中俄东线大口径输气管道的投产气体运移规律及注氮量优化

叶 恒 李光越 刘 钊 张博越 刘家乐

1.中国石油天然气股份有限公司北京油气调控中心 2.中国地质大学（北京） 3.中石油管道有限责任公司

0 引言

在管道投产实践中，合理的注氮量是保证生产安全的关键。崔茂林等[1]根据自身多年参与管道投产经验，提出中、大口径天然气管道投产中注氮量的经验公式，为管道管容的6.00%～12.00%。付春丽[2]、付先惠等[3]各自研究了管道投产过程中氮气混气段的运移规律，发现混气段长度与管道长度、管径大小成正比。蒲丽珠等[4]统计了多条长输天然气管道投产工程数据，一般现场注氮量为管道管容的7.00%～20.00%。陈传胜等[5]根据川气东送天然气管道的投产经验，推导出适合大口径、高压力管线投产的注氮量，同时提出在天然气置换前管道内氮气封存管容比应大于12.00%。在已进行的各条管道投产实践中，往往为了保证安全而注入过多氮气，导致了大量的氮气浪费，造成了不必要的经济损失[6]。

中俄东线天然气管道是我国首条采用外径1 422 mm大管径、12 MPa压力、X80高钢级的长输天然气管道，也是单管输量最大的跨境长输天然气管道。管道起自俄罗斯东西伯利亚，由布拉戈维申斯克进入我国黑龙江省黑河，终点至上海市。其中，我国境内段新建管道3 371 km，利用已建管道1 740 km，输气量将逐步提升至每年380h108m3。中俄东线北段已于2019年12月2日成功投产通气，其中包含715 km的干线管道（外径1 422 mm）以及 109 km长岭—长春支线管道（外径1 016 mm）[7-8]。为了保证安全投产同时避免氮气的浪费，开展对输气管道投产过程中气体运移规律以及注氮量的优化研究，具有重要的意义。

为此，采用计算流体力学（CFD）数值模拟的方法，用中俄东线现场投产实际数据验证了该方法模型的可靠性，在此基础上研究了外径1 422 mm大口径管道投产过程中各气体的运移规律及其影响因素，提出了不同条件下的理论最优注氮管容比。

1 数值模型建立与边界条件

1.1 数值模型的建立

采用CFD方法，模拟天然气置换（以下简称置换）过程，其二维几何模型如图1所示。管道长L2=1 000 m，其中氮气封存长度为L1，外径为1 422 mm，壁厚为28 mm。天然气从左侧进入，推着预先封存的氮气隔离段向右侧出口流动。当右侧出口检测到纯天然气时（甲烷体积分数大于80%），认为天然气置换结束。由于该模拟尺寸较大，为保证计算收敛准确的同时控制计算时间，整体采用四边形结构化网格，在纵向上采用渐变性网格，越靠近管壁处网格越密，管道中心区域相对稀疏，共划分14h20 000个网格单元。由于本文研究的是外径1 422 mm超大管径，氮气和天然气的相对分子质量相差较大，在建模加入了重力的影响因素。此外，中俄东线北段管道处于东北地区，沿途平坦，地形起伏低于200 m。因此本文考虑的重力为水平敷设管道垂直方向所受到的引力。

图1 天然气置换过程的模拟二维几何模型示意图

天然气置换过程涉及流动、扩散传质等多个过程，其中流动包括单一和混合气体的流动，扩散传质过程为气体间的扩散和流动。每一个物理过程都可以用一个或一组控制方程来表示。气体流动过程可由动量方程和连续性方程来表示，扩散传质过程可由组分输运方程来描述。

