（油气储运工程专业论文）氮气置换在淄博—莱芜天然气管道中的应用研究.pdf

r e p l a c e m e n t o f n i t r o g e na p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hi nt h e n a t u r a lg a sp i p e l i n ef r o mz i b ot ol a i - w u n i u l i - d a o ( s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o no f p e t r o l e m ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc a ox u e - w e n a b s t r a c t a f t e rf i n i s h i n ge n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o no fn a t u r a lg a sp i p e s ，i no r d e rt o p r e v e n ta i ra n dn a t u r a lg a si nt h ep i p e l i n ef r o mm i x i n ga n dm a k es u r et h a tt h e m i x i n gp r o p o r t i o no fn a t u r a lg a sa n da i ri sn o ti nt h er a n g eo ff l a m m a b i l i t y l i m i t ，r e p l a c e m e n to ft h ea i ri nt h ep i p e l i n ei sak e yp o i n tf o rt h eo p e r a t i o no f t h ep i p e l i n e t h ep a p e rs t u d i e do nt h ez i b o l a i w ul i n e a c c o r d i n gt ot h e o p e r a t i n gs c a l e ，t h ef o l l o w i n ga r es t u d i e di n c l u d i n gg a sd i f f u s i o nt h e o r y , d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，t u r b u l e n tf l o wt h e o r y , i n s t a b i l i t ya n dn l r i lo fl a m i n a r f l o wa n ds oo i l c o n n e c t e dw i t ht h er e p l a c e m e n t m e t h o d ，i ts t u d i e st h er e l a t i o n o f d i f f u s i o na n dt u r nw i t hg a sm i x i n ga n dt h ea f f e c to f p i p ep i go ng a sp a t t e r n t h er e p l a c e m e n to fn i t r o g e nh a sb e e ns t u d i e dd e e p l yi nt h ep a p e r , i n c l u d i n g p i p e l i n ed r y i n g ，r e p l a c e m e n tg a ss e l e c t i o na n dp i p ep i gs e l e c t i o n ，n i t r o g e n i n j e c t i o nt e c h n o l o g ya n dr e p l a c e m e n tm o d e l i ti ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h e p i p e l i n eo fn a t u r eg a so fz i b o l a i w ul i n e ，i n c l u d i n gi n j e c t i o np o i n t ，i r l i e c t i o n f l o w , i n j e c t i o np a r a m e t e r s ，i n j e c t i o ne q u i p m e n ta n dc o n s t r u c t i o np r e p a r a t i o n k e y w o r d s ：n a t u r a lg a s ；p i p e l i n e ；d r y i n g ；n i t r o g e nr e p l a c e m e n t ；n i t r o g e n i n j e c t i o nt e c h n o l o g y ；m o d e l ；a p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：扣彩年矿月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 弘o b 晕t oal a 一 卅石年，矿月，卜日一 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 第1 章前言 淄博一莱芜天然气管线是鲁中地区的一条重要输气干线，也是山东管 网的重要组成部分，它的建成投产对鲁中地区的经济发展将起着重要的作 用。