天然气管道掺氢输送研究现状与分析

天然气管道掺氢输送是实现大规模、远距离和低成本氢气运输的手段之一,但氢气掺入天然气管道给管线运行工况、安全维护等带来了不容忽视的影响,具有一定的安全隐患。为此,围绕国内外天然气管道掺氢输送的技术研究与工程应用现状,讨论了影响天然气管道掺氢安全输送的主要因素,即掺氢引起的天然气物性改变、氢致失效和掺混不均,以及掺氢管道泄漏扩散和燃爆的安全问题。结果表明,天然气掺氢后,对现有管材提出了新要求,需开展相关实验以揭示氢致失效机理,掺氢天然气管道停输后是否发生气体分层与管道是否发生氢致失效密切相关。掺氢天然气管道泄漏扩散及自燃的安全范围、发生燃爆所需的最小掺氢比及燃爆机理尚不明晰,实验研究与实际运营存在差距。针对天然气管道掺氢输送的规范、标准及相关监管政策仍处于发展阶段,需要结合系统的研究数据及实践进一步完善。以上结果明晰了掺氢输送存在的风险,可为大规模掺氢混输的工程推广与实际运营提供参考。

二氧化碳管道输送技术进展

简述了碳捕集与封存技术作为关键减排技术近年的发展,以及管道输送二氧化碳的优势。介绍了国内外二氧化碳管道输送技术的发展现状和二氧化碳输送管道相关标准。比较了二氧化碳的物性和不同输送相态的优缺点,阐释了CO_(2)输送管道断裂韧性控制、腐蚀及防护技术。研究表明:由于二氧化碳的物性,二氧化碳输送管道断裂韧性控制与天然气管道显著不同,需要重新建立二氧化碳输送管道的断裂扩展和止裂的预测模型;为防止二氧化碳输送管道腐蚀,需要控制二氧化碳输送管道中水和其他气体杂质的含量。

深水气田长距离混输模式下水相运动规律研究

陵水25-1深水气田混输管道距离长、管道爬坡段坡度大,初始投产阶段混输流体水相到达平台的时间长且预测困难,给管道安全运行带来风险。基于多相流计算模型,运用LedaFlow软件,对陵水25-1深水气田初始投产阶段的水相运动规律进行研究,并深入分析含水率、油量、气量、油水相间摩擦系数等因素对水相运行的影响。结果表明:初始投产阶段水相在爬坡段分离和积聚,形成长时间的停滞,管道坡度越大,水相波动越剧烈;含水率越高的物流,水相在爬坡段聚集时间越短;气量增大则会降低水相滞液程度,提高水相运行速度,有助于水相爬坡;油量变化对水相运行速度的影响较小,油水相间摩擦系数对爬坡段水相运动有直接影响,油水相间摩擦系数修正拟合,对实际管道运行有重要指导意义。研究结果可为深水气田开发研究提供借鉴。

声波法在输油管道上的可检测泄漏率分析

为了确保输油管道出现泄漏时能够及时检测到泄漏,对声波法在输油管道上的可检测泄漏率进行了分析。首先,建立了声波产生和传播衰减模型,根据模型分析了声波在管道内的衰减性,得到管道两端声波衰减幅值的计算方法;其次,采用基于互信息优化的自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,简称CEEMDAN)和互谱分析相结合的去噪算法对采集的信号进行去噪,并实验验证了衰减模型可准确估计声波的衰减幅值,去噪算法可以有效消除信号中的噪声;最后,分析了管道特性与声波法在输油管道上的可检测泄漏率之间的关系。研究表明,管道特性在一定程度上决定了声波法的可检测泄漏率,声波法在输油管道上的最小可检测泄漏率可达0.45%。

纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数预测

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用性,搭建了纯氢和掺氢天然气管输调压综合实验平台,开展纯氢和不同比例的掺氢天然气管输流动实验,根据实验采集的流量、温度、压力和管道的长度、管径等参数计算管道的摩阻系数,同时建立了摩阻系数与雷诺数、粗糙度之间的关系,并修正了传统摩阻系数公式,最后利用湖南省巴陵—长岭纯氢气管道的实际运行数据进行了验证。研究结果表明:①由于氢气与天然气物性差异较大,掺氢比会影响流动摩阻系数,相同条件下掺氢比越大摩阻系数越小;②传统摩阻系数计算公式存在30%左右的误差,创新提出的适用于纯氢和掺氢天然气的3段式摩阻系数经验公式,相对误差最大11.84%,能够有效降低误差;③与巴陵—长岭纯氢气管道实际的运行数据相比,修正后摩阻系数预测公式的平均误差为0.62%,该公式可以满足实际工程的误差要求。结论认为,得到的纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数修正公式可应用于纯氢与掺氢天然气管道工程设计,具有重要的工程应用价值和前景。

