煤层气输气管道内沉积物定位检测方法研究_工程实践

摘要

摘要：针对煤层气输气管道中沉积物的问题，利用Fluent系列软件，模拟了煤层气管道内沉积物附近的压力分布和温度分布。描述了沉积物堵塞事故的判断方法、压力脉冲定位原理、温度梯

摘要：针对煤层气输气管道中沉积物的问题，利用Fluent系列软件，模拟了煤层气管道内沉积物附近的压力分布和温度分布。描述了沉积物堵塞事故的判断方法、压力脉冲定位原理、温度梯度定位原理。提出了以压力脉冲定位为主、以温度梯度定位为辅的沉积物定位手段。

关键词：煤层气；输气管道；沉积物；定位检测；压力脉冲定位；温度梯度定位

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

煤层气的开发和利用得到国家的特别重视，大型油气田和煤层气开发被2005年国务院颁发的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》(国发[2005]44号)列为16个重大专项之一。煤层气作为煤层的伴生资源，是一种清洁的能源。井下抽放回收的煤层气中甲烷的体积分数为30%～50%，而地面抽放回收的煤层气中甲烷的体积分数超过90%。它不仅环境性能好，而且作为燃料热效率高。煤层气燃烧灰尘排放量为燃煤的0.68%，SO₂排放量为燃煤的0.14%，CO₂排放量为燃煤的60%。煤层气是常规天然气最现实可靠的补充或替代能源，可以为工业和民用提供能源^[1、2]。煤层气在管道输送中由于煤层气中混有杂质，往往在管壁形成沉积，会造成煤层气管道堵塞，从而影响煤层气输配和应用系统的正常运行。虽然抑制剂的使用能够在一定程度上减少部分沉积物的形成，但是不能完全消除其形成和沉积。很多煤层气公司都需要对管道堵塞物进行清除，但是在清除堵塞物之前，应确定煤层气管道发生严重堵塞的部位，否则清除工作不能顺利进行，而且造成人力、财力的浪费^[3～6]。目前，管道堵塞位置检测技术主要有钻孔法、敲击法、应力应变测试法等。这些方法都需要沿管道不断地测试管道变形程度或钻孔观察流体状态，工作量大，耗时较长，操作费用高。

本文利用Fluent系列软件，针对有沉积物堵塞的架空煤层气管道内的流场进行研究^[7]。利用被沉积物堵塞的管道上下游煤层气压力突变和管壁温度梯度大的特点来确定煤层气管道中的堵塞位置以及沉积物长度，为正确地制定清管操作方案提供依据。

2 数值模拟

应用煤层气流动基本方程^[8～10]：轴向受力平衡方程、能量守恒方程、质量守恒方程，加之起点的温度、压力等边界条件(根据具体的输气管道起点的温度和压力情况确定)，运用Fluent软件对有沉积物存在时的某架空煤层气输送管道进行数值模拟研究。计算出管道上任意一点的压力、密度、流速等参数的值。

研究模型采用二维四边形网格结构模型，模拟的输气管道直径与长度之比为1:6，沉积物在三方向的高度与管径之比为3:10，煤层气输气管道的竖直轴截面处在xOz平面内，x轴与下管壁重合，原点取在模拟段下管壁的中心位置上，见图1，用三角形模拟沉积物。

计算结果表明，煤层气流过沉积物前后，管道内煤层气压力从185kPa变为40kPa，煤层气压力有较大幅度的下降。同时，管壁沿线的温度有较大的变化：沉积物附近有较大的温度梯度，沉积物上游管壁温度明显高于下游管壁温度。

3 沉积物堵塞定位原理

3.1 沉积物堵塞事故判断

根据对有沉积物存在时的煤层气输气管道进行的数值模拟研究结果，可以做出如下判断^[8]：

假设煤层气在管道中正常输运时，全线的压力降主要是由管壁的摩擦引起的，其压力曲线见图2的粗实线，此时压力基本上保持均匀下降，其两端的压力差用△p₁来表示。

当x₀处发生输气管堵塞事故后，沉积物上游压力上升，流速变缓，而沉积物下游的煤层气由于能量损失导致压力下降，其压力曲线见图2的粗点划线，其首末两端的压力差用△p₂来表示。

将上述两个压差相比较，如果满足式(1)，即当沉积物阻力所产生的压力降大于等于△p时，则可判断为输气管道发生了堵塞事故。

△p₂-△p₁≥△p (1)

