输气管道气体置换的中间注氮方法
天燃气管道氮气置换
近年来，管道运输建设在我国的发展非常迅速，在此发展过程中长输管道的安全投产置换问题至关重要。据研究，燃气管道氮气置换氧含量，为保证管道置换过程的操作安全，通常选择氮气把输气站及管道内的空气置换出去，管道氮气置换方案，因为空气中的含量很容易达到一定极限发生[1，2]。投产置换的关键是怎样有效、科学、安全和经济的把空气从管道中置换出去。当前国内外对混气段规律的研究较少，有关行业对其也没有明确的规范要求，置换投产的操作过程都多凭经验，在这个过程当中存在很大的盲目性，造成了人力、物力及成本的浪费。在本文中模拟了管道投产置换过程，模拟出了混合气体在氮气置换过程中的影响规律，该模拟结果可以更好的运用于实践，为安全生产带来巨大效益。1数值计算1.1计算模型长输管道投产氮气置换过程涉及到氮气的流动、氮气与空气的混合以及氮气推动空气流动，也就是氮气在空气中的对流扩散过程。多相流模型中的混合物要求两相中只能有一相是可压缩的，且不能模拟多相之间的混合流动和反应流动，管道 氮气置换，所以混合模型不合适。通过对各类物质的对流、扩散和反应源的守恒方程的求解，可用FLUENT来模拟物质的混合和运输[3，4]，因此采用化学反应模型中“组分运输模型”(即在不发生化学反应的情况下计算组分之间的相互参混过程)作为长输管道投产氮气置换的计算模型。1.2网格划分长距离管道氮气置换过程中，重力对混合气的影响较小，重力对轴向截面水平方向的影响可以忽略不计，所以本文中FLUENT的模拟过程是二维模拟，计算区域用GAMBIT软件进行网格划分。二维网格的划分可以使用三角形网格(Tri)和四边形网格(Quad)，由于在两种网格的步长几乎相同的条件下，两种网格在解的度、
1试验方法与过程1.1样品选取与处理实验煤样采集于安鹤矿区鹤壁六矿二1煤层，将采集的原煤*碎、研磨和筛分。粒径60~80目的样品用于高压氮气置换和低温液氮吸附实验，粒径80目以上样品用于工业分析实验。工业分析实验按照**标准GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》进行，工业分析结果见表1。从表1可知，鹤壁六矿二1煤层煤样灰分质量分数和挥发分产率分别为11.34%和16.68%，属于低灰分贫煤—瘦煤。表1工业分析结果Table 1 Results of proximate analysis煤层水分Mad/%灰分Ad/%挥发分Vdaf/%固定碳FCad/%二1 0.79 11.34 16.68 73.291.2低温液氮吸附实验为探究高压氮气吸附过程对煤中孔隙发育规模和结构的影响，在高压氮气置换实验前、后分别对煤样进行了低温液氮吸附实验，2种煤样的编号分别为HBQ和HBH。测试仪器为ASAP2020比表面积测定仪，分别利用BET、T模型，计算分析1.14~300 nm孔径段孔容和比表面积的发育规模及其孔径分布情况。实验温度为高压氮气置换实验高压氮气置换实验采用ISO-300等温吸附解吸仪。实验前首先使用精密天平准确称量和记录60~80目的煤样，按照要求装入样品缸，接着进行仪器的气密性检查和自由体积测定，然后按照实验方案进行高压氮气置换实验，实验温度为25℃。实验过程分为3个阶段:吸附阶段、高压注入氮气阶段和解吸阶段。吸附阶段设有6个目标压力点，注入氮气阶段设有2个目标压力点(8 MPa和10 MPa);解吸阶段设8个目标压力点。每个压力点平衡时间不少于12 h。2试验原理与分析结果2.1等温吸附实验图1为整个实验过程的吸附–解吸曲线，其包括了吸附、注入氮气置换、混合气体解吸三个阶段。基于不同压力下CH4的吸附量和Langmuir方程计算得出煤样的Langmuir体积为
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1.2.1 工作原理
若碰口作业段管道两端的线路截断阀均存在内漏
现象，采用传统氮气置换方法，在置换过程中内漏的天
燃气和氮气发生混合，无法确保氮气置换彻底，动火作
业安全风险极大。通过对中间注氮的可行性分析，陕
西省股份有限公司研制了一种用于管道
置换的不动火开孔注氮装置[6]。
该装置在管道下周设置两个可拆卸的、与管道管
径相匹配的 U 形卡，U 形卡上部的直杆端固定有平台