在该管线的投运过程中，天然气进入管道前，对管道内的空气进行安 全置换尤为关键。本文通过对该工程氮气置换方案的深入研究及实践应 用，得出了一些结论，并取得了较好的效果。 投产置换是为了保证天然气投产的安全，避免发生爆炸；还戍考虑经 济问题，要取得较好的经济效益。在置换过程中，需要对置换介质、置换 的技术参数、置换方案等进行科学严密的分析确定。根据长期的天然气长 输管道投产置换实践的研究，在置换过程中，置换气体一般选择氮气。 置换方法有两种； ( 1 ) 加隔离球置换即“气推球”法：在管道内放入一组清管器，清 管器之间充满氮气，然后在最后一个清管器后面通天然气推动氮气置换 “列车”从管道一端到另一端从而将管内的空气置换成天然气。 ( 2 ) 充氮置换“气推气”法：直接向管道内充氮气，当氮气在管道 内形成一个氮气杠后丌始通天然气，氮气与天然气直接接触进行嚣换的一 种方法。两种置换方法入口处充氮速度控制以及置换中充氮量等技术参数 等均有待进一步研究与分析。 本文从实践经验中得出了解决置换介质选取、混气段控制、充氮设备 选型、充氮技术参数等技术问题，从理论上对置换的细节问题进行微观分 析，从气体运动学的理论中研究气体在管道中的流动特性，力求对天然气 长输管道置换分析透彻，使置换工作安全、经济，切实可行。 中国石油人学( 华东) 硕十论文第2 章淄博一莱芜天然气管道i 程置换投运范围 第2 章淄博一莱芜天然气管道工程置换投运范围 淄博莱芜天然气管道工程置换投运范围包括周村站一莱芜站之间 管道以以及沿线五个分输阀室。 2 1 淄博一莱芜管线地理位置及环境概况 淄博一莱芜管线为巾3 5 5 6 ，l 3 2 0 材质管道，设计压力4 o m p a 。起点 为山东省淄博市周村区，管线自北向南，经过萌山水库，沿滨博高速公路 行进，在淄博市博山区南翻越风凰山进入莱芜市，管道基本在山谷中行进， 通过莱城区和庄、苗山等乡镇到达莱芜经济开发区。沿线海拔较高，主要 为山区和丘陵地带，山区主要为石方地段，丘陵区流砂严重，平均高差超 过2 0 0 米以上。 2 2 线路部分 淄博一莱芜管线管线总长7 6 8 k m 。包括： 周村站一淄川阀室：巾3 5 5 6 n 6k m ； 淄川阀室一辛庄阀室：由3 5 5 61 0k m ； 辛庄阀室一博山阀室：由3 5 5 6 1 3 6k m ； 博山阀室一荣科阀室：巾3 5 5 69 6k m ； 荣科阀室一祝家沣阀室：巾3 5 5 6 1 2 4 3k m ； 祝家洼阀室一莱芜站：中3 5 5 6 1 9 5 7k m 。 2 3 站场及阀室部分 站场及阀室部分共包括两个站，五座阀室。分别为：周村站、莱芜站、 淄川阀室、辛庄阀室、博山阀室、荣科阀室、祝家洼阀室。 站场及阀室的置换随同线路置换同时进行，即以周村站为起点，依次 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章淄博一莱芜天然气管道1 二稃置换投运范 进行周村站、周村站一淄川阀室管线、淄川阀室、淄川阀室一辛庄阀室管 线、辛庄阀室、辛庄阀室一博山阀室管线、博山阀室、博山阀室一荣科阀 室管线、荣科阀室、荣科阀室一祝家洼阀室管线、祝家洼阀室、祝家洼阀 室一莱芜站管线及莱芜站的置换，达到一次性置换投运的目的，有效节约 了费用，提高了工作效率。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章置换目的及置换中需重要研究的问题 第3 章置换目的及置换中需重要研究的问题 3 1 置换目的 天然气是易燃、易爆气体，在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反 应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行；当其浓度超过某 一极限时，由于缺氧也无法燃烧。前一浓度极限称为着火下限，后一浓度 极限称为着火上限。着火极限又称为爆炸极限。 置换的目的就是为了防止管道内空气与天然气混合，如果管道中的天 然气含量达到一定比例( 4 7 一1 5 ) ，达到了天然气的爆炸极限范围，此时 如遇到火花则会发生爆炸。因此在新建管道投运过程中，必须进行置换， 保证天然气管道投产的安全，避免发生爆炸。 3 2 置换中需要研究的若干问题 ( 1 ) 置换应采用稳定性强、且不能参加燃烧反应的气体，同时应考 虑成本问题。一般来讲，使用惰性气体较好，但惰性气体成本较高。氦气 的性质也非常稳定，成本相对较低。故天然气管道投运置换一般采用氮气。 ( 2 ) 所谓置换即用稳定气体詈换管道中的空气，主要是指空气中的 氧气。首先是用干空气置换管道中的湿空气，然后是氮气黄换干空气，最 后再用天然气詈换氮气，使管道内充满天然气，供用户使用。