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。本论文以理论推导和数值计算为基础,对当前天然气管线氮气置换过程中直接运用氮气推动空气进行置换的方法进行了研究。介绍了当前天然气管线氮气置换的方法,利用扩散基本理论描述了氮气置换过程中混气段的发展,运用对流扩散方程推导出管线终点混气浓度、混气量和混气长度的理论计算公式。建立了天然气管线氮气置换数学模型,进行了三维稳态和非稳态数值计算。研究了置换过程中氮气摩尔浓度、速度以及压力等参数的变化规律;稳态数值计算讨论了管径、速度以及管线长度等主要因素对混气长度的影响,分别得到了混气长度与管径、速度以及管线长度的拟合关系式;非稳态数值计算研究了氮气置换过程中随着时间的延长,长径比和速度对混气长度的影响,结果与理论推导和稳态数值计算结果一致。将理论推导、数值计算和现场数据进行了对比,验证了理论结果的正确性,达到了优化输气管线氮气置换过程氮气的注入量,减少不必要的氮气损耗,降低生产成本和投资,同时为生产运行的方案制定提供理论依据的目的。