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。