在胃换过程 中，最重要的就是要使管道内天然气、空气、氦气混合物中的氧气减少， 这必然会有一个气体混合的问题，在什么状态下，气体混合少，这个问题 需要研究。研究的实质是对流态及扩散理论的研究。 ( 3 ) 对清管器法的研究。采用清管器隔离置换气体将会在使用过程 中引起哪些结果，该问题可从清管器在管道中运动的特点来加以分析。 ( 4 ) 应该如何控制氮气的充气速度及充气参数，入口处的技术参数 对流态及扩散是否有影响，影响如何? 置换效果如何? 均需要研究。 4 中国行油大学( 华东) 硕十论文第4 章气体运动理论与置换方案的笑系研究 第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 4 1 气体扩散理论 气体扩散主要是分子运动造成的分子扩散，扩散理论说明如下。 4 1 1 分子扩散与菲克定律 1 、分子扩散 在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的 热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩 散。 2 、分子扩散现象 图4 - i 扩散现象 如图4 - 1 所示的容器中，用一块隔板将容器分为左右两室，两室分别 盛有温度及压强相同的a 、b 两种气体。当抽出中间的隔板后，分子a 借 分子运动由高浓度的左室向低浓度的右室扩散，同理气体b 由高浓度的右 室向低浓度的左室扩散，扩散过程进行到整个容器里a 、b 两组分浓度完 全均匀为止。此时，通过任一截面物质a 、b 的净的扩散通量为零，但扩 散仍在进行，只是左、右两方向物质的扩散通量相等，系统处于扩散的动 态平衡中。 3 ，扩散通量 扩散进行的快慢用扩散通量来衡量，其定义为：单位时间内通过垂直 于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，成为扩散通量。 4 、菲克定律 4 1 2 稳态扩散与菲克第一定律 由两组分a 和b 组成的混合物，在恒定温度、压力条件下，若组分a 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 只沿z 方向扩散，浓度梯度为! 等生，则任一点处组分a 的扩散通量与 韶 该处a 的浓度梯度成正比，此定律称为菲克定律，数学表达式为： 以= 一d 口孕( 4 1 ) ，a 扩散通量，g m s 一或t 0 0 1 t t l s ； d a b 扩散系数，m2 s ； c a 扩散物质的体积浓度，g m 一3 或t 0 0 1 m - 1 ； z 沿z 轴单向扩散时的扩教距离； 鲁一浓度梯度( 当孥= 0 d t时，可记作鲁)d zd z 上式即为菲克第一定律的数学表达式，又称扩散第一方程，它适用于 稳态扩散( 即堕= 0 ，t 为扩散时间) 。式中不但给出单位时间内通 口f 过垂直于扩散方向( z 轴) 单位面积的扩散物质通量j a 与浓度梯度 鱼的正比关系，而且负号还说明扩散方向与浓度梯度方向相反，即当 系统中存在浓度梯度时，扩散就发生，且扩散组元是从浓度高的一侧迁移 到浓度低的一侧，在一定的条件下实现均匀化。 4 2 等分子扩散与菲克第二定律 如图4 - 2 所示，当连通管内任意截面上单位时间、面积土向右传递a 分子数与向左传递的b 分子数相等时，这种情况称为等分子反方向扩散。 若以a 的传递方向( z ) 为正方向，则可写出下式，即 j 、= 一3b 6 中国千釉大学( 华东) 硕十论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 式中：j b 为b 物质在z 方向上的扩散通量，m o l m - 2 s ，负号 表示与j a 反向。 根据菲克定律可知： 图4 - 2 等分子反向扩散 ，a 一。船等 j8 = - d s a 百d c s ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) 在总压不很高的情况下，组分在气相中的浓度c a 可用分压p 表 示，即 c a = 等= 静 c e = 等= 争 式中：”a 、”b 一一分别为a 、b 组分的物质的量，k m o i ( 4 - 4 ) ( 4 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕七论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 8 3 1 4 。 丁一一热力学温度，k ； 矿一一气体总体积，m 3 ； r 一一通用气体常数，k j ( k n o t k ) ，其数值可取为 总浓度c a 可用总压p 表示，即 c = c a + c 。= 学= 寺= 常数 e ， 所以 d eb = d ( 口一c b ) = 一d c a 将上述关系代入式( 4 - 2 ) ，得： 饥等= 一 d b a 等 得 d a b = d 队 ( 4 7 ) 上式表明，由a 、b 两种气体所组成的混合物中，a 和b 的扩散系数 相等。 传递速率：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位曲积的a 物质的量，称为a 的传递速率，以n 表示，其单位为k m o l ( m2 s ) 。 