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。

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。

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。

适用于超临界CO_(2)管道的稳态输送水力热力计算模型

超临界CO_(2)管道输送是碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)中的重要环节,由于超临界CO_(2)水力热力特性与气液有明显差异,为满足实际CO_(2)管道工艺方案设计要求,需要建立适用于超临界CO_(2)的水力热力计算模型,为CO_(2)管道工艺设计参数选择及方案优选提供理论支撑。基于此,以考虑高程差的管道稳态连续性方程、运动方程、能量方程三大守恒方程为基础,结合相平衡实验选择适宜状态方程计算纯CO_(2)或含杂质CO_(2)的物性参数,采用四阶龙格—库塔法迭代数值求解,通过C++语言采用自适应步长设置来满足实际高程变化影响,自主编程得到了一维非等温考虑地形起伏的超临界CO_(2)管输稳态水力热力计算模型,并分别通过实验和OLGA软件从多个方面验证了模型具有较高的精度。利用建立的模型研究杂质含量及种类对CO_(2)管道稳态输送过程的压降和温降的影响,得到杂质种类对压降和温降的影响规律:O_(2)、N_(2)、H_(2)O、CO、Ar、H_(2)、CH_(4)等杂质对温降数据有相同的趋势,几乎不存在影响;在压降数据上发现H_(2)O杂质会导致压降减少,其余杂质均会造成不同程度的压降增加,影响程度体现为H_(2)>CO>N_(2)>CH_(4)>O_(2)>Ar。结合CO_(2)的独特性质,针对超临界CO_(2)管道稳态运输的计算不应当忽略高程差的影响,同时也应注意杂质导致的温降和压降的变化。

超临界/密相CO_(2)管道泄漏压力响应及低温规律实验研究

为进一步了解超临界/密相CO_(2)在管道泄漏过程中的压力响应和温度变化,基于自行设计的高压CO_(2)管道泄漏实验装置,探讨压力响应、温降特性和相态变化的相互作用机理,以及低温分布规律。研究结果表明:19 mm口径纯CO_(2)的压降曲线有明显的2个阶段,且密相泄放存在明显的压力平台,N 2会明显提高泄放速率;相同截面上温度呈现“上热下冷”的分布特征,管道轴线方向,泄放端温降相对最严重;从相态变化角度看,超临界CO_(2)泄漏没有明显两相区,但对于密相而言,管道底部的CO_(2)会经历密相、液相、过热液相、气液两相、气相的相态转变过程。研究结果可为管道泄放安全运行以及规避断裂风险等方案设计提供参考。

不同输送相态下埋地二氧化碳管道周围土壤温度场特性研究

为研究埋地二氧化碳管道周围土壤温度场的分布规律,基于齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS示范项目二氧化碳输送管道,建立管道周围土壤温度场数值模型,采用Fluent软件对二氧化碳三种输送相态(低压液相、高压液相、超临界)下的典型工况土壤温度场进行计算。在低压液相输送的基础上分析管道周围土壤冻结范围的季节变化规律及不同埋深、不同运行温度对管道周围土壤冻结范围的影响,研究结果表明:随着埋深增大,管道周围多年冻土范围增大,季节性冻土范围受影响较小;而随着起点温度的升高,管道周围多年冻土和季节性冻土范围都减小,当温度升高至0℃时将不再形成冻土。在高压液相输送和超临界输送的基础上,以小麦为例分析管道运行温度变化对地表植被的影响,研究结果表明:为使土壤温度能满足沿线农作物生长需求,二氧化碳高压液相输送时,其管输介质温度不宜低于5℃,超临界输送时不宜高于50℃。

油气管道第三方破坏预警技术现状

为分析研究保障油气管道安全运行的主要预警方法,结合国内外油气管网事故统计数据对事故进行分类,针对以第三方破坏为主的风险预警技术进行综述研究。研究结果表明:以工程施工、人为破坏等因素导致的管道第三方破坏已成为妨碍油气管道安全运行的主要风险因素。目前国内外针对第三方破坏油气管道安全预警技术主要以光纤传感监测、视频图像监测、声波信号监测、地震检波器监测和卫星监测为主。基于传感光纤和视频图像监测的第三方破坏预警方法综合能力最好,但存在一定误差,且各监测方法之间存在数据壁垒,无法实现数据联动以对第三方破坏行为进行及时且高效的预警。研究结果可为保障油气管道的安全性和可靠性提供参考。