基于磁各向异性的管壁应力集中区域检测方法

针对应力集中导致管壁发生屈服失效的问题,提出了利用磁各向异性检测管壁应力集中区域的方法。从能量角度出发,研究了应力导致管壁产生磁各向异性的机理,建立了管壁当量应力与磁各向异性探头输出电压信号的数学模型,通过计算管壁的当量应力判断其是否发生屈服失效,搭建了应力检测实验平台。实验结果表明,应力会导致管壁产生磁各向异性,磁各向异性检测方法能够检测出管壁当量应力的变化趋势和主应力方向所在延长线的角度,进而判断管壁是否产生应力集中区域。

金龙2井区含蜡原油结蜡微观机理及预测模型

采用分子动力学方法研究了含蜡原油结蜡的微观机理,通过实例优选了结蜡预测模型,根据含水率对结蜡量的影响对预测模型进行修正,并提出考虑原有结蜡厚度对后续结蜡影响的计算流程。实验结果表明,初始蜡分子先在原油中分散,后在非晶细胞盒子中聚集形成蜡晶,随着温度升高径向分布函数峰值降低,蜡分子分布从紧密聚集向分散转变;修正后的结蜡预测模型计算误差仅为4%,随着含水率的增高结蜡厚度减小,随生产时间的延长结蜡厚度增加缓慢。修正后的结蜡预测模型能准确预测金龙2井区清蜡周期,可为现场清防蜡工艺提供理论指导。

壁面特性对凝析油析蜡聚集及黏壁过程影响的微观机理

利用分子动力学方法构建含蜡凝析油团簇在壁面上聚集黏附过程的模拟体系,揭示壁面材质及壁面粗糙特性等对其聚集黏附影响的微观机理。结果表明,含蜡凝析油在壁面上经历“团簇分解→分子脱离团簇向壁面扩散→油分子、蜡分子和沥青质分子在壁面上方聚集堆积→团簇在壁面上的铺展程度增加→在壁面上形成凝油层”的过程,团簇在不同材质壁面上均有不同程度的分解、扩散及在壁面附近聚集和黏附,团簇与玻璃钢壁面、718合金壁面、HP2-13Cr110合金壁面、BG140V合金壁面及普通钢管壁面间形成的接触角按顺序依次减小,在壁面上的铺展程度逐渐增强。尽管壁面形貌对团簇聚集与黏附的影响较小,但当进一步考虑粗糙特性时,团簇在壁面上的黏附程度与壁面表面积分数(壁面凸起部分宽度与整体壁面宽度的比值)及凹槽柱高度有关,表面积分数增大,接触角随之先增大后逐渐稳定,相应地,壁面对团簇的黏附性逐渐减弱;凹槽柱高度越大,团簇在壁面上的黏附程度越大,但模拟条件下在凹槽柱高度大于1.2 nm时会趋于稳定。

掺氢输送管道材料的适应性及评价方法

天然气管网掺氢输送可有效解决氢能利用过程中的输送问题,但这会给管道带来安全风险。本文详细评述了掺氢输送管道金属和非金属材料的种类、适应性影响因素及其评价方法,建议完善和利用现有金属和非金属材料宏观性能表征及微观机理分析方法,结合实际工况环境及材料关键性能指标,建立掺氢输送管道的适应性评价方法和评价限值要求,并完善实际掺氢试运行评价方法和评判标准。本文可为天然气管网掺氢输送工程提供重要参考。

天然气水合物试采多相输送的弯管段防护研究

天然气水合物浆液中混杂的泥砂颗粒在低流速管段容易产生堆积阻塞,在高流速管段经常发生冲蚀磨损,目前国内外针对以液体为连续相流动的气液固多相流冲蚀研究较少。为此,以欧拉(Euler)气泡流模型与离散相模型(DPM)耦合的多相流数学模型为理论基础,对多相流中气液相间分布及管壁冲蚀磨损进行了数值模拟,开展了冲蚀磨损试验并提出耐磨防护方案。研究结果表明:可以从减弱弯管段湍流剪切作用、颗粒对弯管内壁的直接碰撞及减少动能传递进行防护设计;15°楔形垫层对应的最大冲蚀速率减幅74.55%,在1.0~2.2 m/s的流速范围内防护效果更明显;陶瓷涂垫层防护对冲蚀-腐蚀交互作用有明显的抑制效果。研究结论可为管道输送工程防护措施的制定提供技术参考。