在单纯的等分子反方向扩散中，物质a 的传递速率应等于物质a 的扩 散通量，即 叫一d 警一号警 沿8 ) 而且，对于上述条件下的定态过程，连通管内各截面上的a 应为 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 常数，则印a c z 也是常数，即p 一z 应成直线关系，如图4 - 2 。 将式( 4 - 8 ) 分离变量并进行积分，积分上下限为 z l = 0 ，pa = p a l( 截面1 ) z 2 = z ，pa2pa 2 ( 截面2 ) 则可得到 n 、奠d z = 一告l ：d p 、 解得传递速率为 。= 鲁一p a 2 ) ( 4 - 9 ) 4 3 非稳态扩散与菲克第二定律 如前所述，菲克第一定律可很好地处理稳态扩散问题，此时在扩散过 程中扩散组元浓度分布不随时间而变，堕= 0 ；但在实际生产中， 大多数的扩散过程是非稳态扩散，即垒j 0 ，扩散系统任一点的浓 d f 度随时间而变化，用菲克第一定律无法解决。在此基础上考虑时州的影响， 结合质量守恒原理推导出适用于非稳态扩散的菲克第二定律。如图4 - 3 所 示。 图4 - 3 先考察在沿z 轴的单向扩散中的一个垂直于z 轴的微体积元 4 z ，a 为截面积，j l 、，2 分别表示某一时刻体积元内流入、 流出的扩散通量，则at 时间后流入体积元和从体积元内流出的扩散物 质量分别是 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研壅 则得 m l = j l 4 t( 4 1 0 ) 历2 = 厂2 彳a t ( 4 1 1 ) 根据质量守恒条件，在at 时间内留存在体积元中的扩散物质量为 a 朋= 历i 一所2 = ( j i j2 ) 么， ( 4 1 2 ) 尘三生：! 二12 ：一 垒! txx - m 擎：一旦( 4 - 1 3 ) 6 t8 x 结合扩散第一方程，可得出下面的菲克第二定律数学表达式( 扩散第二方 程) 盟：孚( 孥) 一d 加 ( 4 - 1 4 ) 8 t6 x 、6 x ” 当浓度变化范围不大时，扩散系数, - - 视为与浓度无关，则上式, - ? g 化 为 孥：擘 ( 4 - 1 5 ) 二三_ 一= 2 一，d le 1 6 t6 x 。 。 在考察了一维非稳态扩散后，我们可以类似地推广到空间三维扩散， 并假设在z 、y 、z 三个方向上的扩散系数d 。、d ，、d ；、均 相等，令d 。= dy = d ：= d ( d 为常数) ，则扩散第二方程为： 百8 c a = 嘉( 。百8 c ) + 参y ( d y 可8 c a ) + 砉( 。：百8 c a ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕十论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 叫等+ 等+ 可8 2 c a ) = d v 2 c ( 4 1 6 ) 4 4 扩散系数 分子扩散系数简称扩散系数，它是单位浓度梯度的扩散通量，是物质 的特性常数之一。扩散系数反映了某组分在一定介质( 气相或液相) 中的 扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系种类、温度、浓度或总压的 不同而变化。但在气相中的扩散，浓度的影响可忽略；对于液相中的扩散， 压强的影响不显著。 4 4 1 气体中的扩散系数 通常气体中的扩散系数在压力不太高的条件下，仅与温度、压力有关。 根据分子运动论，分子本身运动速度很快，通常可达每秒几百米，但由于 分子间剧烈碰撞，分子运动速度的大小和方向不断改变，使其扩散速度很 慢，一些气体或蒸汽在空气中的扩散系数见表4 1 。 扩敢秉教d 咿 懒质 ；矩絮“ 扩散物魔 r1 06 1 1墙00 m 鸭1 0 1 2 r 2g 凡00 7 7 “l0 懦g 心 00 7 6 0 i c 珏o h0 1 3 2 g o l l 0 1 0 9 嚣i：嚣 儡 00 8 9 g 地o c , 珥 0 0 7 1 1 10 1 7 表4 - l 一些物质在空气中的扩散系数( o 、1 0 1 3 3 k p a ) 4 4 2 其它扩散 实际上，除分子扩散外，气体会有涡流扩散存在，即质点运动扩散。涡 流扩散与气体流态有很大关系，有时涡流扩散比分子扩散更占主要地位。 4 5 紊流理论基础 4 5 1 紊流的特点 1 ) 无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性。 2 ) 耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力 引起的耗能。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 3 ) 扩散性：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动 量等扩散性能。 4 5 2 紊流切应力表达式 紊流运动要素的脉动及其时均化 时问平均流速：流体质点的瞬时速度始终围绕着某一平均值雨不断跳 动( 即脉动) ，这一平均值就称作时间平均流速( 图4 - 4 ) 。 瓦= 争r 甜。