CN116484291A - 基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法 - Google Patents

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谢振强
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Abstract

本发明涉及一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，包括如下步骤：收集海底输气管道的各项参数；对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。

Description

基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法
技术领域
本发明涉及一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，属于海洋天然气开发技术领域。
背景技术
海底管道对海洋油气资源的开发和输运具有非常重要的作用，海底天然气管道在运行过程中，随着管道运行工况和输送介质流体组成的变化，很有可能产生堵塞。如输送的天然气介质中含水时，容易在海底管道内部高压低温的条件下生成水合物而堵塞管道。管道堵塞不仅增加油气开采过程的风险，严重影响生产，造成巨大经济损失，还会威胁人员安全。管道堵塞判别对及时发现和解除管道运行风险，保障管道流动安全、维护能源安全有重要意义。
目前常见的管道堵塞判别方法有：(1)压力波法，其通过在管道内人为制造压力波，进而收集并分析回弹的压力波响应信号，获得管道堵塞信息。该方法的缺点是实施过程需要暂停管道运行，且定位精度低。(2)声波法，其通过声波在管道中遇到障碍物反射得到的声学响应信号来判断堵塞。该方法的缺点是易受环境噪声影响，堵塞信号特征提取困难，且声波衰减较快，难以适用于长距离管道。
现有技术之一提出一种基于精细复合多尺度散布熵和高斯混合隐马尔可夫模型的管道堵塞声纹识别模型，其通过单参数双门限端点检测算法对声压信号提取识别，将声纹识别思想应用到管道声压信号处理。该方法目前尚处于实验阶段，未见其有工程应用。
现有技术之二提出一种基于局部均值分解的分量信号特征提取结合支持向量机的堵塞识别方法。但该方法尚不成熟，所用识别指标不够明显，辨识准确度不高。
陆地输气管道的堵塞监测和判别可通过在管道沿线多布置传感器以及人工巡检等方法实现，对堵塞的判断和定位相对容易。但海底输气管道受海底环境和技术等条件的限制，监测和传感器集中位于井口和平台(管道的入口和出口)，管道沿线一般不设置传感器，人工巡检也难以实现，因此，海底天然气管道堵塞的判别具有特殊性和难度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，该方法通过对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及数学运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置的判别的计算模型。本发明的判别方法可适用于海底长距离输气管道堵塞的判别，具有计算简便、定位快速、通用性强、不需暂停生产等优点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，包括如下步骤：
收集海底输气管道的各项参数；
对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；
判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；
在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。
所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，优选地，计算模型的建立基于如下假设条件：
假设海底输气管道输送的天然气中体积含水率不大于5％，管道中的流型为环雾状流；
假定海底输气管道的压降等于其沿程压降，忽略管道高程差和管件引起的局部压降；
假定海底输气管道在产生不完全堵塞的过程中，介质流体的体积流量不变。
所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，优选地，堵塞程度因子的计算公式如下：
式中，pQ、pZ分别为未堵塞状态下的海底管道的起点压力、终点压力；pDQ、pDZ分别为当前待判断条件下的海底管道的起点压力、终点压力。
所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，优选地，计算堵塞在管线上发生的位置xL，具体公式如下：
式中，L为管线总长度。
所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，优选地，判断堵塞程度因子值是否大于1.2；当该值小于1.2时，则认为管道未发生堵塞，当该值大于等于1.2时，则认为管道即将有堵塞发生。
本发明第二方面提供一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别装置，包括：
第一处理单元，用于收集海底输气管道的各项参数；
第二处理单元，用于对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
第三处理单元，用于在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；
第四处理单元，用于判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；
第五处理单元，用于在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明的判别方法通过对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及数学运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置的判别的计算模型，通过计算模型判别堵塞位置。
2、本发明的判别方法对海底天然气管道堵塞判别所需的计算参数较少，计算简便，有利于现场操作人员对管道堵塞做出较为快速和准确的预判，从而提高管道运行安全性和效率。
3、本发明对海底天然气管道堵塞判别通过管道进出口已有的管线设备即可实现，无需添加额外的检测设备。判别方法可适用于海底长距离输气管道堵塞的判别，具有计算简便、定位快速、通用性强、不需暂停生产等优点。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法流程图；
图2是本发明该实施例提供的堵塞管段等效替代示意图；
图3是本发明该实施例提供的堵塞定位示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了克服现有管道堵塞判别方法中存在的定位精度低、特征提取困难、工艺不成熟、难以适用于海底特殊工况等缺点，本发明提出一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其通过对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及数学运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置的判别的计算模型。本发明可适用于海底长距离输气管道堵塞的判别，具有计算简便、定位快速、通用性强、不需暂停生产等优点。