1）连续方程：

式中v表示气体的速度矢量，m/s；ρ表示密度，kg/m3；t表示时间，s；div表示散度算法。

2）动量方程：

在坐标系中i方向上的动量守恒方程为（j方向同理）：

式中i、j为代表坐标系中方向的单位向量；ui、uj表示流体在i、j方向的速度分量，m/s；p表示流体压力，Pa；xi、xj表示i、j方向上的坐标，m ；τij表示黏性应力，Pa；μ表示动力黏度，Pa·s；Fi表示i方向的单位质量力，m/s2；δij表示克罗内克符号，当i=j时，δij=1，否则，δij＝0；λ表示流体的第二黏度系数，一般取－2/3。

3）组分方程：

式中φi表示i组分的体积分数；Di表示i组分的扩散系数，m2/s；Ri表示单位时间、体积下产生i组分的质量，kg/(m3·s)；grad表示梯度算法。

1.2 边界条件

模型初始条件：将氮气以一定比例封存在管段的前端，封存压力为0.02 MPa。天然气置换过程中，天然气从左侧进入管道置换氮气。将管线的出口设置成压力出口与大气连通，将天然气进入管线的进口设置成速度入口。选择基于压力的分离式求解器，压力速度耦合选择SIMPLE算法求解，动量方程、能量方程均采用二阶迎风离散格式，针对气体间存在相互扩散融合现象，采用Fluent软件中组分输运模型进行求解[9-11]，湍流模型选用k-ε模型，松弛因子介于0.3～0.5，步长为10－3s，最大迭代步数为100。

2 数值模拟研究

2.1 模型的可靠性验证

考虑到利用CFD方法模拟实际管道长度（715 km）的庞大计算量问题，对长度为1 000 m、外径为1 422 mm的管道进行了模拟，同时为了验证1 000 m的数值模型的可靠性，利用中俄东线现场实际数据进行验证。

理论最优注氮管容比（本文的管容比均为物理管容比）定义为天然气置换过程中，置换至管道末端时纯氮气段刚好衰减为零的极限情况。数值上等于初始注氮管容比减去置换至末端时残余纯氮气管容比。

中俄东线北段现场投产实践中，初始注氮管容比为8.00%，封存压力为0.02 MPa。实际置换速度的平均值为7 m/s，现场投产实践中，采用调整投产调节阀开度的方法控制置换速度，尽量保持速度恒定。当检测到氮气体积分数低于95.00%时认为纯氮气段消失，天然气—氮气混气到达，现场数据分析得到理论最优注氮管容比为3.50%。

采用上述1 000 m的数值模型进行模拟，初始注氮管容比设置为8.00%，天然气置换速度设置为7 m/s。当氮气体积分数低于95.00%时认为纯氮气段消失，得到了不同置换距离时（纯氮气头前端的位置），管道内纯氮气段管存比的变化趋势（图2）。如图2所示，置换至管道末端时残余纯氮气段管容比为4.02%。根据定义，理论最优注氮管容比为3.98%，相比于同工况下中俄东线现场数据3.50%，绝对误差为0.48%，说明模型相对合理。

根据《天然气管道运行规范：SY/T 5922ü2012》[12]，为保证天然气置换过程中的安全，置换过程中氮气隔离段的氮气体积分数应大于98.00%，大于该值则认为是纯氮气段。若管道内不存在氮气体积分数大于98.00%的氮气段，则认为天然气已经突破。由于该标准比中俄东线北段现场实践中氮气体积分数大于95.00%的标准更加严格，因此考虑安全因素，下面的数值模拟研究将按照98.00%的标准进行。

图2 外径1 422 mm管道置换过程纯氮气段管容比变化趋势模拟结果图

2.2 重力对置换过程氮气分布规律的影响

为研究重力的影响，模拟在氮气封存段管容比为8.00%、置换速度为5 m/s条件下，4种常见的管径（外径711 mm、外径1 016 mm、外径1 219 mm、外径1 422 mm）的置换过程，模拟结果如图3所示，分别表示置换至管道模型前段（0～120 m）、中段（350～600 m）和末段（750～1 000 m）对应的置换前期（20 s）、置换中期（100 s）、置换后期（180 s）时管道内氮气浓度分布对比云图。