o ( 4 _ 1 7 ) “ 月 o l ，币黾带婴枷 u 吖彳r - 图4 - 4 “j = z f j + “1 u y 2u y+uy “z2 “z + u2 或p = p + p 紊流强度：是脉动量的特征值，指脉动值的均方值的平方根， 脉动量的特点： ( 1 ) 脉动量的时均值为零，即 “：= 0 ( 4 - 1 8 ) f 亏 即、“f 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 瓦= 争r “：西= 争i g 。一：= 瓦一百= o ( a 书) ( 2 ) 各脉动量的均方值不等于零，即“? 0 4 5 3 紊流切应力 紊流流态下，紊流切应力： f ：f 。：譬+ 1 7 - p t14x t y ) ( 4 _ 2 0 ) f2fu + f t2 石+ p ， ( 4 2 0 ) 矩形断面风洞中测得的切应力数据如图4 - 5 ： ) ， 1 0 5 h 0 0 o o 、 、 多、 工 纽吐 妒 方，。溉( c 硎s 2 ) 图4 5 说明： ( 1 ) 在雷诺数较小时，脉动较弱，粘性切应力占主要地位。 ( 2 ) 雷诺数较大时，脉动程度加剧，紊流附加切应力加大，在己充 分发展的紊流中，粘性切应力与紊流附加切应力相比忽略不计。 ( 3 ) 沿断面切应力分布不同，管道近壁处以粘性切应力为主( 称粘 性底层) 。 ( 4 ) 紊流附加切应力是由微团惯性引起的，只与流体密度和脉动强弱 有关，而与流体粘性无直接关系。 4 5 4 紊流动量传递理论普兰特混合长度理论 r 紊流附加切应力f t2 一p “x “7 中，脉动流速“x 、“7 均为 随机量，不能直接计算，无法求解切应力。所以1 9 2 5 年德国力学家普兰 特比拟气体分子自由程的概念，提出了混合长度理论。 l3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 普兰特假设： ( 1 ) 不可压缩流体质点在从某流速的流层因脉动甜y 进入另一流速的流 层时，在运动的距离。l ( 普兰特称此为混合长度) 内，微团保持其本来 的流动特征不变。 在混合长度l l 内速度增量 i = i o 一。) 一一u x ( y ) = 工，! ( t 埘) ( 2 ) 普兰特假设脉动速度与时均流速差成比例，即： 所以 ux ：c l i = c l 三l 粤( 4 - 2 2 ) d v “；= + c 2 三，等 ( 4 - 2 3 ) 铲一p 磊= p c c ：( 冬) 2 = p l2 ( 争) 2 ( 4 - 2 4 )。 卯卯 式中：，2 = c l c2 l ：亦称混合长度，但己无直接物理意义。 在紊流的固体边壁或近壁处，普兰特假设混合长度正比于质点到管壁的径 向距离，即 式中 ，= 胁 ( 4 - 2 5 ) 后由实验决定的无量纲常数。例如圆管层流k = o 4 。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 y 至壁面的距离。 4 5 5 紊流的基本方程 连续性方程 堕+ 生+ 堕：o 8 x 8 y 8 z n - s 方程( x 方向) ( 4 2 6 ) 廖要耋( 肛等一p 丽 + 孙等一p 丽 。， + 昙c 斗等一p 瓦脚等 式中： 一p 甜? 由于脉动产生的附加法应力统称为雷诺应力 一p 甜：甜：由于脉动产生的附加切应力。 它们是紊流传输项，也是造成紊流动量交换及质点混掺的主要原因。 在紊流边界层外侧或紊流扩散中，雷诺应力远远超过粘性切应力。 4 5 6 紊流流速分布 l 、粘性底层，紊流核心( 圆管) 的概念 粘性底层( v i s c o u ss u b l a y e r ) ：圆管作紊流运动时，靠近管壁处存 在着一薄层，该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力 可以忽略，速度近似呈线性分布，这一薄层就称为粘性底层，如图4 6 。 紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 图4 - 6 2 粘性底层 a 粘性底层的流速分布 由牛顿内摩擦定律式： d “u fo = z _ l “z 一 ( 4 2 8 ) 所以 则得 卫：丝旦：d 旦 ppyy ( 4 - 2 9 ) 寺2 等，y 舛 s 。， 热一再= 万一一一憾 结论：粘性底层中的流速随y 呈线性分布。 b 粘性底层厚度j l 实验资料表明：当yj 艿。时，! 鼍 = 1 1 6 ，则粘性底层厚度艿。， 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 ( 4 - 3 1 ) r t 九 c 因为彳。= 。彬= p g 力争专= 竿所以 酽再= 再、 式中：r 。管内流动雷诺数： 五沿程阻力系数。 说明：( 1 ) 粘性底层厚度很薄，一般只有十分之几毫米。 ( 2 ) 当管径d 相同时，随着液流的流动速度增大，雷诺数增大， 粘性底层变薄。 c 圆管壁面水力特性 根据粘性底层厚度万。与管壁的半h 糙度的关系，在不同的r 。流动 状态下，任一圆管的壁面均可能呈现下列三种水力状态： i 水力光滑壁面( 管) ( h y d r a u l i cs m o o t hw a l l ) ： 当管内流动雷诺数较小时，粘性底层厚度点较大，以至于粘性底层 足以覆盖全部粗糙，管壁的粗糙度对紊流结构基本上没有影响，水流 就象在光滑的壁面上流动一样。