下面结合具体计算过程以及应用实例对本发明的技术方案进行详细阐释。
本发明涉及一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤1：收集海底输气管道的各项参数。
步骤2：对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
计算模型的建立是基于对海底输气管道进行的如下假设：
假设一，假设海底管道输送的天然气中体积含水率不大于5％，管道中的流型为环雾状流；
假设二，假定海底管道的压降等于其沿程压降，忽略管道高程差和管件引起的局部压降；
假设三，假定海底管道在产生不完全堵塞的过程中，介质流体的体积流量不变。
步骤3：在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下的海底管道的起点压力pQ、终点压力pZ，当前待判断条件下的海底管道的起点压力pDQ、终点压力pDZ，根据下式计算堵塞程度因子σ：
步骤4：判断堵塞程度因子值是否大于1.2；若该值小于1.2，则可认为管道未发生堵塞，若该值大于等于1.2，则认为管道即将有堵塞发生。
步骤5：输入管线总长度L，并根据下式计算堵塞在管线上发生的位置xL。
下面结合具体工作原理对本发明的计算方法进行详细说明。
对于海底输气管道，根据经典的伯努利方程，其压降主要由沿程摩阻、高程差产生的压差和阀门、弯管等管件造成的局部摩阻损失几部分组成，如下式所示：
式中，dp为微元管道进出口压差，ρ为管道当前温度压力下管内流体的密度，λ为管道沿程摩阻系数，dx为微元段管道长度，D为管道内径，w为管内流体的流速，g为重力加速度，ds为微元段管道高程差。dw为微元段流速。
其中，等式右边第一项为沿程摩阻，第二项为高程差产生的压差，第三项为局部摩阻损失。海底输气管道在垂直方向上的高程差一般小于200m，同时，海底输气管道连接平台的立管高度不超过2000m，由于气体密度较小，立管中气柱高程产生的压差较小(不超过0.025MPa)，可以忽略；海底管道弯管、阀门等产生局部压降的管件也较少，因此可以忽略局部压降，近似认为输气管道压降等于管道沿程压降。
管道压力沿管道长度变化的水力坡降线方程形式较为复杂，为方便数学形式的变换和计算，对压力进行平方，根据《输气管道设计与管理(第二版)》，输气管线沿线压力分布的管路特性方程如下式所示：
其中，pQ为管道起点压力，pZ为管道终点压力，L为管道总长度，Q为输气的体积流量，特性系数C可按下式计算：
其中，λ为管道沿程摩阻系数，Z为管输气体压缩因子，Δ为管输气体相对密度，T为温度，C0为经验常数，其值为0.03843，D为管道内径。
输气管道中出现沉积物堵塞会导致管道流动横截面积减小，对于管中出现的不完全堵塞情况，可将其等效为比未堵塞管道内径更小直径的缩颈管与原管道进行串联，如图2所示。此时的输气管路特性方程变为：
其中，C1为未堵塞管段的管路特性系数，C2为堵塞段的管路特性系数，x为堵塞段长度。为方便后续数学计算与推导，可将堵塞所产生的摩阻等效为与原管道等径长度更长的管道L'，即：
C1(L-x)+C2x＝CL' (5)
管道的堵塞程度指管道堵塞后和堵塞前流通横截面积的比值，可用堵塞程度因子σ进行表征，为方便后续计算与推导，将堵塞程度因子定义为堵塞后管道长度与原管道长度的比值，即：
联合式(2)-(6)可得：
根据石油工业工程经验，输气管道可接受的正常局部阻力可等效为管长的5％-10％，此处认为当局部阻力大于管长的20％，即堵塞程度因子取值1.2即表示管道中开始产生堵塞，需要采取措施进行解堵。
确定海底输气管道中有堵塞后，需要对堵塞进行定位，可利用堵塞前后压力平方随管道长度变化曲线的交点判断堵塞位置。如图2所示，堵塞前后两个输气管路特性曲线的交点即为堵塞位置。堵塞的发生的位置xL可通过联立堵塞前后两个输气管路特性方程计算得到：
本发明第二方面提供一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别装置，包括：
第一处理单元，用于收集海底输气管道的各项参数；
第二处理单元，用于对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
第三处理单元，用于在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；
第四处理单元，用于判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；
第五处理单元，用于在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。
本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
收集海底输气管道的各项参数；
对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；
判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；
在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。
2.根据权利要求1所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于，计算模型的建立基于如下假设条件：
假设海底输气管道输送的天然气中体积含水率不大于5％，管道中的流型为环雾状流；
假定海底输气管道的压降等于其沿程压降，忽略高程差和管件引起的局部压降；
假定海底输气管道在产生不完全堵塞的过程中，介质流体的体积流量不变。
3.根据权利要求1所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于，堵塞程度因子的计算公式如下：
式中，pQ、pZ分别为未堵塞状态下的海底管道的起点压力、终点压力；pDQ、pDZ分别为当前待判断条件下的海底管道的起点压力、终点压力。
4.根据权利要求1所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于，计算堵塞在管线上发生的位置xL，具体公式如下：
式中，L为管线总长度。
5.根据权利要求1所述的基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法，其特征在于，判断堵塞程度因子值是否大于1.2；当该值小于1.2时，则认为管道未发生堵塞，当该值大于等于1.2时，则认为管道即将有堵塞发生。
6.一种基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别装置，其特征在于，包括：
第一处理单元，用于收集海底输气管道的各项参数；
第二处理单元，用于对海底输气管道堵塞前后压力坡降线方程进行联合及运算，获得对海底输气管道堵塞程度和堵塞位置进行判别的计算模型；
第三处理单元，用于在计算模型中，从各项参数中选择输入未堵塞状态下海底输气管道的起点压力、终点压力以及当前待判断条件下的海底输气管道的起点压力、终点压力，计算堵塞程度因子；
第四处理单元，用于判断堵塞程度因子值是否大于某一定值；当小于该定值时，则认为管道未发生堵塞，当大于等于该定值时，则认为管道即将有堵塞发生；
第五处理单元，用于在计算模型中，输入管线总长度，计算堵塞在管线上发生的位置。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5任意一项所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任意一项所述基于压力坡降的海底天然气管道堵塞判别方法的步骤。
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