CN113251314A - 一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置及方法，该装置包括：动压测量组件：连接在待置换管道的放散管上，用以在天然气放散过程中通过与其连接的压力传感器现场测量放散管内的速度动压和管道内的全压；无线远传组件：与压力传感器连接，用以将压力数据发送给数据采集仪；电源管理组件：用以为压力传感器和无线远传组件供电；数据采集仪及仿真机：用以接收现场采集的压力数据，并构建仿真模型进行仿真，得到放散时间段的天然气放散总量。与现有技术相比，本发明具有结合现场实测与流体仿真技术、便捷准确、考虑全面等优点。

Description

一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置及方法
技术领域
本发明涉及燃气管道施工监测领域，尤其是涉及一种结合流体仿真与现场实测的燃气管道施工过程天然气放散量监测装置及方法。
背景技术
在天然气管道施工完毕、即将接通天然气之前，必须进行置换(或称为“放散”)工序，将管道内残留的空气或者天然气-空气混合物释放到大气中，防止用户使用的天然气中含有空气，一旦天然气-空气混合物进入到用户的燃烧设备，将导致爆炸等严重事故。
目前施工完毕后的操作流程，如图3所示。在下游侧安装放散管，通常采用DN50的短管，缓慢开启上游的阀门V1，对闸阀，一般是阀芯总升程的1/4。此时，上游天然气以较高压力快速进入到待置换管道，首先与管道内的空气混合，同时向下游的放散口流动，施工人员根据经验，在放散口用取样袋取样，用便携式甲烷检测仪检测甲烷浓度；当甲烷浓度达到85％后，每间隔1分钟，取样检测一次，直到三次检测的甲烷浓度均超过85％，则认为管道内的空气和空气-天然气混合物已全部为天然气取代。关闭上游阀门，置换工序结束。
现阶段，国内对于这种置换工序，主要关心点是置换工作的彻底和完善，而在此过程中，对放散到大气中的天然气量(甲烷量)缺乏必要的关注。这部分放散的天然气直接导致了燃气公司未计量的供销差，同时释放天然气中的甲烷是二氧化碳温室效应的20多倍，直接造成环境污染，准确监测这一过程的天然气放散量，对于燃气公司的经营和环保都非常重要。
在置换、放散过程中，管道内的气体组分是快速变化的。理论上，根据管道的实际物理参数和上游管道的压力，通过流体仿真可得到放散管处的动态组分和速度，直接确定放散总量中的天然气占比，但是，因为上游管道的压力是随着与之相连管道的使用情况而变化的，而且待置换管道的摩擦阻力也会产生影响，单纯的仿真计算无法给出可信的结果。
目前的施工过程中，仅依靠甲烷浓度测量的经验做法保证待置换管道中不存在大量空气，并不计量施工过程中的天然气放散量，若使用流量仪表直接测量的话，得到的是混合气体流量而无法区分天然气的占比，而单纯依靠流体仿真计算，则无法获得管道上游的实际压力，会造成很大的误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合流体仿真与现场实测的燃气管道施工过程天然气放散量监测装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，用以获取放散时间段的天然气放散总量，该装置包括：
动压测量组件：连接在待置换管道的放散管上，用以在天然气放散过程中通过与其连接的压力传感器现场测量放散管内的速度动压和管道内的全压；
无线远传组件：与压力传感器连接，用以将压力数据发送给数据采集仪；
电源管理组件：用以为压力传感器和无线远传组件供电；
数据采集仪及仿真机：用以接收现场采集的压力数据，并构建仿真模型进行仿真，得到放散时间段的天然气放散总量。
所述的压力传感器、无线远传组件和电源管理组件均设置在一盒体中。
所述的动压测量组件包括设置在放散管内的全压测量管以及与放散管内壁连通的静压测量管，所述的全压测量管和静压测量管分别通过柔性管与压力传感器连接，并且在静压测量管与压力传感器连接的柔性管处设置转换开关，所述的转换开关控制压力传感器进而测量速度动压或管道内的全压数据。
所述的压力传感器设有两个压力接口，其中一个压力接口与全压测量管连通，另一个压力接口通过转换开关与静压测量管连通。
所述的无线远传组件包括依次连接的检测模块、通讯模块和天线，所述的检测模块与压力传感器连接，所述的天线与数据采集仪无线通信。
所述的电源管理组件包括电源开关、可充电电池和充电接口，所述的电源开关和充电接口分别设置在盒体侧面，且分别与可充电电池连接。
一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置的检测方法，包括以下步骤：
101)接通电源对电源管理组件充电，并将动压测试装置连接在待置换管道的放散管段上，开启电源管理组件；
102)开启放散管上游的阀门V1后进行置换工序，在置换操作中，全压测量管检测放散管内的速度动压，并通过无线远传组件发送给数据采集仪；
103)完成置换操作后，关闭放散管下游的阀门V2，此时，控制转换开关状态切换为连通大气，并记录的此时的压力P1，即管道内的全压；
104)关闭放散管上游的阀门V1，关闭电源管理组件的开关后拆下装置；
105)仿真机从数据采集仪获取速度动压信号随时间的变化曲线P(t)；