这种情况在水力学中称为水力光滑壁面 ( 管) 。 i i 水力粗糙壁面( 管) ( h y d r a u l i cr o u g hw a l l ) ： 竺万 “ 石 | i 万 i i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 当粘性底层厚度万足够小，以致粗糙度对紊流切应力起决定性 作用，其粗糙突出高度伸入到紊流流核中，成为涡旋的策源地，从而加剧 了紊流的脉动作用，水头损失也较大，这种情况在水力学中称为水力粗糙 壁面( 管) 。 i i i 水力过渡区壁面( 管) ( t r a n s i t i o nr e g i o nw a l l ) ： 介于水力光滑管区与水力粗糙管区之间的区域的紊流阻力受粘性和 紊动同时作用，这个区域称为过渡区。 3 紊流核心区的流速分布 a 对数规律分布 普兰特假设： ( 1 ) 切应力f 为一常量，且其值等于边壁处的切应力ro ，即f = fo ； ( 2 ) 混合长度随着离边壁的距离y 呈线性变化，即i = k y 。 。叫2 ( 等 2 _ y2 ( 等 2 2 = 缈等 d 雄。一1 砂 “尼y 则得 笠：切+ c ( y d ) ( 4 - 3 2 ) “。 k 。 说明：在紊流核心区( y d ) ，紊流流速里对数规律分布。 b 圆管流速的指数规律分布 普兰特一卡门根据实验资料得出了圆管紊流流速分布的指数公式 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 吾= 限s s ， 式中，玎随尺。增大而减小的指数。对于光滑管：当r 。 1 i x l 0 5 时， l万f ，v 、1 7 n = = - ，兰一= l 二一l称为紊流流速分布的七分之一定律。若 “ml7 0 r 增加，n 值减小。 4 6 层流的不稳定性及转捩 流态从层流向紊流转变，直接影响着流态的性质，对混合气段特性也 有影响。首先用试验的方法研究由层流到紊流转变规律的是英国人雷诺。 1 8 8 3 年雷诺发表了他在曼切斯特大学进行圆管流动试验研究的论文。 1 9 3 0 年普朗特在德国哥廷根大学建立了层流稳定性理论。粘性流动中存 在两种不同的流动型态：层流和稳流。由于这两种流动具有不同的本质和 表现，而且在各种具体边界条件下其流速分布，切应力的大小与分布，能 量损失，扩散性质均不相同，研究流动在什么情况和条件下由层流转变为 紊流具有重要的意义。 1 l 在进行圆管流动试验时，随着圆管流动雷诺数r e = 兰的不 d 同，在管中将两种完全不同的流动型态。流动雷诺数较小时，管中的每一 个流体质点均沿着与流道中心线平行的直线匀速前进。不同流层的流体质 点互不相扰，互不掺混，是为层流。当雷诺数增加到一定数值时，流动变 得杂乱无章，不同流层的流体质点相互掺混，曲线蜿蜒曲折，由于掺混而 引起不同流层之间的能量交换，一点处的流速和压强均呈随机的脉动现象 而断面上的时间平均流速的分布趋于均匀化，这就是紊流。钱宁教授在它 的泥沙运动力学一书中曾做过一个生动的比喻，比喻层流恰似一对排 列整齐、训练有素的士兵列队沿街道前进，而紊流则是沿街道进行的一群 醉汉，虽然总体上仍沿街道前进，但每一个醉汉却杂乱无章的运动。 由层流向紊流转捩的雷诺数成为临界雷诺数r e 。圆管流动 9 中国石油犬学( 华东) 硕十论文第4 章气体返动理论与置换方案的关系研究 r e 。= f ! 卫l = 2 3 0 0 u c n l 式中甜。表示圆管断流面平均流速，d 为圆管直径。当雷诺数在临界雷 诺数一下时，即使存在对水流的强烈扰动，扰动将由于流体的粘性而衰减， 流动仍继续保持层流状态。只有在流动雷诺数大于临界雷诺数时，扰动 在流动中不仅不会衰减，而且逐渐放大，层流才会由于扰动而转变为紊流。 在层流中水头损失与流速的一次方程成正比，而在紊流中水头损失与 流速的平方成正比。水头损失增加的原因在于紊流中动量的横向扩散和传 递。 当雷诺数在临界雷诺数附近的一个范围内，流动具有| 日j 歇性，它可能 时而为层流，时而为紊流。罗塔在1 9 5 6 年所发表的在圆管中距管轴中心 ， 不同距离一( 为圆管半径) 处量测的流速随时间变化的纪录如图4 - 7 ，- 0 中所示，可以看出这种现象。 这个流速纪录是在雷诺数r e = 2 5 5 0 是由热线风速计量测的。图中 表示的流速有时是层流，有时是脉动剧烈的紊流，而紊流的出现在时间上 又是随机的。在距圆管中心较近处，层流的流速大于紊流的时间平均流速 值而靠近管壁处则恰恰相反。这种时而层流时而紊流的流动现象常用间歇 系数，来表示它的特性。间歇系数的定义为： 16l 1 5 6 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章气体运动理论与置换方案的关系研究 ，= 争 ( 4 - 3 4 ) 式中r 。表示在测量过程中流动呈现脉动的部分时间而r 则为总的两侧 时间。如果y = 1 ，表示在整个量测时段中流动均呈现脉动，是为紊流。 反之当y = 0 则表示整个量测时段均为层流，没有紊流脉动出现。 层流稳定性理论的基本点是：层流流动经常会受到一些小的扰动。例 如在管流的情况，这些扰动有可能是由气管道进口产生的。在边界层流动 中这些扰动则可能是由壁面粗糙或外流的某些不规则所产生的。研究层流 对这些外来小扰动的抑制能力也就是层流稳定性问题。