海管氮气置换混气规律研究

摘要

海底输气管道建设投资大、造价高，所以确保海管投产运行的安全十分重要。而目前国内采用的置换工艺技术仅凭经验进行，存在很大的盲目性。本文以理论分析和数值模拟为基础，并将模拟的结果与实验和现场投产实践进行对比，对海管氮气置换过程中“气推气”的置换方式进行了研究。 总结分析了对流扩散系数的三种求解方法：GRI、Taylor、Taylor-CW，讨论了对流扩散系数的影响因素：对于长距离输气管道(100km左右)，弯头对对流扩散系数的影响很小；对流扩散系数随着置换流速的增大而增大，随着管径的增大而增大；随着管内壁绝对当量粗糙度的增大，湍流扩散系数略有增大，管内壁粗糙度对湍流扩散系数的影响不大；置换过程应避免流动处于层流状态以减少混气长度。通过建立一维氮气置换模型，并用Excel2007对对流扩散方程进行求解，将求解结果与国外输气管道置换实测结果进行对比，确定了GRI和Taylor-CW计算方法的适用范围。 采用基于有限体积法(FVM)的FLUENT软件，依据CFD的基础理论和湍流模拟理论，合理地确定了海管氮气置换的数学模型、边界条件、对流-扩散项的离散格式和压力-速度耦合算法，并且根据湍流模型对网格划分的要求研究出了一套网格划分策略。 通过二维非稳态的数值模拟，研究了氮气置换过程中，氮气摩尔浓度分布、气体流速以及管线压力的变化规律；分析了影响混气长度的5个主要因素：背压、流态、流速、管径和管长。通过对模拟结果的分析处理，回归出惰化时间的计算公式；确定了注氮量的计算方法，并且通过非线性拟合确定了注氮量的计算公式。通过将数值计算结果与实验和海底输气管道现场投产实践的结果进行对比，验证了数值模拟结果的正确性。确定了海管氮气置换的两个主要工艺参数(氮气推进速度和注氮量)的计算公式。 通过对氮气置换过程的研究，为实现科学、经济、高效、安全的海管氮气置换提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3质量传递原理

1.3.1分子扩散

1.3.2对流传质

1.4 FLUENT软件简介

1.5本文主要研究内容

第二章一维氮气置换模型

2.1一维氮气置换模型的建立

2.2对流扩散系数的计算

2.2.1 Taylor层流扩散系数

2.2.2 Taylor湍流扩散系数

2.2.3 Traylor-CW湍流扩散系数

2.2.4 GRI湍流扩散系数

2.3对流扩散方程的求解

2.3.1对流扩散系数的对比

2.3.2用Excel求解对流扩散方程

2.4小结

第三章海管氮气置换的二维网格划分

3.1几何模型

3.2模拟空间的网格划分

3.2.1网格单元的选择

3.2.2湍流模型对网格划分的要求

3.2.3网格划分策略的确定

3.2.4网格生成

3.3小结

第四章海管氮气置换的数学模型

4.1数学模型的建立

4.1.1计算模型的确定

4.1.2基本控制方程的确定

4.1.3湍流模型的确定

4.1.4湍流近壁模型的确定

4.2离散格式与算法

4.2.1离散格式的确定

4.2.2求解器的确定

4.2.3压力-速度耦合算法的确定

4.3操作压力及物性参数的设定

4.3.1操作压力

4.3.2密度

4.3.3粘度

4.3.4质量扩散系数

4.4边界条件与初始条件

4.4.1边界条件

4.4.2初始条件

4.5时间步长的设定

4.6小结

第五章数值模拟结果及分析

5.1氮气的摩尔浓度分布规律

5.1.1氮气轴向浓度分布

5.1.2氮气径向浓度分布

5.2管线压力的分布规律

5.3管内气体流速分布规律

5.3.1管内气体流速沿径向的分布规律

5.3.2管内气体流速沿轴向的分布规律

5.4混气长度随置换长度的变化规律

5.4.1混气长度

5.4.2混气长度平均增长速度

5.5混气长度的影响因素

5.5.1背压对混气长度的影响

5.5.2流态对混气长度的影响

5.5.3流速对混气长度的影响

5.5.4管径对混气长度的影响

5.5.5管长对混气长度的影响

5.6惰化(置换)时间

5.7注氮量计算

5.7.1注氮量的计算方法

5.7.2不同置换速度下注氮量比较

5.7.3注氮量计算公式

5.8模拟结果验证

5.8.1流速、背压对混气长度影响的验证

5.8.2置换时间、注氮量计算式的验证

5.9海管氮气置换工艺参数的确定

5.9.1氮气推进速度的选取

5.9.2注氮量的确定

5.10小结

结　论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