煤層氣輸氣管道內(nèi)沉積物定位檢測(cè)方法研究

摘 要

摘要：針對(duì)煤層氣輸氣管道中沉積物的問(wèn)題，利用Fluent系列軟件，模擬了煤層氣管道內(nèi)沉積物附近的壓力分布和溫度分布。描述了沉積物堵塞事故的判斷方法、壓力脈沖定位原理、溫度梯
摘要：針對(duì)煤層氣輸氣管道中沉積物的問(wèn)題，利用Fluent系列軟件，模擬了煤層氣管道內(nèi)沉積物附近的壓力分布和溫度分布。描述了沉積物堵塞事故的判斷方法、壓力脈沖定位原理、溫度梯度定位原理。提出了以壓力脈沖定位為主、以溫度梯度定位為輔的沉積物定位手段。
關(guān)鍵詞：煤層氣；輸氣管道；沉積物；定位檢測(cè)；壓力脈沖定位；溫度梯度定位
Study on Localization Detection Method of Deposits in Coalbed Methane Transmission Pipeline
ZHOU Dong-ping，LU Yi-yu，KANG Yong，XIA Bin-wei
Abstract：To solve the problem of deposits in coalbed methane transmission pipeline，the pressure and temperature distributions near the deposits in coalbed methane transmission pipeline are simulated by Fluent software. The judgment method of deposit blockage accidents，the pressure pulse localization principle and the temperature gradient localization principle are described. A localization method based on mainly pressure pulse localization accompanied by temperature gradient localization is put forward.
Key words：coalbed methane；gas transmission pipeline；deposits；localization detection；pressure pulse localization：temperature gradient localization
1 概述
    煤層氣的開(kāi)發(fā)和利用得到國(guó)家的特別重視，大型油氣田和煤層氣開(kāi)發(fā)被2005年國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》(國(guó)發(fā)[2005]44號(hào))列為16個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)之一。煤層氣作為煤層的伴生資源，是一種清潔的能源。井下抽放回收的煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)為30%～50%，而地面抽放回收的煤層氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)90%。它不僅環(huán)境性能好，而且作為燃料熱效率高。煤層氣燃燒灰塵排放量為燃煤的0.68%，SO2排放量為燃煤的0.14%，CO2排放量為燃煤的60%。煤層氣是常規(guī)天然氣最現(xiàn)實(shí)可靠的補(bǔ)充或替代能源，可以為工業(yè)和民用提供能源[1、2]。煤層氣在管道輸送中由于煤層氣中混有雜質(zhì)，往往在管壁形成沉積，會(huì)造成煤層氣管道堵塞，從而影響煤層氣輸配和應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行。雖然抑制劑的使用能夠在一定程度上減少部分沉積物的形成，但是不能完全消除其形成和沉積。很多煤層氣公司都需要對(duì)管道堵塞物進(jìn)行清除，但是在清除堵塞物之前，應(yīng)確定煤層氣管道發(fā)生嚴(yán)重堵塞的部位，否則清除工作不能順利進(jìn)行，而且造成人力、財(cái)力的浪費(fèi)[3～6]。目前，管道堵塞位置檢測(cè)技術(shù)主要有鉆孔法、敲擊法、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試法等。這些方法都需要沿管道不斷地測(cè)試管道變形程度或鉆孔觀(guān)察流體狀態(tài)，工作量大，耗時(shí)較長(zhǎng)，操作費(fèi)用高。
    本文利用Fluent系列軟件，針對(duì)有沉積物堵塞的架空煤層氣管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究[7]。利用被沉積物堵塞的管道上下游煤層氣壓力突變和管壁溫度梯度大的特點(diǎn)來(lái)確定煤層氣管道中的堵塞位置以及沉積物長(zhǎng)度，為正確地制定清管操作方案提供依據(jù)。
2 數(shù)值模擬
    應(yīng)用煤層氣流動(dòng)基本方程[8～10]：軸向受力平衡方程、能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程，加之起點(diǎn)的溫度、壓力等邊界條件(根據(jù)具體的輸氣管道起點(diǎn)的溫度和壓力情況確定)，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)有沉積物存在時(shí)的某架空煤層氣輸送管道進(jìn)行數(shù)值模擬研究。計(jì)算出管道上任意一點(diǎn)的壓力、密度、流速等參數(shù)的值。
    研究模型采用二維四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型，模擬的輸氣管道直徑與長(zhǎng)度之比為1:6，沉積物在三方向的高度與管徑之比為3:10，煤層氣輸氣管道的豎直軸截面處在xOz平面內(nèi)，x軸與下管壁重合，原點(diǎn)取在模擬段下管壁的中心位置上，見(jiàn)圖1，用三角形模擬沉積物。
 
