一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测方法与流程

本发明涉及水合物位置预测，具体地说，涉及一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测方法。

背景技术：

1、co2捕集与封存(ccs)在控制二氧化碳排放和减少温室效应方面发挥着重要作用，通常地，大型ccs工程离不开co2管道集输。其中，集输管道内co2水合物的生成和沉积是影响co2输送安全的关键问题之一。水合物的生成和沉积会缩小管道内的气流通道，增大管流压降，降低输送效率，而且大量水合物的生成还会导致管道堵塞和超压破裂等重大安全事故。与天然气水合物相比，co2水合物可以在更低的压力和更高的温度下生成，因此，在相同条件下，co2管道中的水合物风险要比天然气管道更加需要重视。

2、在外界低温情况下，气体输送过程中管道沿程温度和压力将逐渐降低，当流温低于水合物相平衡温度时，管道中将有水合物生成。因此，准确预测管道中的压力、温度分布和水合物生成条件是准确预测水合物风险的关键。迄今为止，研究者们在输气管道内的温度分布预测方面做了诸多研究。早在1954年，考虑到热-传导和焦耳-汤普森效应，schorre提出了预测管道中流体温度变化的计算公式。随后，forrest、coulter、edalat和mansouri、chung、nouri-borujerdi和ziaei-rad、farzaneh-gord等人分别不同程度地对模型进行改进和完善，逐步扩展了管道内流体温度预测模型的适用范围，提高了温度预测的准确性。此外，co2水合物生成温度、压力的准确计算对于水合物风险预测同样重要。目前，水合物生成条件的热力学模型大多是在vdw-p法的基础上发展起来的。自1996年以来，bakker、wendland、yokozeki、zhang等人分别在vdw-p模型的基础上对水合物相平衡模型进行改进，建立了不同适用条件下的co2水合物相平衡计算模型。

3、管流温度、压力的预测和co2水合物相平衡条件的计算为co2集输管道内水合物风险的预测提供了有利条件，但现有的水合物风险预测主要针对天然气输送，而co2长输管道中的水合物生成位置预测方法较为缺乏。

4、因此，本发明提供了一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测方法，所述方法包含：

2、依据co2埋地管道的基础参数以及输气条件，构建管道内部流体的流动数学模型；

3、将所述co2埋地管道划分为等长多段，基于所述流动数学模型，推导相邻段之间的差分方程，其中，所述差分方程包含压力方程以及温度方程；

4、求解所述压力方程以及所述温度方程，得到co2埋地管道内压力与温度随输送距离的分布情况；

5、基于co2水合物相平衡模型，确定co2埋地管道内水合物相平衡条件随输送距离的变化曲线，结合压力与温度随输送距离的分布情况，确定co2埋地管道内水合物生成位置。

6、根据本发明的一个实施例，所述基础参数包含但不限于：co2埋地管道长度、co2埋地管道埋深、管道外土壤初始温度、co2埋地管道中内管的内径、co2埋地管道与水平面的夹角；所述输气条件包含但不限于：co2质量输送速率、co2初始输送温度、co2初始输送压力。

7、根据本发明的一个实施例，所述流动数学模型包含质量守恒方程：

8、

9、式中：为co2的质量流量，kg/s；rai为co2埋地管道中内管的内径，m；为co2的密度，kg/m3；为co2的流速，m/s；l为co2埋地管道长度，m；

10、所述流动数学模型包含能量守恒方程：

11、

12、式中：为流体至地层的传热速率，j/m；为co2的焓值，j/kg；g为重力加速度，m/s2；θ为co2埋地管道与水平面的夹角，rad；

13、所述流动数学模型包含动量守恒方程：

14、

15、式中：为co2埋地管道中co2的压力，pa；τf为co2埋地管道中的剪切应力，n。

16、根据本发明的一个实施例，将所述co2埋地管道划分为等长n段，每段长度为△l，基于所述动量守恒方程，推导得到所述压力方程：

17、

18、式中：分别为某段埋地管道的出口端压力、进口端压力，pa；分别为某段埋地管道的出口端co2密度、进口端co2密度，kg/m3；分别为某段埋地管道的出口端co2流速、进口端co2流速，m/s；

19、将所述co2埋地管道划分为等长n段，每段长度为△l，基于所述能量守恒方程，推导得到所述温度方程：

20、

21、式中：为某段埋地管道的出口端温度，k；分别为某段埋地管道的出口端热损失率、进口端热损失率，w/m；分别为某段埋地管道的出口端co2焓值、进口端co2焓值，j/kg。