形的支架，支架与管道间设置密封弧块，支架和密封弧
块上均开设有上大下小的同心台阶孔；支架边缘设置
凸出部分并固定有防爆台钻，防爆台钻上设置的进口
开孔钻中心与支架和密封弧块上的同心台阶孔中心重
合，在管内压力低于 500 Pa 时，2 min 内实现不动火开
孔，管道氮气置换，开孔完成后，安装一螺纹阀门，与注氮软管 5 min
内实现注氮连接，由管道中间分别向两端进行氮气置
换，确保了动火碰口点不带，管内形成较长段的
氮气气封与内漏的隔离。
天燃气管道氮气置换
近年来，管道运输建设在我国的发展非常迅速，在此发展过程中长输管道的安全投产置换问题至关重要。据研究，燃气管道氮气置换氧含量，为保证管道置换过程的操作安全，通常选择氮气把输气站及管道内的空气置换出去，管道氮气置换方案，因为空气中的含量很容易达到一定极限发生[1，2]。投产置换的关键是怎样有效、科学、安全和经济的把空气从管道中置换出去。当前国内外对混气段规律的研究较少，有关行业对其也没有明确的规范要求，置换投产的操作过程都多凭经验，在这个过程当中存在很大的盲目性，造成了人力、物力及成本的浪费。在本文中模拟了管道投产置换过程，模拟出了混合气体在氮气置换过程中的影响规律，该模拟结果可以更好的运用于实践，为安全生产带来巨大效益。1数值计算1.1计算模型长输管道投产氮气置换过程涉及到氮气的流动、氮气与空气的混合以及氮气推动空气流动，也就是氮气在空气中的对流扩散过程。多相流模型中的混合物要求两相中只能有一相是可压缩的，且不能模拟多相之间的混合流动和反应流动，管道 氮气置换，所以混合模型不合适。通过对各类物质的对流、扩散和反应源的守恒方程的求解，可用FLUENT来模拟物质的混合和运输[3，4]，因此采用化学反应模型中“组分运输模型”(即在不发生化学反应的情况下计算组分之间的相互参混过程)作为长输管道投产氮气置换的计算模型。1.2网格划分长距离管道氮气置换过程中，重力对混合气的影响较小，重力对轴向截面水平方向的影响可以忽略不计，所以本文中FLUENT的模拟过程是二维模拟，计算区域用GAMBIT软件进行网格划分。二维网格的划分可以使用三角形网格(Tri)和四边形网格(Quad)，由于在两种网格的步长几乎相同的条件下，两种网格在解的度、
1试验方法与过程1.1样品选取与处理实验煤样采集于安鹤矿区鹤壁六矿二1煤层，将采集的原煤*碎、研磨和筛分。粒径60~80目的样品用于高压氮气置换和低温液氮吸附实验，粒径80目以上样品用于工业分析实验。工业分析实验按照**标准GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》进行，工业分析结果见表1。从表1可知，鹤壁六矿二1煤层煤样灰分质量分数和挥发分产率分别为11.34%和16.68%，属于低灰分贫煤—瘦煤。表1工业分析结果Table 1 Results of proximate analysis煤层水分Mad/%灰分Ad/%挥发分Vdaf/%固定碳FCad/%二1 0.79 11.34 16.68 73.291.2低温液氮吸附实验为探究高压氮气吸附过程对煤中孔隙发育规模和结构的影响，在高压氮气置换实验前、后分别对煤样进行了低温液氮吸附实验，2种煤样的编号分别为HBQ和HBH。测试仪器为ASAP2020比表面积测定仪，分别利用BET、T模型，计算分析1.14~300 nm孔径段孔容和比表面积的发育规模及其孔径分布情况。实验温度为高压氮气置换实验高压氮气置换实验采用ISO-300等温吸附解吸仪。实验前首先使用精密天平准确称量和记录60~80目的煤样，按照要求装入样品缸，接着进行仪器的气密性检查和自由体积测定，然后按照实验方案进行高压氮气置换实验，实验温度为25℃。实验过程分为3个阶段:吸附阶段、高压注入氮气阶段和解吸阶段。吸附阶段设有6个目标压力点，注入氮气阶段设有2个目标压力点(8 MPa和10 MPa);解吸阶段设8个目标压力点。每个压力点平衡时间不少于12 h。2试验原理与分析结果2.1等温吸附实验图1为整个实验过程的吸附–解吸曲线，其包括了吸附、注入氮气置换、混合气体解吸三个阶段。基于不同压力下CH4的吸附量和Langmuir方程计算得出煤样的Langmuir体积为
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