如图3所示，对于外径711 mm、外径1 016 mm管道，重力的影响较小，置换过程中，天然气总体表现出沿管道中心线“锥形”突进的现象。对于外径1 219 mm、外径1 422 mm管道，重力影响较大，天然气置换过程中，天然气沿着管段的顶部突进，而在管段的底部发生“延后”现象。基于此特点，对于中俄东线外径1 422 mm的管道，重力的影响不可忽略。因此，后续模拟均考虑重力的影响。

2.3 不同氮气封存量对置换过程氮气分布规律的影响

模拟外径1 422 mm管道不同氮气封存量的情况，采用单因素变量法，设计了初始注氮管容比（L1）分别为6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%的5种工况进行模型。参考《天然气管道运行规范：SY/T 5922ü2012》[12]，天然气置换速度不宜超过5 m/s，将各工况天然气置换速度均设置为5 m/s。

图3 不同管径管道置换过程氮气浓度分布对比云图

图4 不同注氮量条件下置换过程不同时间、不同位置的氮气浓度分布对比云图

图5 不同注氮量条件下置换过程纯氮气段管容比变化趋势图

2.3.1 不同工况下置换过程中氮气分布规律分析

对上述5种工况的模拟结果，选取天然气置换至管道模型前段（0～120 m）、中段（350～600 m）和末段（750～1 000 m）对应的置换前期（20 s）、置换中期（100 s）、置换后期（180 s）时管道内氮气浓度分布对比云图（图4）。

如图4所示，在置换前期（20 s），各工况均存在100.00%氮气段；在置换中期（100 s），初始注氮管容比6.00%工况下氮气最大体积分数开始下降至99.60%，其余各工况均存在100.00%氮气段；在置换后期（180 s），初始注氮管容比6.00%、7.00%工况下氮气最大体积分数分别降至91.60%和96.40%，低于98.00%的标准，说明天然气已经突破。其余各工况均存在100.00%氮气段。

2.3.2 不同工况下置换过程中纯氮气段变化趋势研究

不同注氮量条件下随着置换的进行纯氮气段管容比的变化趋势如图5所示。

如图5所示，各工况下曲线趋势几乎一致，随着置换时间的增加，纯氮气段管容比随之递减，整体递减速率先增大后减小。对于各工况，初始注氮管容比为6.00%、7.00%工况下纯氮气段分别在置换140 s、160 s时耗尽，而初始注氮管容比为8.00%、9.00%、10.00%的工况下在置换结束（188 s）后仍保有纯氮气段，分别为0.40%、2.10%、3.50%。因此，在5 m/s的置换速度下，对应理论最优注氮管容比为7.60%，约等于8.00%。低于该值的初始注氮管容比是不安全的，会导致天然气与空气的接触，造成极大的安全隐患[13-15]。

2.4 不同置换速度对置换过程氮气分布规律的影响

天然气在进入管道后流速会发生变化。当管道出口压力恒定（大气压）时，管道入口某一恒定的置换速度对应一种固定的流速动态分布，因此，可用置换速度来代表某种流速动态分布的情况。此外，若已知置换速度可求出对应的流量，从而指导现场进行调节阀的设置，工程上也具有实际意义。综合考虑，根据单因素变量法，设置初始注氮管容比为8.00%，针对不同的天然气置换速度（3 m/s、5 m/s、7 m/s、9 m/s）进行模拟研究，其他条件不变。

2.4.1 不同工况下置换过程中氮气分布规律分析

图6为不同工况置换100 s时氮气浓度分布对比云图。如前所述，由于重力的影响，天然气沿着管段的上部突进，而管段底部发生“延后”现象。随着置换速度的增加，这种不均匀分布的现象越来越弱，逐步呈现出“锥形”突进的现象。该规律也是外径1 422 mm管道投产置换时的重要特点。

