20号钢环焊缝中夹杂物对氢扩散行为影响

氢气大规模输送是实现中国“双碳”战略目标的重要环节,但将氢气掺入现有天然气管网可能引发管道氢脆,焊缝处存在严重的应力集中,更易导致氢富集进而可能导致管道失效。采用ABAQUS软件建立含夹杂的20号钢环焊缝二维模型,利用热力耦合方法分析焊接温度场及残余应力场;在考虑接头组织不均匀性和焊缝处存在残余应力的基础上进行氢扩散仿真模拟,分析夹杂分布、取向和形状对焊缝中氢扩散特性的影响规律。结果表明:当夹杂平行于氢扩散方向时,夹杂边界周围应力集中的区域易产生氢偏聚;填充层中夹杂-焊缝金属界面局部氢浓度最高,约为根焊层的2.45倍;当夹杂垂直于氢扩散方向时,残余压应力不利于堆叠夹杂的氢捕获;与平行于氢扩散方向夹杂相比,填充层夹杂内最高氢浓度降幅达到了48%;当填充层存在球状夹杂时,氢并没有在夹杂-焊缝金属界面聚集,而是扩散到了接头附近的母材区域,增大了管材失效风险。

FPLNG预处理及液化一体化工艺研究现状及发展趋势

海上天然气处理系统的紧凑性对其适应海上环境尤为重要。为解决浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)面临的甲板空间和承重受限的问题,提出了新型FLNG天然气带压液化工艺(FPLNG)的概念。阐述了FLNG关键技术和应用现状,并对FPLNG关键技术和储存方案进行了分析。FPLNG关键技术提高了CO_(2)和重烃的溶解度,可以简化预处理和液化工艺,而低温脱碳技术与液化工艺的协同可以实现海上天然气预处理和液化的一体化过程。带压液化天然气(PLNG)可以储存在高强度低温钢构成的高压储舱和罐式集装箱中,在压力约为0.5 MPa,且运输距离小于400 km时,高压储舱方案成本低于常压输送。FPLNG在我国深远天然气资源的高效开发中具有较大潜力,有望在未来得到广泛应用,但对于流体相平衡等问题仍需深入研究。

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。

氢气喷射火特性教学实验设计

安全是氢气大规模使用的前提。为了研究氢气喷射火特性,自主搭建了喷射火实验系统,开展氢气喷射火特性实验研究。实验分析了氢气喷射火流量、火焰形状、中心温度及辐射场的变化随压力的变化规律。其中,对于火焰形状的分析,采用将图像转化为二值图的方法得出。结果表明,当压力降低16.95%时,火焰长度下降13.29%,火焰高度下降7.29%;压力保持1.02 MPa时,随着距离增加,中心温度平均减少70.10%;距离喷射口所在平面1.5 m处,辐射强度平均减少18.43%。通过氢气喷射火实验得出氢气意外泄漏下周围温度场、辐射场变化情况,可为实现氢气安全利用提供借鉴。

超临界二氧化碳管道操作仿真模拟教学

利用特征线法对超临界CO_(2)的管道特殊工况进行了模拟,旨在让学生学习新的思维方式和技术手段,并将其用于解决实际问题。CO_(2)运输作为碳捕集、利用与封存(CCUS)技术中的中间环节,承担着将CO_(2)从捕集地输送到封存地的任务。其中最常用的运输方式是管道运输。该文建立了以质量、动量和能量守恒定律为基础的描述管道内一维气体流动的数学模型,采用特征线法进行求解,利用MATLAB编程计算,对CO_(2)管道进行了操作模拟。该过程能够使学生掌握特征线法,了解超临界CO_(2)管道运行规律,提高实验教学效果。

