王曉橋 溫芝香 王泉生 夏鋒社 欒建雄
(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗所;2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)
地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)*
王曉橋*王曉橋,男,1968年5月生,高級工程師。陜西省西安市,710048。1溫芝香1王泉生1夏鋒社1欒建雄2
(1.陜西省鍋爐壓力容器檢驗所;2.北京中科法威普科技有限責(zé)任公司)
在理論研究構(gòu)建的儲氣井疲勞壽命分析過程的基礎(chǔ)上,采用VB6.0研發(fā)了一個地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在西安某加氣站上的實際應(yīng)用結(jié)果表明它可實現(xiàn)高、中、低壓儲氣井的疲勞壽命實時監(jiān)測、分析和預(yù)警,并能指導(dǎo)儲氣井的優(yōu)化運(yùn)行。
地下CNG儲氣井 監(jiān)測系統(tǒng) 疲勞壽命 壓力波動 剩余使用時間
隨著科技的發(fā)展和能源的開拓,我國逐漸使用天然氣能源代替石油來進(jìn)行相關(guān)的化工生產(chǎn)。最初,我國儲存車用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)采用儲氣瓶或儲氣罐等地上儲氣方式。但是隨著一些化工廠爆炸事故的發(fā)生,暴露出了地上儲氣方式存在的安全隱患。因此,我國相關(guān)研究者在借鑒天然氣工業(yè)建設(shè)地下儲氣庫的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種新型、安全、經(jīng)濟(jì)的高壓地下儲氣井[1],該儲氣井具有占地面積少、安全可靠、使用壽命長及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。我國CNG加氣站多采用地下CNG儲氣方式[2~4]。
目前,我國擁有約6 000口地下CNG儲氣井,占CNG加氣站儲氣方式的80%以上[5]。儲氣井掩埋地下,尚無有效手段適用于監(jiān)測CNG儲氣井在頻繁加壓降壓而承受交變載荷作用下的運(yùn)行時的實際循環(huán)次數(shù)。這將導(dǎo)致儲氣井可能超過設(shè)計疲勞壽命而繼續(xù)運(yùn)行,形成疲勞破壞。因此,筆者根據(jù)理論構(gòu)建的儲氣井疲勞壽命分析過程,采用VB6.0編程實現(xiàn)對地下CNG儲氣井疲勞壽命的監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析、顯示。
地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)由壓力變送器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。壓力變送器選用防爆高精度壓力變送器,帶現(xiàn)場壓力顯示和現(xiàn)場壓力觀察;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于實時采集儲氣井運(yùn)行過程中的壓力值,并記錄壓力變化;監(jiān)測系統(tǒng)用于實時顯示并存儲儲氣井運(yùn)行參數(shù),給出預(yù)警。
圖1 地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)框架
地下CNG儲氣井疲勞壽命分析過程如圖2所示[6~11]。首先對地下CNG儲氣井筒體采用拉美公式,計算出筒壁應(yīng)力后用名義應(yīng)力法對儲氣井進(jìn)行疲勞分析,獲得疲勞壽命曲線,再結(jié)合線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞分析。
圖2 地下CNG儲氣井疲勞壽命分析過程
其中,K=Ro/Ri,Ri、Ro分別為殼體的內(nèi)外半徑;S為疲勞計算曲線中的應(yīng)力幅值;σb為材料的抗拉強(qiáng)度;σs為材料的屈服強(qiáng)度;ψ為材料的斷面收縮率,ψ<1;D為材料的累積損傷系數(shù)。
地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分使用簡單、實用的VB6.0編程,使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確、可靠,記錄每天的運(yùn)行參數(shù)、分析疲勞壽命。
系統(tǒng)軟件界面由當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示、剩余使用時間和原始數(shù)據(jù)3部分組成。