当这些小扰动叠加 到主流流动上以后，就要观察这些扰动时随时间而增长扩大还是随时间而 逐渐消失。如果扰动随时间而衰减以至消失，则层流流动是稳定的，反之 则流动不稳定，是流动最后由层流转变为紊流。层流稳定性理论的主要内 容是寻求在各种流动情况些层流对微小扰动失去抑制能力时的雷诺数，也 就是临界雷诺数r e 。充氮或充天然气入口处的参数控制直接影响着流态 及转捩。 4 7 流态及扩散与气体混合关系的结论 流态与气体混合段的关系十分直接，置换气体的流态影响着混气段的 长度。综上所述，有几点结论： 1 、入口处充气速度及充入量对流态的转捩有很大影响，可通过控制 入口处充气速度及充气量控制流态。 2 、流态直接影响了扩散，扩散直接关系到混气段的特性。 3 、层流一般压力低、速度小，气体质点作有序运动，粘性底层厚， 管内壁凹凸坑对气流影响小。紊流一般压力高、速度快，气体质点作无序 运动，在两种分质气体交汇段上，分子扩散运动快，浓度梯度在短时间内 易减小，根据普兰特混合长度理论，混气段长度并不大。倒是层流容易形 成楔形气头，混气段汇聚范围相反更大。 4 、应尽可能缩短置换时间，充气处应控制流态为紊流，使混气段尽 可能短。在管道后端，压力降低，气流速度有所放缓，紊流可逐步转捩为 层流，不同介质的气体作气体层动，有利于提高置换效果。 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第4 章气体返动理论与置换方案的关系研究 5 、实验表明：控制入口处气体的流速在3 5 米秒时，混气段的长 度为最短。气推气方案切实可行。 4 8 清管器隔离对气体流态及混气段的影响分析 。 理论分析认为，加隔离清管器并不是减少混气段的决定因素。由于气 体存在一定压缩系数，同时管道高差、弯头以及管内的污物存在，造成实 际操作过程中，清管器的运行速度难以控制，不易操作。 清管器运行过程中，其密封盘不可避免地与管道内壁发生摩擦，密封 盘的过度磨损将造成清管器前后串气，运行速度不能准确计算，难以控制。 清管器过盈量的存在，将使密封盘与管道内壁间产生较大的摩擦阻 力，使清管器前后的压差加大，增大了清管器前后的串气量，进一步加长 了混气段的长度。 故采用清管器隔离的置换方式并不可取。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 第5 章管道干燥和置换技术研究 5 1 管道干燥技术研究 5 1 1 干空气干燥法 1 、原理 低露点的空气进入管道后会促使残留在管壁上的水蒸发，湿气由空 气流带走。判断干燥的方法是，源源不断地输入干空气并检测管道出口 的空气湿度或露点，当其小于预定值时，表明管道已经干燥。另一种方 法是同时检测入口和出口的露点，当两者相等时，表明管道已经干燥“1 。 影响管道干燥的因素主要有干空气的最初含水量、环境温度、管道内的 残留水量、干空气的流量、液态水的分布状态等。 通常干燥的动力主要来自于管内壁水蒸气的分压和千空气流水蒸气分 压的差。两者的差越大，空气吸湿的速度就越快。当干空气在管道中流动 时含水量低的空气很快吸湿，直到饱和。但随着空气在管道中的继续流动， 压力逐渐下降。压力的下降导致其吸水的饱和浓度增加，于是空气将继续 吸水，直至其最终从管道尾端排出。在一定条件下，增加空气的流速可以 缩短干燥的时间。但必须明确的是，增加流速不仅需要大规模的制干空气 的设备和压缩机，而且会增加管道中空气的压力，同时水的快速蒸发吸热 会降低管道中的温度，反过来又会使空气的吸湿能力下降。由于上述原因， 管道中的干燥过程不是均匀的。 2 、工艺过程 干空气干燥工艺实际应用时大致有两种方法，一是在采用干空气吹扫 的同时，间隔一定时间连续投入清管器辅助干燥，二是只用于空气持续低 压吹扫。第一种方法由于泡沫清管器的辅助，可达到很高的干燥速度，但 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 由于泡沫清管器易磨损，一般只适用于距离较远的陆上管道( 段) ，可干 燥的最长距离在l o o k m 左右。第二种方法可干燥很长的管道( 段) ，但受 限于干空气制取设备和压缩机的规模。典型的干空气干燥工艺曲线如图 5 1 ： 图5 - 1 典型的干空气干燥工艺曲线 图中最初a b 的下降是由于水蒸发引起的温降所致( 一般为0 5 2 ) 从c 点开始，干燥平衡被打破，空气不再饱和，表明管道内大部分或 全部的液态水已经蒸发完毕，继续干空气吹扫将很迅速的降低管道内的露 点。达到f 点后，停止干空气吹扫，如果管道内的某些地段还存在液态水， 液态水会蒸发补充到管道内的空间，导致露点上升( g 点) 。间隔一定时 间后重新开始干空气吹扫，在较短的时间内就能将露点降下来( h 点) 。 经过几次i b j 隔吹扫，最终能达到完全清除管道内存在的液态水，并降露点 降至- 2 0 以下。 从理论上讲，随着时间的推移，最终管道出口处的空气露点可达到一4 0 以下( 图中f 点) ，这是最理想的状态。但在实际施工中，除了对干燥 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 要求较高的管道( 如输送酸性天然气的管道) 外，干燥终点没有必要达到 f 点，一般达到e 点( 一2 0 ) 就足够了。因为在一个标准大气压下，- 2 0 露点的空气含水量仅为0 8 8 3 5 9 m 3 ，相当于在管道内壁上的残留水为 1 3 2 1 m g m 2 。