高压氢气泄漏过程中气体参数计算的新方法

基于气体等熵喷射过程和绝热变化过程分析氢气泄漏的热力学过程,建立理想气体状态方程、Abel-Noble状态方程和基于NIST(National Institute of Standards and Technology)的真实气体状态方程的计算模型,利用MATLAB对稳态/非稳态泄漏过程进行计算。结果显示,建立的稳态泄漏模型能够精确计算泄漏口处的相关参数,在保证计算精度的前提下与数值模拟相比,误差可以忽略不计;非稳态泄漏模型中,与基于理想气体状态方程和Abel-Noble状态方程相比,基于NIST的真实气体状态方程误差更小;非稳态泄漏过程中,罐内气体温度高于理论预测值,泄漏质量流量小于理论预测值。真实气体模型在一定程度上体现了热力学模型的局限性,但与数值模拟等计算方法相比,该模型计算更加快捷精准,对实际气体泄漏事故的预测具有理论指导意义。

BOG再液化工艺动态模拟教学

液化天然气(LNG)的运输储存方式主要是通过LNG运输船,由于LNG温度低,易挥发,在LNG船的液货舱中LNG与环境存在热交换,蒸发产生的闪蒸气(BOG)会使液货舱压力升高造成安全隐患。安全、环保处理BOG的方法是将其再液化为LNG重新输送回液货舱。基于此,介绍一种利用软件模拟动态的BOG液化工艺,使用再液化方法为过冷LNG喷射制冷再液化。借用软件模拟再液化工艺的流程,对工艺流程的开、停车过程进行模拟,形成了一套BOG再液化工艺的动态模拟。通过案例教学可加强学生及员工利用软件进行工艺动态模拟的能力,提高对虚拟仿真技术的掌握。

静置工况条件下掺氢天然气浓度分布规律

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能量最小原理,推导了在重力场作用下掺氢天然气浓度分布数学模型,并采用Peng-Robinson真实气体状态方程对该数学模型进行了求解,最后研究了甲烷—氢气二元组分混合气体在4种典型场景高度和5种掺氢比下氢浓度随高度的分布规律。研究结果表明:(1)在重力影响下管道顶部和底部的氢浓度存在差异,但其受高度差的影响显著,对于米级的水平管道、几十米级的一般城镇楼宇天然气立管、百米级的高层楼宇天然气立管,氢浓度随高度变化的差异微小,可完全忽略氢分层;(2)对于千米级大落差的掺氢天然气管道,当掺氢比不超过20%时,氢分层仍可忽略,但当掺氢比很高时(例如50%)管道顶部和底部的氢浓度差将超过1%,此时需考虑工程实际情况评估能否忽略氢分层;(3)西气东输某管道考虑真实气体组成、掺氢比20%、管道落差200 m时,各气体组分的浓度随落差高度的分布规律揭示了在实际工程中此类落差高度的掺氢天然气氢分层可忽略。结论认为,对于掺混均匀的掺氢天然气在静置这种最容易发生分层的极端工况下,如果不存在千米级极端大落差和极端大掺氢比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略;该认识从理论上厘清了目前关于掺氢天然气分层现象的争议,对掺氢天然气管道安全输送具有重要指导意义。

海上平台超临界CO_(2)管道泄漏扩散规律实验研究

CO_(2)封存是实现中国“双碳”目标的有效技术途径之一,海上CO_(2)封存通常依托海上油气平台管道回注,CO_(2)回注过程中可能发生泄漏而严重影响作业人员安全。以恩平15-1海上平台为研究对象,开展超临界CO_(2)泄漏扩散规律实验研究。通过缩比设计,搭建与恩平15-1相应的物理模型实验平台,利用相似理论和量纲分析方法,设计了超临界CO_(2)泄漏扩散参数,开展了海上平台管道CO_(2)在不同泄漏压力(1.5~3.0 MPa)、泄漏孔径(0.5~6.2 mm)、泄漏方向(水平、竖直、斜45°)及环境风速(0~0.5 m/s)下的相似模型实验,研究泄漏CO_(2)在平台上的扩散情况及浓度分布规律。结果表明:压力和环境风速的变化,会影响CO_(2)泄漏后的近场射流,但对其远场扩散的影响较小;CO_(2)浓度会在泄漏约20 s后达到峰值并保持稳定,不会随泄漏时间的增加而增大;泄漏口径会显著影响泄漏口轴向CO_(2)浓度的分布规律。研究结果为海上平台CO_(2)泄漏监测与安全防护设计提供了参考。