式中△p₂——管壁摩擦阻力与沉积物阻力共同作用产生的压力降，Pa

△p₁——管壁摩擦阻力产生的压力降，Pa

△p——预先设定的沉积物阻力产生的压力降，Pa

另外，煤层气在管道中正常输运时，全线的温度应该基本保持恒定，而当发生输气管道堵塞事故后，堵塞点前后管道壁的温度有个明显的变化过程，根据这一原理可以进一步判断是否发生了管道堵塞。

3.2 沉积物堵塞定位原理

① 压力脉冲定位原理

在煤层气输送工程中，直线管道的输送占绝大多数，由于距离长，因此直线段是沉积物堵塞定位的难点位置。利用压力脉冲定位原理对输运管道的直线段进行检测时，在管道入口处人为发送一个质量流量脉冲(正压波)，该脉冲必然增加入口处煤层气的能量(包括动能和势能)。当其到达管道的沉积物起点，流动受阻，则动能降低、势能增加，导致该处压力升高，脉冲以正压波的形式向管道上游传播。与此同时，由于管道并没有完全堵塞，则该质量流量脉冲通过沉积物继续向管道下游传播。在堵塞段煤层气密度增加，单位空间的能量增大。正压脉冲继续传播，到达沉积物终点，然后进入未堵塞区，由于突然膨胀和速度的降低而形成一个负压波，该负压波又开始向管道上游传播。利用设在管道入口处的压力传感器采集正压波和负压波到达的时间差，从而计算出沉积物的位置及其沿轴向的长度。

以发射点作为原点，则沉积物起点坐标z可由式(2)计算^[11]：

式中x——沉积物起点坐标，m

c——正压波或负压波的传播速度，m/s，这里近似认为正压波、负压波的传播速度相等^[11]，取声速360m/s

t₁——正压波从管道入口处发射点到遇到沉积物起点后返回入口处发射点所用的传播时间，s

堵塞长度l_b可由式(3)计算^[9]：

式中l_b——沉积物长度，m

t₂——正压波从管道入口处发射点到沉积物终点的传播时间与负压波从沉积物终点传播到管道入口处发射点所用的时间之和，s

② 温度梯度定位原理

假设待检测的输气管道长度为l，当距输气管道入口处x₀处发生堵塞后，管道壁温度将发生突变，堵塞物上游管道壁温度保持恒定，堵塞物下游煤层气管道壁温度有较大的下降。温度梯度定位原理主要是通过灵敏度较高的温度检测仪表(温度传感器)贴紧管壁获得管壁沿线的温度，采集并处理表征输气管道运行状况的温度数据，将采集数据通过通信网络传送到计算机上，通过计算机对现场采集数据进行分析处理。为了确定堵塞位置x₀，采用循环迭代的方法可以确定堵塞物位置。

首先，对管道进行n段划分，对各段节点进行管壁温度测试，比较得出最大的温度梯度区段。

然后，对最大的温度梯度区段再进行n段划分，并对各段节点进行管壁温度测试，比较得出最大的温度梯度区段。

经过m次划分后，结合压力脉冲定位所确定l_b值，当满足式(4)条件时，该区段即为沉积物堵塞段，此时x₀即可被确定。

式中l——待检测的输气管道长度，m

n——划分段数

m——划分次数

温度梯度法对外界环境的要求较高，可用来辅助压力脉冲定位法对沉积物堵塞进行进一步的精确定位。

4 结论

根据煤层气输气管道的微元控制体轴向受力平衡方程、质量守恒方程和能量守恒方程等基本方程，运用Fluent流体数值模拟软件，对煤层气输气管道存在沉积物堵塞的情况进行了数值模拟。当有沉积物存在时，管道入口和出口的压力、温度变化较大，根据压力差变化可判断其是否发生堵塞事故。根据以往学者的研究成果和此次数值模拟的结果，本文提出了压力脉冲定位和温度梯度定位方法相结合的沉积物定位的新方法。这种方法已应用于重庆松藻矿区的煤层气输气管道的沉积物堵塞检测中，定位准确率达到80%以上。其所需硬件设备少，检测过程简单，具有很好的应用前景。

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(本文作者：周东平卢义玉康勇夏彬伟重庆大学资源及环境科学学院重庆 400030)