季节性冻土区轴向双腐蚀管道地震时程效应分析

针对冻土区埋地含双腐蚀管道的抗震性能问题,以含双腐蚀管道、保温层及季节性冻土区土壤为研究对象,提出将粘弹性边界条件施加在土体周围以保证模型的准确合理,分析了在差异性冻胀和地震波作用下,含不同腐蚀参数管道的力学特性。结果表明:随着腐蚀长度与腐蚀深度的增加,R_(1)点处轴向应变峰值发生改变,腐蚀长度的变化使R_(1)点峰值最大改变为从-0.0054增大到-0.00175,增加了0.00365,腐蚀深度的变化使R_(1)点峰值最大改变为从0.00214减小到-0.0054,减小了0.00754;与腐蚀长度相比,腐蚀深度对腐蚀区中心位置的von Mises等效应力与轴向应变的影响较大;在地震波作用过程中,双腐蚀之间依然存在相互作用,腐蚀间距的增加会减轻腐蚀之间的相互作用,R_(1)点处von Mises等效应力先于R_(2),R_(3)点超过参考应力形成破坏;不同地震波作用在腐蚀缺陷处所引起的破环形式不同;将von Mises等效应力超过参考应力作为管道安全评价标准是偏于安全的。该研究可为地震波作用下冻土区埋地含双腐蚀管道的安全评定提供一定理论参考。

基于GA的RBF神经网络气液两相流持液率预测模型优化

为了提高气液两相流持液率预测精度,针对传统径向基函数(RBF)神经网络预测气液两相流持液率网络拓扑结构困难和收敛速度慢等问题,提出一种基于遗传算法(GA)优化径向基函数神经网络的气液两相流持液率预测模型。通过系统聚类算法和灰色关联度分析(GRA)对收集的实验数据进行处理,优选出最优模型特征,同时结合遗传算法确定了RBF神经网络结构参数。基于室内实验数据进行训练,并与常用于持液率预测的反向传播(BP)神经网络、GA-BP神经网络及RBF神经网络进行对比,评估了模型的准确性及可行性。结果表明:GA-RBF神经网络模型均方误差为0.0017,均方根误差为0.0416,平均绝对误差为0.0281,拟合度为0.9483。相较于其他神经网络模型,该预测模型表现出更高的计算精度和更强的泛化能力。

海底气液混输管道蜡沉积及蜡管理策略研究

海上油气水混输管道蜡沉积及蜡管理是海洋油气管道流动安全保障重点关注的内容。本文以东南亚某海域新建油气水混输管道为例,运用多相流软件OLGA开展了典型年份的管道沿程温降、压降以及蜡沉积模拟,针对模拟结果,研究了不同方法的管道蜡治理策略,最终推荐了适用于该条油气水混输管道的蜡管理策略。

基于可靠性方法的大口径天然气管段壁厚设计

我国陆上天然气管道规模庞大,管道路由地形、地貌和气候特征复杂多样。面对管道及管道所处环境的复杂性,提高油气管道的本质安全水平是行业和民众的共同需求,保证陆上天然气管道安全和可靠运行也越来越成为行业关注的焦点。为达到这个目标,可以采用从源头上对陆上天然气管道的设计方法进行改进的办法。目前天然气管道设计大多普遍利用传统的基于应力的设计方法,该方法由于采用单一的安全系数导致油气管道的安全裕度难以考量,针对此问题,基于可靠性的油气管道设计和评估方法(Reliability Based Design and Assessment,简称RBDA)正成为现代陆上天然气管道设计的趋向,该方法可量化管道全生命周期中的风险,避免采用不合理或过于保守的设计标准。故本研究综合CSAZ662《油气管道系统》标准规范的油气管道可靠性设计方法,并结合国内部分机构根据我国国情而修正的可靠性研究,利用RBDA方法流程,根据某段实际天然气管道确定该管道失效的主要原因(以腐蚀和第三方破坏为主),设计了管道在其生命周期内的极限状态,根据极限状态选择对应的极限状态方程类型,并利用多种数据统计分析方法和软件确定方程中所涉及各个随机变量参数的分布类型,之后利用蒙特卡洛法(Monte-Carlo法)计算设计壁厚条件下得到天然气管道失效概率,统筹考虑其他失效原因的权重,进而得到该管道的可靠度,将该可靠度数据与国内外标准规范确定的目标可靠度进行对比,检验是否满足可靠度目标。由此,对大口径天然气管段完成壁厚设计,实现了使用RBDA方法对1016 mm大口径天然气管道设计的整体流程。