含杂质超临界CO_(2)输送管道停输再启动瞬态特性研究

为研究超临界CO_(2)管道停输后管内温度压力和相态变化规律,以国内某CO_(2)管道为研究对象,利用OLGA软件开展停输再启动瞬态数值模拟,探究不同工况及工质对管道停输再启动过程的影响。研究结果表明:在保证相态不变且下游用户流量不变的情况下,流量越大,最大停输时间越短,且管道中前部和管道高点较其他位置先出现相变;在相同工况下,H_(2)和N_(2)等非极性杂质的存在会使CO_(2)的相包线向上移动,最大停输时间减少;而H_(2)S和CO等极性杂质的存在会使CO_(2)的相包线向下移动,最大停输时间增加;停输再启动过程中,如果所含杂质的密度小于纯CO_(2)的密度,则含有该类型杂质的管道恢复稳定运行状态所需时间短于纯CO_(2)工质管道。研究结果可为相关单位制定CO_(2)管道设计方案和安全停输预案提供参考。

海上氢气液化系统(FLH2)浮式装置的教学实验设计

氢是推动海上水、风、光、电资源清洁高效利用的理想媒介,构建深海氢能产业体系对保障能源的供应安全、实现“双碳”目标、促进能源领域企业转型升级具有重要意义。为了开展氢能等海上新能源的实验教学活动,加深学生对机械设计基础(含课程设计)、流体力学(含实验)、氢能及新型能源动力系统、氢能存储与利用等专业课程内容的掌握,该文设计了应用于海上氢气液化系统(liquid hydrogen floating production storage and offloading unit,FLH2)的浮式多孔介质通道内外流动实验装置,包括浮式通道内多孔介质流动阻力测试实验装置与浮式通道外降膜流动测试实验装置两个部分。该装置具有较好的实验教学效果,可提升学生的工程实践能力和研究海洋能源高效利用领域的创新能力,拓展学生在深海氢能储运方面的知识储备。

浮式氢能储运过程中FLH2通道管外降膜流动的海上适应性强化机理

随着海上风电和天然气制氢技术的发展,以氢能作为媒介的深海能源互联互通体系正不断完善。液态氢储运是实现海上氢能大规模运输和利用的有效方法,揭示海况条件下降膜流动机理是实现浮式氢能高效储运的关键。本文基于高速摄像系统和晃荡平台系统,同时基于耦合的VOF和Level Set两相流模型和动网格技术,采用浮式微观可视化实验和数值模拟相结合的方法,研究氢能储运过程中FLH_(2)(浮式氢气液化装置)换热通道管外降膜流动的海上适应性强化机理。研究结果表明,与常规光圆管、螺纹波管和方波管相比,波纹管管外降膜流动的液膜均匀性较好。在海况下波纹管间降膜流动流型稳定,并且均未出现管壁表面干涸的现象,因此在浮式氢气液化装置FLH2中推荐采用波纹管以强化其海上适应性。基于可视化实验和数值模拟结果,得到了降膜流动的流型演化规律,并拟合了波纹管外降膜流动的液膜厚度计算关联式。

天然气管道随动流量掺氢实验及新认识

如何获得高掺混均匀度和精度的掺氢天然气是天然气管道掺氢输送的核心问题之一。虽然目前常采用随动流量掺氢工艺,但国内外尚未见公开报道的实验数据,氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度得不到实验验证,在一定程度上制约了掺氢天然气管道输送技术的进一步发展。为此,研究了天然气管道随动流量掺氢工艺,并基于高效静态混合器、氢组分浓度三维在线检测和双反馈随动流量定比掺氢,搭建了天然气管道随动流量掺氢实验系统,最后开展了掺氢流量100 Nm3/h以内、掺氢比5.0%~20.0%的实验研究。研究结果表明:①设计搭建的随动流量掺氢实验系统的掺混均匀度大于95%,不考虑测量误差影响时掺氢精度绝对值小于等于1.67%,考虑测量误差影响时,当掺氢比大于等于10.0%时掺氢精度绝对值小于等于3.30%,而掺氢比为20.0%时掺氢精度绝对值小于等于1.70%,随动流量掺氢性能优于标准规范技术指标;②相同实验条件下,受氢气分析仪精度等级和量程的影响,掺氢比越小,掺氢精度越低;③为合理表征掺氢精度,在制定相关标准规范时建议根据掺氢比范围分级定义随动流量掺氢精度。结论认为,该成果认识可为掺氢天然气管道输送技术的发展和相关标准规范的制定提供重要理论和技术参考。

