新建天然气管线置换过程动态模拟分析

【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。 【关键词】：天然气管线 置换 模拟 混气 Fluent
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TE832
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.3 主要研究内容12-13
• 1.4 研究的技术路线13
• 1.5 研究的创新点13-14
• 第2章 天然气管线置换方法简介14-20
• 2.1 置换方法14-18
• 2.1.1 无清管器无氮气的置换方法14
• 2.1.2 有清管器无氮气的置换方法14-15
• 2.1.3 有清管器有氮气的置换方法15-16
• 2.1.4 无清管器有氮气的置换方法16-18
• 2.2 置换方法的对比分析与结论18
• 2.3 置换顺序18-20
• 第3章 混气段理论20-49
• 3.1 管线中气体的物理性质—传递现象20
• 3.2 扩散基本理论20-47
• 3.2.1 分子扩散20-30
• 3.2.2 对流传质30-47
• 3.3 基本方程组47-49
• 3.3.1 连续性方程47-48
• 3.3.2 动量方程48
• 3.3.3 组分质量守恒方程48-49
• 第4章 天然气管线置换模型的建立与求解49-64
• 4.1 层流状态置换模型与求解49-58
• 4.1.1 数学模型49-51
• 4.1.2 模型数值解法概述51-53
• 4.1.3 特征线法53-54
• 4.1.4 差分分析法54-55
• 4.1.5 边界条件处理55-58
• 4.2 紊流状态置换模型与求解58-64
• 4.2.1 基本假设58
• 4.2.2 数学模型58-61
• 4.2.3 数值解法61-62
• 4.2.4 边界条件处理62-64
• 第5章 数值模拟结果及分析64-86
• 5.1 管线工况64
• 5.2 计算结果64-66
• 5.2.1 计算参数的设定64-65
• 5.2.2 计算结果65-66
• 5.3 N_2摩尔浓度分布66-69
• 5.3.1 N_2轴向浓度分布66-68
• 5.3.2 N_2径向浓度分布68-69
• 5.4 管线内气体流速变化规律69-70
• 5.4.1 不同时刻管线内N_2流速沿径向变化规律69
• 5.4.2 不同时刻管线内N_2流速沿轴向变化规律69-70
• 5.5 Fluent软件模拟与验证70-79
• 5.5.1 Fluent软件简介70-72
• 5.5.2 网格划分72-74
• 5.5.3 模型确定74-77
• 5.5.4 模拟结果与对比77-79
• 5.6 混气长度平均增长速率79
• 5.7 混气长度影响因素及规律分析79-86
• 5.7.1 混气长度影响因素一—背压79-80
• 5.7.2 混气长度影响因素二—流态80-84
• 5.7.3 混气长度影响因素三—流速84
• 5.7.4 混气长度影响因素四—管径84-85
• 5.7.5 混气长度影响因素五—管长85
• 5.7.6 混气长度的影响因素对生产的指导意义85-86
• 第6章 置换工艺参数的确定86-94
• 6.1 N_2置换工艺参数的确定86-89
• 6.1.1 注氮温度86-87
• 6.1.2 注氮压力87
• 6.1.3 注氮点87
• 6.1.4 N_2置换速度及注氮速度87-88
• 6.1.5 注氮量88-89
• 6.1.6 注氮时间89
• 6.2 天然气置换工艺参数的确定89-90
• 6.2.1 天然气置换推进速度89-90
• 6.2.2 天然气置换所需流量90
• 6.2.3 天然气置换时间90
• 6.3 置换的检测90-92
• 6.3.1 注氮设备要求90-91
• 6.3.2 N_2置换和天然气置换检测91
• 6.3.3 检测点的确定91
• 6.3.4 检测时间的确定91-92
• 6.4 置换的安全要求92-94
• 6.4.1 置换的安全条件92
• 6.4.2 置换的安全措施92
• 6.4.3 置换注意事项92-94
• 第7章 结论与建议94-96
• 7.1 结论94-95
• 7.2 建议95-96
• 致谢96-97
• 参考文献97-100
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果100

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