阶梯沉降条件下埋地钢管的力学响应规律

埋地管道周边地质沉降是威胁管道安全稳定运行的主要地质灾害之一。为了研究沉降灾害下埋地钢管的力学响应特征,通过自主搭建的埋地管道实验箱,开展了3组不同埋深的埋地钢管阶梯沉降实验,研究了不同埋深、沉降范围和沉降量下的土体变形和管道力学响应规律,并通过数值模拟研究了不同沉降模式下的管土相互作用差异。研究结果表明:①对于浅埋的埋地钢管沉降地质灾害,地表观测手段可简单直接地推断沉降灾害的发展程度,而对于大埋深的埋地钢管沉降地质灾害,建议埋地钢管附近布设土体竖向位移监测;②在沉降初始阶段,沉降范围和沉降量增加导致的管道力学响应增幅明显,但是随着沉降范围和沉降量的增加,管道的力学响应增幅将不断降低;③随着阶梯沉降下管道埋深的增加,大沉降量下的管道纵向应变增幅相较于浅埋管道将显著增大;④土体整体沉降相对阶梯沉降的埋地管道力学响应更剧烈,建议尽可能控制沉降区土体分区域沉降以降低管道的力学响应,确保管道安全。结论认为,实验成果丰富并完善了沉降灾害下埋地钢管力学分析领域的认识,有助于进一步完善现有的沉降灾害下埋地管道安全评估体系,对保障管道安全稳定运行具有重要意义。

超临界CO_(2)管道破裂泄漏影响探讨

近年来,随着碳捕集与封存的需求不断提高,CO_(2)输送管道成为关键支撑,大规模发展趋势明显。相比气态输送,长距离CO_(2)输送管道采用超临界输送模式经济性更好,但具有泄漏后压力台阶较高、管道止裂韧性要求较高、泄漏后果与油气介质不同等显著特点。尤其对于超临界CO_(2)管道泄漏问题,受CO_(2)密度大于空气、具有窒息性等特性影响,泄漏后果分析日益受到关注,值得深入研究。目前,国内外已经发布了相关CO_(2)管道输送技术规范,但未见对泄漏后果定量分析方法与临界阙值指标的明确要求,对工程设计的详细指导尚显不足,且鲜有与实验测试结果分析比对的探讨。基于CO_(2)相态特点,结合超临界CO_(2)输送特点,探讨了超临界CO_(2)泄漏后果的安全阙值选取问题,开展了国外超临界CO_(2)管道破裂实验的深度调研,比对性地开展了超临界泄漏后果模拟分析。研究表明,推荐选择摩尔浓度4%作为CO_(2)线路管道破裂影响范围评价浓度值;国外大规模CO_(2)全尺寸破裂实验的泄漏影响范围大于同等规模天然气管道潜在影响半径;CO_(2)管道破裂泄漏扩散范围受管道长度、管道外径影响较大,对管道压力影响敏感性较低。研究成果可为超临界CO_(2)管道设计提供相关参考。

受限空间掺氢天然气燃爆特性的实验研究

为了评估受限空间内掺氢天然气燃爆事故后果,开展了受限空间掺氢天然气燃爆特性研究,并通过设计长径比为43.8的矩形测试管道及测试系统,研究了掺氢比、燃烧当量比对掺氢天然气燃爆特性的影响。结果表明:随着掺氢比增加,火焰燃烧剧烈程度增加,火焰传播速度增大,尤其当掺氢比高于20%,管道内呈现剧烈的大尺度湍流火焰;掺氢比增加,管内超压增大,当掺入30%氢气时,最大爆炸超压增大48.6%,掺入50%氢气时,最大爆炸超压增大76.7%;不同掺氢比下,管内火焰速度沿传播方向呈现震荡升高的趋势;相比不掺入氢气,掺入20%、30%、50%氢气后,火焰传播平均速度分别增加67.83%、92.38%、165.81%。研究结果可为掺氢天然气事故定量评价以及管廊等受限空间的安全设计提供参考。