图6 置换100 s后氮气浓度分布对比云图

2.4.2 不同工况下置换过程纯氮气段变化趋势研究

各工况置换速度不同导致各工况置换完成的时间不同，当纯氮气段前缘被置换至对应距离时，不同工况下纯氮气段管存比的趋势变化规律如图7所示。

由图7可以看出，当置换速度为3 m/s时，纯氮气段在置换至600 m时消失，天然气与空气接触，应避免该工况。置换速度越快，置换至相同距离时管道内纯氮气段管容比越大，单调递增。为找出是否存在拐点，增加了天然气置换速度为15 m/s和30 m/s的两种工况，模拟结果表明，单调递增的趋势不变，但这两种工况纯氮气段管容比变化趋势已趋于重合。

由于更大的流速是不经济的，因此可以得到结论：投产时，对于外径1 422 mm管道，在经济流速范围内，置换相同距离时，纯氮气段管容比随着天然气置换速度的增加而增加，且增加速度越来越慢，最后几乎趋于一个极大值。为保证天然气投产置换过程的安全，防止氮气的浪费，应在合理范围内尽量增加天然气置换速度；对于单一工况（单一置换速度），随着置换的进行，纯氮气段管容比不断下降，但下降速度越来越慢；置换速度为5 m/s、7 m/s、9 m/s、15 m/s、30 m/s的工况下，置换结束仍残留有纯氮气段，对应的理论最优注氮量为管容的7.60%、5.00%、4.50%、4.00%、4.00%。

图7 不同工况下纯氮气段管容比变化趋势图

2.4.3 不同工况下置换过程混气段变化趋势研究

混气段分为天然气—氮气混气段和氮气—空气混气段，分别发生在天然气和氮气、氮气和空气的交界处。

由置换前端往后推算，各个气体段的判断标准如下：当氧气体积分数低于18.00%，则认为氮气—空气混气段已到达；当氮气体积分数大于98.00%，则认为纯氮气段已到达；当氮气含量低于98.00%时，认为天然气—氮气混气段已到达；当甲烷体积分数大于80.00%则认为纯天然气段已到达。

针对上述天然气未突破的工况，对外径1 422 mm管道天然气置换过程中的天然气—氮气混气段以及氮气—空气混气段的变化趋势进行分析，结果如图8、9所示。结果表明，当置换相同距离时，天然气—氮气混气段管容比随着天然气置换速度增加，均呈现出递减的趋势，且递减速度越来越慢，最后几乎趋于一个极小值；而氮气—空气混气段管容比与天然气置换速度的关系不明显，各工况条件下接近；对于单一工况，随着置换的进行，天然气—氮气混气段以及氮气—空气混气段的管容比不断上升，上升速度表现为先增加后减少的趋势。

图8 不同工况下天然气ü氮气混气段管容比变化趋势图

图9 不同工况下氮气ü空气混气段管容比变化趋势图

2.5 机理分析

上述现象的机理分析如下。

1）随着置换速度的增加，一方面，分子扩散与对流扩散作用增强，导致天然气—氮气混气段管容比增多；另一方面，重力引发顶端突进而造成天然气非活塞式前进的现象减弱，导致天然气—氮气混气段管容比减少。由于重力影响是外径1 422 mm管道的投产时影响气体运移规律的重要特征。重力的影响更大，总体表现出随着置换速度的增加，天然气—氮气混气段管容比随之减小。

2）由于氮气和空气重力相近（分子质量分别为28、29），两者界面处几乎没有重力影响，且氮气—空气混气段靠近大气压力一侧，不同置换速度对其影响较小。因此，不同工况下比例接近，变化不明显。

3）纯氮气段管容比的衰减主要是由于两个混气段的增加。置换速度增加，天然气—氮气混气段管容比减少，氮气—空气混气段管容比几乎不变。因此，表现出纯氮气段管容比随置换速度增加而增加的趋势。