106)在仿真机中根据现场的管道数据建立仿真模型；
107)设置仿真模型的动态仿真参数；
108)在仿真模型中，设置上游进口为全压进口，其压力值为测得的压力P1，开始动态仿真，得到随着时间变化的放散管动压曲线PC(t)；
109)改变上游进口的全压，直至仿真得到的随着时间变化的放散管动压曲线PC(t)与数据采集仪获取速度动压信号随时间的变化曲线P(t)完全吻合；
110)通过仿真模型，输出放散管的瞬时出流组分和速度曲线，并计算获得放散时间段的天然气放散总量。
所述的步骤106中)，现场的管道数据包括待置换管道的走向、直径、长度以及放散管的直径。
所述的步骤107中)，动态仿真参数包括天然气组分、上游阀门开度以及管道壁面摩擦系数。
所述的步骤110中)，根据瞬时出流组分和速度曲线进行积分计算得到放散时间段的天然气放散总量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明在动压测量组件上设置了转换开关，开关连通“静压管”时，压力传感器测得的是放散管内的瞬时动压，放散结束，开关连通“大气压”，压力传感器测得的是管道内的全压，可作为仿真计算的依据。
二、由动压测量组件记录了整个置换过程中的瞬时动压变化曲线，而流体仿真软件可以间接确定准确的上游压力条件，二者的结合可以保证仿真的结果与实测完全一致，由此可以保证仿真得到的放散管内混合物的瞬时组分足够准确。
三、本发明设置无线远传装置，使得传统的施工过程不受任何影响，因此本阀门能够利用测试的动压曲线与仿真的动压曲线进行比较。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的方法流程图。
图3为天然气管道置换工艺示意图。
图中标记说明：
1、动压测量组件，2、压力传感器，3、无线远传组件，4、电源管理组件，1-1、全压测量管，1-2、静压测量管，1-3、转换开关，3-1、检测模块，3-2、通讯模块，3-3、天线，4-1、电源开关，4-2、可充电电池，4-3、充电接口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明将流体仿真技术与现场实测相结合，既能通过实测明确给出管道压力，又可以根据实测结果验证仿真得到的流速和动压等数据。具有便于操作、远程记录等优点，可准确给出每次置换过程的天然气放散量。
如图1所示，本发明提供一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，该装置由四部分组成，包括动压测量组件1、压力传感器2、无线远传组件3和电源管理组件4。
动压测量组件1包括全压测量管1-1、静压测量管1-2和转换开关1-3。
压力传感器2包括感压元件、芯片、配套电路和两个压力接口，可测量两个压力的差值并转换为电压、电流或数字信号。
无线远传装置3包括检测模块3-1、通讯模块3-2和天线3-3，用以将检测到的压差信号传输到指定的接收设备上。
电源管理组件4，包括电源开关4-1、可充电电池4-2、充电接口4-3。
压力传感器2、全压测量管1-1、静压测量管1-2以及转换开关1-3用高强度柔性管连接。
动压测量组件1安装在与放散管相同直径的管道内，压力传感器2和无线远传模块3、电源管理模块4安装在一个盒子中，管道与盒子之间用支架固定为一体，最大限度地满足施工人员的使用便利要求。
本发明还包括带有用于模拟置换过程的流体力学软件(本例中使用PipelineStudio软件)的电脑，在软件中设置与现场管道相同的物理参数进行模拟仿真，设置的仿真输入参数包括：上游管道的天然气组分、上游管道的压力、管道的走向与直径、各段长度、温度等。
在一定的上游压力输入参数下，通过仿真得到放散管道处的速度、组分等随着时间变化的具体参数值。
如图2所示，本发明提供一种基于燃气管道施工过程天然气放散量监测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤101：在使用现场监测装置之前，接通电源对电源管理组件的电池充电；使用现场监测装置时，首先将动压测试装置连接在待置换管道的放散管段上，打开电源管理组件的开关，无线远传组件开始检测放散管内的动压，并远传到指定数据采集仪上；
步骤102：施工人员开启上游管道的阀门V1，压力传感器感知到放散管内的速度动压，远传到指定数据采集仪，期间，施工人员不需进行其他操作，按照置换步骤进行即可；
步骤103：施工人员完成置换操作后，关闭放散管下游的阀门V2，将现场监测装置上的转换开关切换为“连通大气”，此时记录的压力P1也远传到数据采集仪；
步骤104：关闭上游阀门V1，关闭本阀门的现场监测装置上的转换开关，拆下该装置；
步骤105：从数据采集仪上得到动压信号随时间的变化曲线P(t)。
步骤106：在流体仿真软件中，根据现场的管道走向、直径、长度、放散管直径等，建立仿真模型；
步骤107：在仿真模型中，设置天然气组分、上游阀门开度、管道壁面摩擦系数；
步骤108：在仿真模型中，设置上游进口为全压进口，压力值为测得的压力P1，开始动态计算，得到一个随着时间变化的放散管动压曲线PC(t)，并且与实测的动压曲线P(t)进行对比。
步骤109：在仿真模型中，改变上游进口的全压，直到获得的仿真动压曲线与测试的动压曲线完全吻合；