超临界CO_(2)管道放空特性实验研究

由于CO_(2)具有较强的节流效应,超临界CO_(2)管道放空过程在管道内会形成低温区域,低于三相点可能生成干冰堵塞管道,甚至引发钢管低温脆断。设计1套超临界CO_(2)管道节流放空装置,研究不同初始温度条件下CO_(2)管道泄放过程中压降、温降及相态变化特性。研究结果表明:超临界CO_(2)管道泄放过程中,管道底部流体温度明显低于管道顶部流体温度,泄放过程中管内流体径向温差较大(如8.9 MPa、40℃工况时,最大径向温差达42℃);在初始压力几乎一样的情况下,工况2(初始压力8.88 MPa、初始温度33.5℃)初始温度虽大于工况1(初始压力8.8 MPa、初始温度26.5℃)初始温度,但2个工况最低温度都可达-70℃,这说明放空过程中管内最低温度不仅与初始温度有关,与初始温压条件下充装量及充装量差异引起的相变历程、相变吸热量有密切关系。研究结果为预防CO_(2)管道放空干冰堵塞或冻伤管道提供参考。

基于PHAST的CO_(2)露空管道大规模泄漏与放空模拟

为保障CO_(2)管道大规模泄漏和放空过程安全,防止CO_(2)扩散导致人员或地面生物伤亡,考虑泄漏和放空的情况,利用PHAST软件对CO_(2)管道大规模泄漏和放空时的浓度扩散情况进行数值模拟。以国内外安全标准中规定的安全浓度为研究依据,对CO_(2)泄漏影响范围进行模拟,研究分析得出不同介质相态、阀门开度、天气条件和泄漏放空角度对扩散范围的影响。通过总结模拟结果得到结论——使用垂直立管的计划泄漏放空不需要考虑地面危险浓度范围,全尺寸意外泄漏放空危险浓度范围与介质相态、天气条件和泄漏放空角度相关。

成品油在土壤中运移可视化的实验研究

为了减少成品油管道事故影响,更好地掌握成品油在土壤中的流散规律,搭建了室内可视化实验装置,基于数字图像处理技术,建立了难以实时测量的柴油饱和度与方便获取的HSI颜色模式各分量之间的函数关系,并通过采样实验进行了验证。结果表明,H(色度)和S(饱和度)可以作为判断多孔介质内是否含油的指标;通过S在低饱和区对油饱和度表征精度可达3.12%;通过I(亮度)在高饱和区对油饱和度表征精度在±2%以内。建立的动态、实时、非侵入式的土壤内部成品油运移的可视化手段,可为泄漏过程演化提供支持。研究成果弥补了国内油品在土壤中泄漏扩散可视化方面的技术不足,对于有效控制成品油引起的环境污染问题、减少油品泄漏带来的危害具有重要意义。

横向滑坡下埋地管道力学响应规律及神经网络预测研究

为研究横向滑坡作用下埋地管道的力学响应,采用自主搭建的埋地管道滑坡试验装置开展不同滑坡范围下的横向滑坡埋地管道力学特性试验,并建立工程尺度的埋地管道滑坡模型,通过改变相关参数开展数值模拟。研究结果表明:大范围横向滑坡下,管道最大应力位于管道中部附近,随滑坡范围增加,管道最大应力位置逐渐远离管道中部;通过BP神经网络预测模型得到横向滑坡下埋地管道最大位移、最大轴向拉应变和最大轴向压应变。研究结果可为快速评估横向滑坡下埋地管道安全提供指导。

轴流式血泵水动力特性和生物相容性的数值模拟

为了准确评价自行设计的轴流式血泵的水力性能和生物相容性,将一种黏弹性流体k-ε模型应用于该血泵内紊流流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的静压和切应力的分布规律,并将溶血指标计算方法与此黏弹性紊流模型结合,计算了黏弹性流体为工质时血泵的溶血指标,并与水为工质时的计算结果进行了对比.结果表明:在相同转速和流量条件下,质量分数为0.06%的黄原胶溶液为工质时的静压压升高于以水为工质时的相应值,质量分数为39%的甘油溶液为工质时静压压升最不明显;甘油溶液的雷诺应力和黏性切应力均高于水和黄原胶溶液的相应值;黏弹性流体为工质时泵的溶血指标比水和甘油溶液的低,且数值处于同一数量级上.该模型能较为准确地预测血泵内黏弹性流体的紊流流动特性,但血泵的结构需进一步优化和改善.