在管道投产前，空气会被干燥的氮气、天然气置换出管 道。另外，露点低于1 8 的空气在1 0 个月内对管道没有腐蚀，干燥后即 使不马上投产也不会腐蚀管道内壁。 在海底管道方面，干空气干燥法应用最成功的两个例子是：1 9 9 5 年 建成的e u r o p i p e 天然气管道，管径为1 0 1 6 m m ，全长6 2 0 k m ；蓝色气流 工程( b l u es t r e a mp r o j e c tp i p e l i n e ) 中的两条2 4 ”，深1 0 0 0 m 的海 底管道，每条3 5 0 k m ，全线采用干空气干燥。在国内，干空气干燥法成 功地应用于陕京、京一石、涩宁兰、沧一淄、西气东输等天然气输送管道。 3 、干空气制取工艺和设备 制取干空气的技术主要有直接冷却法、冷却后加压法、干燥剂吸收法 和分子筛法等。由于水在o c 会结冰，而且随空气温度的降低，通过降温 除去水蒸气的效率将成倍的下降，因此制冷的方法经常用于制取常规的低 露点空气。一般不单独用于制取管道干燥使用的露点低于一2 0 的超干空 气，但该方法可作为干燥剂吸收工艺的一部分对空气进行初步干燥。 使用干燥剂除水是比较陈旧但有效的方法。干燥剂是指具有亲水力的 固体或液体。常用的固体干燥剂有硅胶、氧化铝、分子筛、氯化锂、溴化 锂、氯化钙等。常用的液体干燥剂有三甘醇、乙二醇等。其中，硅胶、氧 化铝、分子筛和三甘醇可将空气分别干燥到一6 0 、- 7 3 、- 9 0 和- 6 0 由于液体干燥剂具有腐蚀性、重量大、需要控制液体晃动和飞溅等缺点。 因此常用固体干燥剂进行干燥。 图5 2 所示的是一种用于管道的采用固体干燥剂的空气干燥系统。该 系统的主体部分是装填有硅胶的两个塔。干燥时，一塔使用，另一塔再生。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 干燥塔中有很多 i l l 道可供空气穿过，在孔道的壁上涂满了硅胶。当湿空 气穿过时，水气被硅胶吸收，直至第一个塔装填的硅胶全部饱和，然后将 空气进入另一塔，第一个塔随后加入热风再生硅胶干燥剂。图5 - 2 中未画 出过滤器，但这个设备很重要。空气在进入干燥系统前必须过滤净化，因 为空气中携带的灰尘或杂质会妨碍水的正常吸收，并使系统的干燥性能迅 速下降。 预冷却装置 图5 - 2 采用固体干燥剂的空气干燥系统 4 、优缺点及影响因素 干空气干燥早在8 0 年代初就被国外所采用，世界各地的各种天然气 长输管道都有采用过该法进行干燥的实例。干空气法之所以被广泛使用， 是因为它具有以下优点： ( 1 ) 空气来源广泛不受地区限制； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 ( 2 ) 废气可以任意排放，无毒、无味、不燃、不爆、无安全隐患； ( 3 ) 既适用于陆地管道，也适用于海底管道； ( 4 ) 受管径管长的影响相对最小； ( 5 ) 干燥成本低： ( 6 ) 施工工期短，可以实现连续的监控； ( 7 ) 易于管道建设和水压试验相衔接； ( 8 ) 干燥效果均匀一致，露点可达到一2 5 。c 以下。1 。 其缺点是：对于大口径的管道，设备占地面积很大，需要消耗大量 的燃油或电力来制取干空气。 影响干空气干燥时间的因素： ( 1 ) 空气的最初含水量。理论上使用的干空气越干，干燥时间越短。 但在时际干燥施工时一般采用露点为- 4 0 c 一5 0 的干空气，很少采用 更低的露点。因为露点低于- 5 0 c 的干空气对缩短干燥时间的能力越来越 小了，而相应的制取费用越来越高。 ( 2 ) 环境温度。管线所处的环境温度越高，越有利于水分的蒸发， 同时干空气的吸水能力越大，干燥效果越好。 ( 3 ) 管道内的残留水量。根据经验，没有内涂层的管道，用清管器 扫水后，可以使管内水量减少至相当于管内只有一层0 0 5 o i m m 厚度 的水膜。 ( 4 ) 干空气的流量。干空气的流量越大，干燥时间越短，但4 8 m s 的干空气流速在效果和经济上都比较好，再增加干空气的流速对干燥的 效果影响不大。 ( 5 ) 液态水的分布状态。在干燥初期，管道内液态水聚集在管道较 低部位，如间歇发送泡沫清管器，可以将水推成薄膜，增大了与干空气 结处的面积，提高干燥效果 中国石油大学( 华东) 硕士论文第5 章管道干燥和置换技术研究 5 1 2 真空干燥法 1 、国外输气管道真空干燥技术概况 国外天然气长输管道于燥技术起步很早，发展也较为迅速，干燥方法 多样。目前，国外天然气长输管道常用的干燥方法有：干燥剂法、流动气 体蒸发法、真空法等。真空干燥法是利用真空泵抽吸密闭容器内的气体， 当压力降低到环境温度对应的饱和水蒸气压时，液态水会在常温下沸腾蒸 发，水蒸气被真空泵抽出，达到管内除水干燥的目的。国外真空干燥应用 举例： ( 1 ) 1 9 8 5 年，日本j g c 公司对阿尔及利亚的一条长1 9 7 英里，管 径4 8 英寸的输气管道进行了真空干燥，干燥效果很好； ( 2 ) 1 9 8 8 年，日本j g c 公司对阿尔及利亚的一条长2 2 0 k m ，管径 1 0 6 7 m m 的输气管道分三段进行了真空干燥，达到了预期的干燥效果； ( 3 ) 从苏格兰至北爱尔兰的一条输气管道全长1 3 3 k m ，管径6 2 0 m m ， 全线采用真空干燥，干燥不彻底，效果不