22、根据本发明的一个实施例，通过以下步骤确定热损失率：

23、基于co2埋地管道中内管、绝缘层、保护层的外径以及co2埋地管道中内管、保温材料、保护材料的导热系数，通过总传热系数表达式，计算得到总传热系数；

24、联立co2流体到管道外壁的传热速率表达式、所述总传热系数表达式、co2埋地管道到地层的传热速率表达式，计算得到co2埋地管道的外壁温度；

25、将所述外壁温度带入co2流体到管道外壁的传热速率表达式，计算得到热损失率。

26、根据本发明的一个实施例，通过以下步骤得到co2埋地管道内压力与温度随输送距离的分布情况：

27、基于co2初始输送温度以及co2初始输送压力，通过所述压力方程计算得到第一段埋地管道的出口端压力，通过所述温度方程计算得到第一段埋地管道的出口端温度；

28、将第一段埋地管道的出口端压力以及第一段埋地管道的出口端温度作为第二段埋地管道的进口端压力以及第二段埋地管道的进口端温度，通过所述压力方程计算得到第二段埋地管道的出口端压力，通过所述温度方程计算得到第二段埋地管道的出口端温度；

29、将第二段埋地管道的出口端压力以及第二段埋地管道的出口端温度作为第三段埋地管道的进口端压力以及第三段埋地管道的进口端温度，通过所述压力方程计算得到第三段埋地管道的出口端压力，通过所述温度方程计算得到第三段埋地管道的出口端温度；

30、依次类推，将第n-1段埋地管道的出口端压力以及第n-1段埋地管道的出口端温度作为第n段埋地管道的进口端压力以及第n段埋地管道的进口端温度，通过所述压力方程计算得到第n段埋地管道的出口端压力，通过所述温度方程计算得到第n段埋地管道的出口端温度。

31、根据本发明的一个实施例，通过以下步骤确定co2埋地管道内水合物相平衡条件随输送距离的变化曲线：

32、确定当水合物相与水相达到平衡时，水相和水合物中水的化学势相，得到化学势相表达式；

33、确定填充和空水合物晶格之间的化学电位差，得到化学电位差表达式；

34、确定液态水或冰与空水合物晶格之间的化学势差，得到化学势差表达式；

35、联立所述化学势相表达式、所述化学电位差表达式以及所述化学势差表达式，得到co2水合物的相平衡压力和相平衡温度，以确定co2埋地管道内水合物相平衡条件随输送距离的变化曲线。

36、根据本发明的一个实施例，通过以下步骤预测co2埋地管道内水合物生成位置：

37、依据co2埋地管道内温度随输送距离的分布情况、co2埋地管道内水合物相平衡条件随输送距离的变化曲线，确定水合物生成区域；

38、基于水合物生成速率与过冷度的关系，将co2埋地管道内温度与水合物相平衡温度相差最大的点，标记为最大水合物风险点。

39、根据本发明的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。

40、根据本发明的另一个方面，还提供了一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测装置，执行如上任一项所述的方法，所述装置包含：

41、流动数学模型模块，其用于依据co2埋地管道的基础参数以及输气条件，构建管道内部流体的流动数学模型；

42、差分方程模块，其用于将所述co2埋地管道划分为等长多段，基于所述流动数学模型，推导相邻段之间的差分方程，其中，所述差分方程包含压力方程以及温度方程；

43、温压分布情况模块，其用于求解所述压力方程以及所述温度方程，得到co2埋地管道内压力与温度随输送距离的分布情况；

44、水合物生成位置预测模块，其用于基于co2水合物相平衡模型，确定co2埋地管道内水合物相平衡条件随输送距离的变化曲线，结合压力与温度随输送距离的分布情况，确定co2埋地管道内水合物生成位置。

45、本发明提供的一种二氧化碳埋地管道内水合物生成位置预测方法，相比较于现有技术，具备以下优势：

46、1、本发明用于co2气态输送条件下埋地管道中的水合物生成风险预测，可以准确预测和有效预防co2输送管道中的水合物风险。

47、2、本发明用于预测co2输送管道内的温度和压力分布，可以得到不同输气条件(输气量、输气温度、输气压力)下co2管道内的温度和压力分布。

48、3、本发明通过结合水合物相平衡曲线可以确定管道内的水合物生成位置或生成区域，有利于制定针对性的水合物预防措施。

49、4、本发明可以得到不同输送条件下管道沿线的水合物过冷度分布，从而判断管道沿线的水合物生成趋势，确定最大水合物风险点。

50、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。