基于OLGA一体化模型的新井接入流动模拟

针对A气田地面管网出现较为严重的积液和段塞流的问题,根据A气田现场数据,建立了基于OLGA软件的油藏-井筒-管网一体化模型,研究了新井接入条件下相邻井的压力变化和集输管线中积液与段塞流的变化情况。结果表明,建立的油藏-井筒-管网OLGA一体化模型最大误差为6.92%,满足生产模拟;新井产量增加到一定条件时(11万m3/d),相邻井平台汇压明显下降(从3.75MPa降至2.56MPa),其他井平台的汇压变化不大(0.1MPa范围内波动),主要原因是新井和相邻井汇合后的管线压降出现明显降低。而汇合管线压降降低的原因是新井汇入后管线输量增大,管内积液量、持液率、段塞流数量明显降低,增大了汇合管线的输送效率。同时,模拟发现管网积液高风险位置主要为低洼段,段塞流高风险位置主要为上坡段。

基于流变-原位同步测量技术的实验教学设计——以原油流变性研究型开放实验为例

为提高油气储运工程专业本科生对含蜡原油管道输送过程中的工程思维能力,加深其对管道流动安全保障流变性机理的思考,基于当前的新技术——流变-原位同步测量技术,开展原油流变性研究型实验项目。实验过程中,针对含蜡原油采用流变-偏光显微原位同步测量技术对不同初冷温度的降温过程中,含蜡原油的黏弹性等流变性参数及蜡晶微观动力学行为进行同步分析。该实验不仅能加深学生对原油流变性机理的思考,提高其实践能力和实验操作技能,更能激发其科研创新意识和创新热情。

含点蚀缺陷高钢级弯管的极限承载能力研究

在油气管道运输过程中,由于荷载和腐蚀介质等因素,弯管相比直管更容易发生腐蚀。以点蚀缺陷为研究对象,建立含有点蚀缺陷弯管的三维非线性有限元模型,进一步分析了点蚀缺陷的位置、缺陷的几何形状和管材性能等因素对弯管极限内压的影响。研究结果表明,含点蚀缺陷弯管的极限内压受缺陷相对位置的影响,当缺陷位于弯管的内拱时,弯管的极限内压最小;含点蚀缺陷弯管的极限内压同样受缺陷尺寸的影响,极限内压随点蚀缺陷深度增加而减小,随点蚀缺陷半径增大而减小;管道尺寸、管道弯曲半径和管材性能等敏感因素也会对管道极限内压产生影响。研究结论对于含缺陷弯管的安全评定有一定的参考价值。

基于拉法尔喷管的新型放空立管可行性研究

针对传统放空立管介质出口速度小、扩散高度低等缺点。文章基于理论分析和模拟的手段对新型放空立管进行可行性研究。结果表明,放空介质动能来源于进出口压差及介质焓值,放空过程是一个压降、温降过程;通过对新型放空立管合理设计,在不改变进出口条件下,可比传统立管出口速度提高37.5%~41.7%,提高可燃气体的扩散高度,降低对地面工作人员的潜在危害。该新型放空立管切实可行,可为今后放空立管的设计提供新的思路。

天然气管输系统多目标决策分析的能耗综合评价体系

针对天然气管输系统能耗评价体系中指标单一、各输量台阶综合性分析不足等问题,开展了天然气管输系统多目标决策分析的综合评价。结合系统生产实际和耗能特点,提出了自耗气量及气单耗等评价指标,然后基于博弈论思想,确定了指标组合权重,最后建立了TOPSIS-RSR综合评价模型,并对某NP线天然气管输系统的整体能耗水平进行评价。结果表明,该天然气管输系统在180亿~250亿m^(3)/a的输量台阶下,有80%的开机方案整体能耗水平基本达标,仅有10%的开机方案整体能耗水平较为优秀。各输量台阶下,软件优化和压缩机换芯改造对降低开机方案的能耗方面效果显著,其中换芯改造的效果更为明显。

基于集成算法的腐蚀管道失效压力预测研究

为了提高腐蚀管道剩余强度的预测精度、解决单一预测模型易受训练数据的质量影响而发生运行及预测输出不稳定的问题,引入两种集成模型方法。首先对于串行结构集成方法,以支持向量回归(SVR)融合正余弦策略改进的黑猩猩优化算法(IChOA)为基础建立AdaBoost-IChOA-SVR模型;其次对于双层并行结构方法,根据预测问题筛选出相关性低且学习效果良好的预测算法作为第一层基预测器,调节新数据集形成方式及相关参数设置,建立Stacking堆叠集成模型。以含腐蚀缺陷管道失效压力爆破数据为例,利用MATLAB分别进行仿真模拟,与基础SVR和PSO-ELM模型的预测结果及评价指标进行对比分析。研究结果表明:集成预测模型具有更好的预测输出性能,且串行结构的AdaBoost集成学习模型的构造流程较为简洁,运行速度及精度更高;该模型对腐蚀缺陷管道失效压力预测问题的拟合度可达0.996,相对误差均值可达3.69%,可为后续腐蚀管道相关预测模型建立和防护维修策略制定提供参考。