步骤110：在仿真模型中，输出放散管的瞬时出流组分和速度曲线，并据此计算获得放散时间段的天然气放散总量。
本发明提供一套现场监测装置以及对应的监测方法，可以通过仿真模型的计算条件设置，获得放散管中的瞬时流速和动压，与现场实测动压曲线的对比，能够准确地给出管道内的实际压力，本方法与仅考虑仿真计算的方法相比，不仅考虑了实际管道的壁面摩擦阻力和实际的管道压力，而且利用测得的动压曲线和仿真得到的速度，可以还原放散管内流动气体混合物的瞬时组分，从而准确地计算放散管中的天然气瞬时流量，通过累加获得每次置换施工的天然气放散量。

Claims (10)

1.一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，用以获取放散时间段的天然气放散总量，其特征在于，该装置包括：
动压测量组件(1)：连接在待置换管道的放散管上，用以在天然气放散过程中通过与其连接的压力传感器(2)现场测量放散管内的速度动压和管道内的全压；
无线远传组件(3)：与压力传感器(2)连接，用以将压力数据发送给数据采集仪；
电源管理组件(4)：用以为压力传感器(2)和无线远传组件(3)供电；
数据采集仪及仿真机：用以接收现场采集的压力数据，并构建仿真模型进行仿真，得到放散时间段的天然气放散总量。
2.根据权利要求1所述的一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，其特征在于，所述的压力传感器(2)、无线远传组件(3)和电源管理组件(4)均设置在一盒体中。
3.根据权利要求1所述的一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，其特征在于，所述的动压测量组件(1)包括设置在放散管内的全压测量管(1-1)以及与放散管内壁连通的静压测量管(1-2)，所述的全压测量管(1-1)和静压测量管(1-2)分别通过柔性管与压力传感器(2)连接，并且在静压测量管(1-2)与压力传感器(2)连接的柔性管处设置转换开关(1-3)，所述的转换开关(1-3)控制压力传感器(2)进而测量速度动压或管道内的全压数据。
4.根据权利要求3所述的一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，其特征在于，所述的压力传感器(2)设有两个压力接口，其中一个压力接口与全压测量管(1-1)连通，另一个压力接口通过转换开关(1-3)与静压测量管(1-2)连通。
5.根据权利要求1所述的一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，其特征在于，所述的无线远传组件(3)包括依次连接的检测模块(3-1)、通讯模块(3-2)和天线(3-3)，所述的检测模块(3-1)与压力传感器(2)连接，所述的天线(3-3)与数据采集仪无线通信。
6.根据权利要求2所述的一种燃气管道施工过程天然气放散量监测装置，其特征在于，所述的电源管理组件(4)包括电源开关(4-1)、可充电电池(4-2)和充电接口(4-3)，所述的电源开关(4-1)和充电接口(4-3)分别设置在盒体侧面，且分别与可充电电池(4-2)连接。
7.一种应用如权利要求1-6任一项所述的燃气管道施工过程天然气放散量监测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
101)接通电源对电源管理组件充电，并将动压测试装置连接在待置换管道的放散管段上，开启电源管理组件；
102)开启放散管上游的阀门V1后进行置换工序，在置换操作中，全压测量管检测放散管内的速度动压，并通过无线远传组件发送给数据采集仪；
103)完成置换操作后，关闭放散管下游的阀门V2，此时，控制转换开关状态切换为连通大气，并记录的此时的压力P1，即管道内的全压；
104)关闭放散管上游的阀门V1，关闭电源管理组件的开关后拆下装置；
105)仿真机从数据采集仪获取速度动压信号随时间的变化曲线P(t)；
106)在仿真机中根据现场的管道数据建立仿真模型；
107)设置仿真模型的动态仿真参数；
108)在仿真模型中，设置上游进口为全压进口，其压力值为测得的压力P1，开始动态仿真，得到随着时间变化的放散管动压曲线PC(t)；
109)改变上游进口的全压，直至仿真得到的随着时间变化的放散管动压曲线PC(t)与数据采集仪获取速度动压信号随时间的变化曲线P(t)完全吻合；
110)通过仿真模型，输出放散管的瞬时出流组分和速度曲线，并计算获得放散时间段的天然气放散总量。
8.根据权利要求7所述的一种检测方法，其特征在于，所述的步骤106中)，现场的管道数据包括待置换管道的走向、直径、长度以及放散管的直径。
9.根据权利要求7所述的一种检测方法，其特征在于，所述的步骤107中)，动态仿真参数包括天然气组分、上游阀门开度以及管道壁面摩擦系数。
10.根据权利要求7所述的一种检测方法，其特征在于，所述的步骤110中)，根据瞬时出流组分和速度曲线进行积分计算得到放散时间段的天然气放散总量。
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