基于FLACS的氢气站场泄漏扩散模拟研究

氢能作为一种清洁能源将被大规模开发利用,氢气长输管道和沿线站场建设也随之增加。为研究不同条件下氢气泄漏扩散规律,建立了氢气站场FLACS三维模型。在障碍物存在下,对不同泄漏压力、泄漏孔径和泄漏温度下氢气的泄漏扩散进行了模拟,对比了可燃气云的扩散范围,分析了不同因素的影响规律。结果表明,障碍物使氢气泄漏方向发生改变,可燃气云的扩散范围快速增大,工况7中,7 s内(8~15 s)可燃气云面积快速增加至整个站场面积的73.3%。泄漏压力和泄漏孔径增加均可使可燃气云的扩散范围增加:对于4 MPa低压泄漏,泄漏孔径变化影响更加显著;对于100 mm大孔泄漏,泄漏压力变化影响更加显著。泄漏温度从293 K增加到353 K,氢气分子热运动加快,但泄漏温度变化对气云扩散范围的影响并不明显。本研究可为氢气站场泄漏事故的防治提供参考。

基于影响比对的氢气管道流速探讨

近年来,氢能高效利用是世界各国的关注重点和研究热点,也是新能源的重要发展方向之一。大规模运输氢气时,管道运输更加高效、安全,采用氢气管道输送是推进氢能大规模利用的有效途径。相比天然气,氢气的单位体积热值较低,分子量较小,在管道输送中对提高氢气管道流速的需求较大,为提升管道输送效率,氢气流速提高后对管道系统的潜在影响值得探讨。基于氢气、天然气物理特性,开展了氢气、天然气的流速影响场景分析,提出了氢气管道流速选择的关注要点;剖析了基于冲蚀的氢气、天然气管道流速评价方法,对含固体杂质工况下氢气、天然气的冲蚀尺度进行了比对;探讨了氢气、天然气的管道流动噪声问题,开展了定量分析。研究表明,相比于露空管道系统,埋地管道系统更应关注流速问题;氢气管道允许的冲蚀流速更大,管道系统具备提速潜力,但应对气体夹带杂质的问题进行持续关注;在相同的能量输送场景下,氢气管道内流动噪声声压值稍大于天然气管道噪声声压值,可参考常规噪声控制手段应对。研究成果可为氢气管道设计提供借鉴。

横向滑坡作用下埋地管道参数敏感性研究

为研究横向滑坡作用下管道的参数敏感性,通过有限元模拟研究了不同滑坡、管道和土体参数下管道位移和轴向应变的变化特征。研究结果表明:管道力学响应随着滑坡位移和倾角的增大而显著增大,尤其是滑坡倾角大于40°时;埋地管道横向滑坡中受影响的管道长度和位移随滑坡宽度的增大而增大,但当滑坡宽度大于20 m后,管道轴向应变在滑坡区明显减小,管道危险性显著降低;管径、壁厚、管材与埋地管道力学响应呈负相关,内压、埋深、土体弹性模量、黏聚力与埋地管道力学响应呈正相关。研究探明了横向滑坡灾害下埋地管道的参数敏感性,对于保障横向滑坡下的埋地管道安全具有重要意义。