    計(jì)算結(jié)果表明，煤層氣流過(guò)沉積物前后，管道內(nèi)煤層氣壓力從185kPa變?yōu)?0kPa，煤層氣壓力有較大幅度的下降。同時(shí)，管壁沿線(xiàn)的溫度有較大的變化：沉積物附近有較大的溫度梯度，沉積物上游管壁溫度明顯高于下游管壁溫度。
3 沉積物堵塞定位原理
3.1 沉積物堵塞事故判斷
    根據(jù)對(duì)有沉積物存在時(shí)的煤層氣輸氣管道進(jìn)行的數(shù)值模擬研究結(jié)果，可以做出如下判斷[8]：
    假設(shè)煤層氣在管道中正常輸運(yùn)時(shí)，全線(xiàn)的壓力降主要是由管壁的摩擦引起的，其壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2的粗實(shí)線(xiàn)，此時(shí)壓力基本上保持均勻下降，其兩端的壓力差用△p1來(lái)表示。
 
    當(dāng)x0處發(fā)生輸氣管堵塞事故后，沉積物上游壓力上升，流速變緩，而沉積物下游的煤層氣由于能量損失導(dǎo)致壓力下降，其壓力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2的粗點(diǎn)劃線(xiàn)，其首末兩端的壓力差用△p2來(lái)表示。
    將上述兩個(gè)壓差相比較，如果滿(mǎn)足式(1)，即當(dāng)沉積物阻力所產(chǎn)生的壓力降大于等于△p時(shí)，則可判斷為輸氣管道發(fā)生了堵塞事故。
    △p2-△p1≥△p    (1)
式中△p2——管壁摩擦阻力與沉積物阻力共同作用產(chǎn)生的壓力降，Pa
    △p1——管壁摩擦阻力產(chǎn)生的壓力降，Pa
    △p——預(yù)先設(shè)定的沉積物阻力產(chǎn)生的壓力降，Pa
    另外，煤層氣在管道中正常輸運(yùn)時(shí)，全線(xiàn)的溫度應(yīng)該基本保持恒定，而當(dāng)發(fā)生輸氣管道堵塞事故后，堵塞點(diǎn)前后管道壁的溫度有個(gè)明顯的變化過(guò)程，根據(jù)這一原理可以進(jìn)一步判斷是否發(fā)生了管道堵塞。
3.2 沉積物堵塞定位原理
   ① 壓力脈沖定位原理
   在煤層氣輸送工程中，直線(xiàn)管道的輸送占絕大多數(shù)，由于距離長(zhǎng)，因此直線(xiàn)段是沉積物堵塞定位的難點(diǎn)位置。利用壓力脈沖定位原理對(duì)輸運(yùn)管道的直線(xiàn)段進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在管道入口處人為發(fā)送一個(gè)質(zhì)量流量脈沖(正壓波)，該脈沖必然增加入口處煤層氣的能量(包括動(dòng)能和勢(shì)能)。當(dāng)其到達(dá)管道的沉積物起點(diǎn)，流動(dòng)受阻，則動(dòng)能降低、勢(shì)能增加，導(dǎo)致該處壓力升高，脈沖以正壓波的形式向管道上游傳播。與此同時(shí)，由于管道并沒(méi)有完全堵塞，則該質(zhì)量流量脈沖通過(guò)沉積物繼續(xù)向管道下游傳播。在堵塞段煤層氣密度增加，單位空間的能量增大。正壓脈沖繼續(xù)傳播，到達(dá)沉積物終點(diǎn)，然后進(jìn)入未堵塞區(qū)，由于突然膨脹和速度的降低而形成一個(gè)負(fù)壓波，該負(fù)壓波又開(kāi)始向管道上游傳播。利用設(shè)在管道入口處的壓力傳感器采集正壓波和負(fù)壓波到達(dá)的時(shí)間差，從而計(jì)算出沉積物的位置及其沿軸向的長(zhǎng)度。
以發(fā)射點(diǎn)作為原點(diǎn)，則沉積物起點(diǎn)坐標(biāo)z可由式(2)計(jì)算[11]：
 
式中x——沉積物起點(diǎn)坐標(biāo)，m
    c——正壓波或負(fù)壓波的傳播速度，m/s，這里近似認(rèn)為正壓波、負(fù)壓波的傳播速度相等[11]，取聲速360m/s
    t1——正壓波從管道入口處發(fā)射點(diǎn)到遇到沉積物起點(diǎn)后返回入口處發(fā)射點(diǎn)所用的傳播時(shí)間，s
堵塞長(zhǎng)度lb可由式(3)計(jì)算[9]：
 