轴流式血泵黏弹性流体水动力特性数值模拟

将一种黏弹性流体k-ε模型应用于自行设计的轴流式血泵内流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的水动力特性,得到了泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的紊动能和紊动能耗散率的分布规律.研究发现:在相同流量和转速条件下,质量分数为0.06%的黄原胶水溶液的扬程高于以水为工质时的相应扬程,二者最大约相差35%,且计算结果与实测数据符合良好;轴流泵内黄原胶水溶液的紊动能和紊动能耗散率均显著低于水的相应值,粗略估算每千克黄原胶水溶液的机械能损失只是水的相应值的37%,表示以黏弹性流体为工质时,泵内部的黏性耗损降低,这正是黏弹性流体扬程高于水的扬程的物理原因.

两相流与泄漏实验装置的教学实验设计

油气管道内的复杂气液两相流动和管道泄漏预测控制是油气储运过程中面临的难题。为加深学生对专业流体力学和输气管道设计与管理课程内容的理解,在气液两相流实验环道基础上,设计了包括大起伏管段、地下以及水下等多场景的油气管道泄漏实验装置,并介绍了各功能模块的工艺流程、设备和特点。通过装置性能和实验分析,该实验装置具有非常好的实验教学预期效果。结合输气管道设计与管理课程的教学内容要求设计了多个实验教学项目。该综合实验不仅可以丰富教学内容,还可以提升学生的工程实践能力和创新能力,拓展学生在油气两相输送、管道泄漏过程与影响方面的知识储备,培养油气管道安全运行及泄漏检测技术方面的人才。

CO_2管内节流实验装置设计及实验研究

设计了一套高压CO_2管内节流实验装置,能够将气态CO_2加压稳定至不同相态。节流过程中可以对实验环道不同位置处的压力、温度参数进行实时数据记录。实验研究分析了气态和超临界态CO_2节流过程中管内压力、温度的变化规律。实验结果表明,不同相态下的管内节流压降、温降规律不同,气态CO_2的节流效应明显强于超临界CO_2,在节流过程更容易使游离水结冰,从而出现冻堵现象;超临界CO_2节流后会发生相变,出现气液两相流动。实验结果对CO_2管道节流安全控制和管道冻堵防治具有借鉴意义。

不同相态管输CO_2的节流放空实验

为了探究管输CO_2节流放空过程中的压力、温度响应及相态变化,基于Joule-Thomson效应搭建了橇装实验装置,分别进行了超临界态、液态、气态及含杂质气态CO_2多级节流放空实验。通过实验发现:(1)超临界态及气态实验出口温度先上升后下降,而液态实验出口温度先下降后上升并最终与主管温度变化一致;(2)主管内CO_2的压力、温度随着实验的进行而不断下降,且各截面之间参数差异明显,表明压力扰动传播速度受密度影响;(3)含杂质N2的CO_2放空时出口温度低于纯气态CO_2放空,主管内压力随时间变化速率大于纯CO_2实验主管压力变化速率;(4)管外气云逐渐收缩为气锥,气锥随管内压力下降、温度上升逐渐减弱并最终消失。实验结果表明:(1)在单级节流相同压降下,液态实验产生的温降明显小于超临界态及气态节流温降,但液态CO_2全节流过程会因发生相变而使平均节流效应增强;(2)密度影响内能对外耗散的程度,进而影响节流系数,即密度增大,节流系数降低。进而建议,通过增大泄放速率、节流入口增温、节流出口整流等措施来实现对CO_2放空过程的安全控制。

一种新型板翅式换热器气液分配器分配特性的敏感性分析

两相流动分配不均是影响板翅式换热器换热效率的主要因素。传统的'先混合,后分配'方法不能解决在导流翅片中流向突变时气液分离引起的气液两相流体分配不均问题,因此采用'先分配,后混合'的理念提出了一种新型的气液分配器,气体和液体分别从各自的通道进入分配器,在分配器内均匀混合后进入换热器的翅片换热通道进行换热。通过对分配器内部流场的数值模拟,发现:分配器的气液分配不均匀度随流量的增加而增加,且不均匀度受液相流量的影响比气相大。该气液分配器的气液分配不均匀度相比传统封头结构降低了一个数量级,能够有效改善板翅式换热器层间通道的气液分配特性,提高板翅式换热器的换热效率。