當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口如圖3所示。其中,“壓力MPa”為儲氣井的實時運(yùn)行壓力;“當(dāng)天值”為儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天累加值;“累加值”為儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的總累加值。窗口中顯示的其他信息為通信端口狀態(tài)、運(yùn)行總天數(shù)、當(dāng)天運(yùn)行時間和數(shù)據(jù)文件存放位置。
圖3 當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示窗口
剩余使用時間窗口如圖4所示,可根據(jù)已運(yùn)行天數(shù)和疲勞累積損傷系數(shù)累加值計算剩余使用時間的估算值。
圖4 剩余使用時間窗口
原始數(shù)據(jù)窗口如圖5所示。壓力范圍15.0~25.9MPa,使用每隔0.1MPa記錄的疲勞損傷次數(shù),分析儲氣井的使用過程狀態(tài)。
圖5 原始數(shù)據(jù)窗口
系統(tǒng)將采集到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,并將原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果(即儲氣井疲勞累積損傷系數(shù)的當(dāng)天值和累加值)一并存入系統(tǒng)Access數(shù)據(jù)庫(分為疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)兩部分)中。
將地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng)在西安某加氣站上進(jìn)行試驗驗證。該加氣站有6口儲氣井,高壓一口井、中壓兩口井、低壓3口井。儲氣井外徑177.8mm、井深100m、材料為N-80、設(shè)計壓力25.6MPa、設(shè)計溫度20℃、最高工作壓力25MPa。
試驗時在高、中、低壓儲氣井(即儲氣井3、儲氣井2、儲氣井1)上分別安裝一支壓力傳感器,用于對儲氣井進(jìn)行實時監(jiān)測,監(jiān)測時間從2013年10月25日到2013年12月19日。
4.1原始數(shù)據(jù)
試驗開始和截止時的數(shù)據(jù)如圖6、7所示。
圖6 試驗開始時數(shù)據(jù)
圖7 試驗截止時數(shù)據(jù)
試驗截止時(2013年12月19日9時35分),各儲氣井的運(yùn)行壓力波動次數(shù)如圖8所示。
a. 低壓井
b. 中壓井
c. 高壓井
由各儲氣井的原始數(shù)據(jù)可知,低壓儲氣井的壓力變化范圍為15.4~24.2MPa,其中波動頻率較大的范圍為19.2~19.9MPa;中壓儲氣井的壓力變化范圍為17.3~24.2MPa,其中波動頻率較大的范圍為20.0~22.4MPa;高壓儲氣井的壓力變化范圍為18.5~24.2MPa,其中波動頻率較大的范圍為21.0~21.7MPa。
4.2處理后數(shù)據(jù)
系統(tǒng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動運(yùn)算處理后的各儲氣井的剩余使用時間如圖9所示。
圖9 剩余使用時間
由圖9可知,監(jiān)測期間,低壓儲氣井剩余使用時間為18a左右,中壓儲氣井剩余使用時間為8a左右,高壓儲氣井剩余使用時間為15a左右。這是由于中壓儲氣井較低壓和高壓儲氣井壓力波動頻率大,因此中壓儲氣井剩余壽命低于低壓和高壓儲氣井。
筆者設(shè)計了一個地下CNG儲氣井疲勞壽命監(jiān)測系統(tǒng),用于實時監(jiān)測運(yùn)行過程中高、中、低壓儲氣井的壓力變化,預(yù)測其剩余使用時間。該系統(tǒng)實現(xiàn)了儲氣井疲勞壽命的實時監(jiān)測、分析和預(yù)警,可用于天然氣儲氣井運(yùn)行安全與疲勞壽命監(jiān)測,指導(dǎo)儲氣井的優(yōu)化運(yùn)行。
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can make mass quality in the tube become lower and lower together with worse cavitation effect. Regarding va-rious pipes, the geometric structure of the transversely-ridged tube benefits the generation of steam bubbles and has optimal ultrasonic cavitation effect.
enhanced hear transfer tube, numerical simulation, vapor bubble fraction, ultrasonic cavitation, propagation characteristic, ultrasonic intensity
* 國家質(zhì)檢總局科技計劃項目(2011QK349)。
TQ056
B
0254-6094(2016)02-0257-04
2015-03-11,
2016-03-07)