式中l(wèi)b——沉積物長(zhǎng)度，m
    t2——正壓波從管道入口處發(fā)射點(diǎn)到沉積物終點(diǎn)的傳播時(shí)間與負(fù)壓波從沉積物終點(diǎn)傳播到管道入口處發(fā)射點(diǎn)所用的時(shí)間之和，s
   ② 溫度梯度定位原理
   假設(shè)待檢測(cè)的輸氣管道長(zhǎng)度為l，當(dāng)距輸氣管道入口處x0處發(fā)生堵塞后，管道壁溫度將發(fā)生突變，堵塞物上游管道壁溫度保持恒定，堵塞物下游煤層氣管道壁溫度有較大的下降。溫度梯度定位原理主要是通過(guò)靈敏度較高的溫度檢測(cè)儀表(溫度傳感器)貼緊管壁獲得管壁沿線(xiàn)的溫度，采集并處理表征輸氣管道運(yùn)行狀況的溫度數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到計(jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。為了確定堵塞位置x0，采用循環(huán)迭代的方法可以確定堵塞物位置。
    首先，對(duì)管道進(jìn)行n段劃分，對(duì)各段節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管壁溫度測(cè)試，比較得出最大的溫度梯度區(qū)段。
    然后，對(duì)最大的溫度梯度區(qū)段再進(jìn)行n段劃分，并對(duì)各段節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管壁溫度測(cè)試，比較得出最大的溫度梯度區(qū)段。
經(jīng)過(guò)m次劃分后，結(jié)合壓力脈沖定位所確定lb值，當(dāng)滿(mǎn)足式(4)條件時(shí)，該區(qū)段即為沉積物堵塞段，此時(shí)x0即可被確定。
 
式中l(wèi)——待檢測(cè)的輸氣管道長(zhǎng)度，m
    n——劃分段數(shù)
    m——劃分次數(shù)
    溫度梯度法對(duì)外界環(huán)境的要求較高，可用來(lái)輔助壓力脈沖定位法對(duì)沉積物堵塞進(jìn)行進(jìn)一步的精確定位。
4 結(jié)論
    根據(jù)煤層氣輸氣管道的微元控制體軸向受力平衡方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程等基本方程，運(yùn)用Fluent流體數(shù)值模擬軟件，對(duì)煤層氣輸氣管道存在沉積物堵塞的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。當(dāng)有沉積物存在時(shí)，管道入口和出口的壓力、溫度變化較大，根據(jù)壓力差變化可判斷其是否發(fā)生堵塞事故。根據(jù)以往學(xué)者的研究成果和此次數(shù)值模擬的結(jié)果，本文提出了壓力脈沖定位和溫度梯度定位方法相結(jié)合的沉積物定位的新方法。這種方法已應(yīng)用于重慶松藻礦區(qū)的煤層氣輸氣管道的沉積物堵塞檢測(cè)中，定位準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上。其所需硬件設(shè)備少，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單，具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 宋漢成，焦文玲，李娟娟，等.煤層氣利用與輸送的安全性[J].煤氣與熱力，2006，26(11)：8-11.
[2] 嚴(yán)銘卿，廉樂(lè)明.天然氣輸配工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.
[3] BOLK J W，WESTERTERP K R. Influence of hydrodynamics on the upper explosion limit of ethane-air-nitrogen mixtures[J].AICHE Journal，1999，45(1)：124-144.
[4] RAGULA J. New technology of the remote methane leak detector[A].International Gas Union.23rd World Gas Conference[C].Amsterdam(The Netherlands)：International Gas Union，2006.1175-1179.
[5] 張紅兵，李長(zhǎng)俊.長(zhǎng)距離輸氣管線(xiàn)泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].石油與天然氣化工，2005，34(2)：146-147.
[6] 張興梅，吳瑩，伍清嘩，等.煤氣管道萘堵塞問(wèn)題的研究[J].煤氣與熱力，1999，19(3)：23-25.
[7] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[8] 張紅兵，盧亞萍，楊毅.輸氣管道清管堵塞定位技術(shù)研究[J].天然氣技術(shù)，2008，2(1)：42-43.
[9] 孟偉.輸氣管道系統(tǒng)靜態(tài)仿真[J].煤氣與熱力，1999，19(6)：16-18.
[10] 姜東琪.高壓燃?xì)夤艿捞卣骶€(xiàn)法不穩(wěn)定流動(dòng)計(jì)算的探討[J].煤氣與熱力，2004，24(11)：600-604.
[11] 田園，謝英，袁宗明，等.利用瞬態(tài)質(zhì)量流量脈沖監(jiān)測(cè)天然氣管道堵塞[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，30(1)：154-156.
 
(本文作者：周東平 盧義玉 康勇 夏彬偉 重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院 重慶 400030)