气液混输管道段塞流泄漏流场特征

气液混输是油气管道运输的常用技术,与单相管道相比,当气液混输管道泄漏时,由于气液相间相互作用,流动情况复杂。所有流型中,段塞流研究最为困难。为了研究气液混输管道段塞流型下泄漏的流场特征,对比单相管道与混输管道泄漏动态压力波的波形特点,基于动网格与UDF(user-defined function)模拟泄漏发生的全过程,分析泄漏过程以及液塞经过泄漏孔口过程的压力、流速、湍流强度变化,得到气液混输间歇流泄漏流场特征。结果表明:与单相管道相比,当泄漏方位为上部和中部时,混输管道段塞流泄漏瞬间形成明显的方向向下的动态压力波脉冲,持续泄漏则交替出现多个向上和向下的信号脉冲,且信号的幅值远大于正常流动信号的幅值。泄漏瞬间产生的方向向下的动态压力脉冲是由压力突然下降引起,泄漏瞬间引起的压力变化主要反映在管道压力上,通过管道安装的动态压力传感器可有效反映泄漏瞬间产生的压力变化。液塞到达与离开泄漏位置是影响管道压力波动的主要因素。动网格仿真模拟与试验结合的方法可用于研究气液混输管道段塞流泄漏的流场特征。

高压CO_(2)管道泄漏动态压力计算模型研究

高压CO_(2)管道运行过程中可能因为腐蚀或外部因素发生泄漏,由于CO_(2)相态复杂,管内压力相应产生复杂动态响应变化,管内压力动态变化规律对于减压波预测、管材韧性止裂具有重要影响。为研究不同工况下管道泄漏过程中管内压力变化特性,基于等熵原理建立了高压CO_(2)管道泄漏管内动态压力计算模型,并结合工业规模CO_(2)管道泄漏实验数据以及HYSYS软件计算结果对模型进行了验证。结果表明:相比HYSYS软件,新建模型对于高压CO_(2)管道泄漏过程压降的预测与实验结果更吻合,平均预测误差为3.9%,表明新建模型可以准确预测高压CO_(2)管道泄漏过程管内压力的动态响应变化规律。研究成果可为高压CO_(2)管道泄漏过程管内动态减压特征预测提供理论支撑。

基于EM-FR-C5.0DT耦合模型的输气管道地质灾害风险预测模型

延安气田地处陕北山区,输气管道沿线发生地质灾害的风险较高,管道生产运行存在一定安全隐患,通过加强风险预测研究,可快速准确甄别沿线高后果区,对管道防灾减灾具有重要意义。为此,选取延安气田内部临镇-子长输气干线作为研究对象。首先,通过相关性分析筛选出高程等11个影响因子,依次开展灾点空间分布规律研究;其次,采用加权频率比法将灾点属性值转换为可体现灾害风险贡献率的EM-FR(加权频率值),划分出低、极低风险区,在此范围内选取非灾点,以此构建EM-FR-C5.0DT(加权频率比-C5.0决策树)、EM-FR-BP(加权频率比-BP神经网络)等2种耦合模型,并预测研究区域的风险性;最后,在研究区域内随机选取非灾点,构建单一C5.0DT、BP模型,并与上述2种耦合模型开展精度对比分析。结果显示:耦合模型预测性能优于单一模型,其中EM-FR-C5.0DT模型效果最优。研究成果表明,在低、极低风险区内,选取非灾点构建数据集得到的耦合模型,可明显提升模型预测精度,更适合小样本地质灾害风险性建模,可为延安气田输气管道风险性研究提供一定借鉴。

在役天然气管道改输氢气工艺安全探讨

利用管道输送氢气是较为经济的中长距离氢能储运模式。相比新建纯氢管道或天然气管道掺氢输送,利用在役天然气管道改输氢气具有灵活利用管道资产、促进氢能高效利用、完善能源替代等优点。近年来,国内外开展了新建氢气管道的实践运行,但尚未大规模开展在役天然气管道改输氢气的研究。基于氢气与天然气特性比对,梳理了在役天然气管道改输氢气的评价技术要点,开展了运行压力、介质流速、安全保障等方面的分析探讨。研究表明,现行国外标准规范通过限制环向应力改输氢气管道以进一步提高管道安全性,但可能降低管道的最高运行压力;在役天然气管道改输氢气后需关注:提高介质流速应重视杂质控制、站场插入式仪表涡激振动等问题;氢气泄漏后的潜在影响范围有所缩小,站场外部防火间距评价与调整还需开展系统论证;管道放空系统热辐射范围减小,放空系统的爆燃、爆轰风险应予以控制。研究成果为后续在役天然气管道改输氢气评价提供了借鉴。