率可用费克第一定律描述。过渡层也称缓冲层，在这里有 一定数量的漩涡，物质的传递将是分子扩散和涡流扩散的总和，浓度梯度比层流内层要 小得多。在湍流核心区，质量传递主要依靠涡流扩散，分子扩散的作用则很小，常可以 忽略不计。在这个区域内大量的漩涡运动使流体的横截面上浓度变得比较均匀，浓度梯 度很小。 据文献f 2 l 】可知，在r e 2 x 1 0 4 时，层流内层和过渡层很薄，可用如下t a y l o r 公式 ( 1 7 ) 进行计算对流扩散系数： k = 1 0 1 ，甜 t a y l o r 采用的光滑管内充分发展湍流的范宁摩擦系数f 由g o l d s t e i n 公式给出： 古训4 + 4 0 l g r e + 2 0 l g 厂 ( 2 - 3 ) 上式在3 1 0 4 r e 1 0 6 范围内近似表示为： f = 0