3 现场投产数据分析研究

中俄东线北段于2019年底进行了干线715 km的天然气置换工作，通过投产调节阀保持7 m/s的置换速度，总置换时间为35 h。天然气置换前进行了氮气封存，注氮管容比为8.00%，封存压力为0.02 MPa。置换过程中，根据投产方案，在各阀室和站场进行纯氮气段以及混气段的检测，而纯天然气的检测只在5个站场进行。当置换终点黑河压气站检测到纯天然气（甲烷体积分数高于80.00%）时，天然气置换工作完毕。需要说明，本次投产实践中，当检测到氮气体积分数低于95.00%时认为纯氮气段消失，天然气—氮气混气段到达。与《天然气管道运行规范：SY/T 5922ü2012》[12]要求的98.00%标准略有出入。

通过现场实测气头数据分析，得到结论如下。

1）天然气—氮气混气段变化规律（图10）：随着置换时间的增加，天然气—氮气混气段管容比逐步增加，最终稳定在0.60%左右。从仅有的5个点的数据分析，随着天然气置换的进行，天然气—氮气混气段管容比逐渐增加，但增加速度变慢最终趋于定值的规律，与模拟趋势一致。

图10 天然气ü氮气混气段管容比变化趋势图

2）纯氮气段变化规律（图11）：开始置换后，由于氮气段前端与大气接触，所以压力降低，气体膨胀；同时，氮气封存时管道内氮气浓度大于99.00%，而现场气头检测时认为天然气—氮气混气头到达的标准为氮气体积分数低于95.00%，相当于把一部分天然气—氮气混气段认为是纯氮气段，从而导致纯氮气段管容比增大。综合导致开始置换后，检测到的纯氮气段管容比大于氮气封存时的管容比。因此，忽略初始注氮管容比8.00%，以置换2 h（在第一个检测点检测到天然气/氮气混气头）对应的纯氮气段管容比12.00%作为初始值。随着置换时间的增加，纯氮气段的管容比下降，前期下降较快，11 h降至9.70%，后期相对平缓，在接下来的18 h仅下降1.30%，最终放空时，仍残存有8.50%的纯氮气。与模拟趋势一致。

图11 纯氮气段管容比变化趋势图

3）氮气—空气混气段变化规律（图12）：现场测试氧气体积分数，低于18.00%认为氮气—空气混气段已达到。测试时由于仪表精度等问题，存在较大误差，反映出曲线不停振荡，初始管容比为2.10%，5 h内降至1.00%以内，随后在1.00%以内振荡，无较好的规律。但考虑到后期天然气—氮气混气段以及纯氮气段相对稳定，可以判断，氮气—空气混气段后期也应较为稳定。

图12 氮气ü空气混气段管容比变化趋势图

4）理论最优注氮管容比：根据定义，中俄东线投产实践在7 m/s的条件下，对应理论最优注氮管容比为3.50%。

4 结论

1）中俄东线（外径1 422 mm）投产置换过程中，大管径对应的重力因素不可忽略。在重力的影响下，天然气置换时，天然气沿着管段的顶部突进，而在管段的底部发生“延后”，造成天然气非活塞式前进现象。作为对比，外径711 mm、外径1 016 mm等相对较小管径置换时，整体则表出现天然气沿管道中心线“锥形”突进现象。

2）对于中俄东线（外径1 422 mm），置换速度是影响气体运移规律的主要因素，在3～30 m/s的置换速度范围内，随着置换速度的增加，置换至相同距离时，氮气—空气混气段管容比几乎不变，天然气—氮气混气段管容比下降，总体表现出纯氮气段管容比增加的趋势，且增加速率越来越慢。实际投产时为降低氮气的损失，应适当提高天然气的置换速度。

3）对于中俄东线（外径1 422 mm）， 氮气封存压力0.02 MPa条件下，置换速度分别为5 m/s、7 m/s、9 m/s、15 m/s、30 m/s对应的理论最优注氮管容比分别为7.60%、5.00%、4.50%、4.00%、4.00%。