新建天然气管线置换过程动态模拟分析

论文摘要

随着我国输气管线建设高峰期的到来,如何利用和完善天然气长输管线置换投产技术,保证输气管线顺利投产已成为人们日益关注的问题。天然气在进入管线前,为保证安全运行,需要对管线中的空气进行置换。天然气管线置换有四种置换方法：无清管器无氮气的方法(天然气—空气)；有清管器无氮气的方法(天然气—清管器—空气)；无清管器有氮气的方法(天然气—氮气—空气,即“气推气”)；有清管器有氮气的方法(天然气—清管器—氮气—清管器—空气)。综合分析这四种方法的流程、特点及安全性,可以得到,无清管器有氮气的置换方法速度易控制,置换阻力小,外界条件对置换效果影响小且可控,加之置换成本低,操作简单,所以成为天然气管线置换方法的最佳选择。基于混气段的分子扩散和对流传质理论,建立了可描述天然气管线置换过程混气规律的数学模型。对于层流状态,由组分连续性方程及费克扩散定律得到置换的数学模型,并利用两步法即特征线法和差分法求解该模型。对于紊流状态,分为层流底层、缓冲层和紊流核心区并分别建立置换的数学模型,且运用隐式差分法进行求解。以平昌—普光段输气干线为例,运用建立的数学模型,采用Visual Basic编制天然气管线氮气置换仿真应用软件,模拟得到的结果如下：(1)采用置换模型计算得出天然气管线置换过程的混气长度和混气量；(2)分析得出氮气沿轴向和径向的摩尔浓度分布,以及管线内气体流速变化规律；并采用Fluent软件对天然气管线氮气置换过程进行模拟,验证了模型的正确性；(3)分析混气长度的五个影响因素：背压、流态、流速、管径和管长。混气长度随流速、管径、背压和管长的增加而增加；尽量避免背压的存在,置换时放空以减少背压；置换处于紊流状态,控制好流速以保证过程的安全进行；(4)确定了天然气管线氮气置换工艺参数的计算方法及置换安全要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究的技术路线
• 1.5 研究的创新点
• 第2章 天然气管线置换方法简介
• 2.1 置换方法
• 2.1.1 无清管器无氮气的置换方法
• 2.1.2 有清管器无氮气的置换方法
• 2.1.3 有清管器有氮气的置换方法
• 2.1.4 无清管器有氮气的置换方法
• 2.2 置换方法的对比分析与结论
• 2.3 置换顺序
• 第3章 混气段理论
• 3.1 管线中气体的物理性质—传递现象
• 3.2 扩散基本理论
• 3.2.1 分子扩散
• 3.2.2 对流传质
• 3.3 基本方程组
• 3.3.1 连续性方程
• 3.3.2 动量方程
• 3.3.3 组分质量守恒方程
• 第4章 天然气管线置换模型的建立与求解
• 4.1 层流状态置换模型与求解
• 4.1.1 数学模型
• 4.1.2 模型数值解法概述
• 4.1.3 特征线法
• 4.1.4 差分分析法
• 4.1.5 边界条件处理
• 4.2 紊流状态置换模型与求解
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 数值解法
• 4.2.4 边界条件处理
• 第5章 数值模拟结果及分析
• 5.1 管线工况
• 5.2 计算结果
• 5.2.1 计算参数的设定
• 5.2.2 计算结果
• 2摩尔浓度分布'>5.3 N₂摩尔浓度分布
• 2轴向浓度分布'>5.3.1 N₂轴向浓度分布
• 2径向浓度分布'>5.3.2 N₂径向浓度分布
• 5.4 管线内气体流速变化规律
• 2流速沿径向变化规律'>5.4.1 不同时刻管线内N₂流速沿径向变化规律
• 2流速沿轴向变化规律'>5.4.2 不同时刻管线内N₂流速沿轴向变化规律
• 5.5 Fluent软件模拟与验证
• 5.5.1 Fluent软件简介
• 5.5.2 网格划分
• 5.5.3 模型确定
• 5.5.4 模拟结果与对比
• 5.6 混气长度平均增长速率
• 5.7 混气长度影响因素及规律分析
• 5.7.1 混气长度影响因素一—背压
• 5.7.2 混气长度影响因素二—流态
• 5.7.3 混气长度影响因素三—流速
• 5.7.4 混气长度影响因素四—管径
• 5.7.5 混气长度影响因素五—管长
• 5.7.6 混气长度的影响因素对生产的指导意义
• 第6章 置换工艺参数的确定
• 2置换工艺参数的确定'>6.1 N₂置换工艺参数的确定
• 6.1.1 注氮温度
• 6.1.2 注氮压力
• 6.1.3 注氮点
• 2置换速度及注氮速度'>6.1.4 N₂置换速度及注氮速度
• 6.1.5 注氮量
• 6.1.6 注氮时间
• 6.2 天然气置换工艺参数的确定
• 6.2.1 天然气置换推进速度
• 6.2.2 天然气置换所需流量
• 6.2.3 天然气置换时间
• 6.3 置换的检测
• 6.3.1 注氮设备要求
• 2置换和天然气置换检测'>6.3.2 N₂置换和天然气置换检测
• 6.3.3 检测点的确定
• 6.3.4 检测时间的确定
• 6.4 置换的安全要求
• 6.4.1 置换的安全条件
• 6.4.2 置换的安全措施
• 6.4.3 置换注意事项
• 第7章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果