[发明专利]基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于声学主动激励的天然气管道安全监测装置，属于管道监测技术领域。

背景技术

为满足国民经济和社会工业低碳化发展的要求，天然气产业得到了快速发展，天然气管道的建设、运营、维护和保障逐渐成为能源建设领域的重中之重。在天然气开采、加工和集输过程中，当满足一定的低温和高压条件时，天然气水合物会在天然气管道中形成并凝聚，轻则干扰正常生产，造成天然气管道运输能力下降，重则堵塞井筒、管道、阀门等设备造成停产，甚至可能引起输气管道爆裂，引发安全事故，导致严重的经济、社会和人员损失。另外，由腐蚀或者外界入侵引起的泄漏事件也会造成严重的经济损失及安全事故。

因此，如何及时发现天然气管道内的天然气水合物和泄漏事件，减少其对正常生产的影响并避免事故发生，是业界人士关注焦点。目前，国内外对于天然气管道内泄漏事件以及水合物监测技术研究处于起步阶段，国外一些学者已报道一些相关工作，但国内尚未见类似成果报道。

在输油管道上普遍采用的负压波泄漏检测技术，由于管道输送介质的不同，其依赖的由泄漏引起的压力跳变在天然气管道中变得相当不明显，同时负压力波在天然气管道中相比输油管道衰减得快，因此该技术并不适用于天然气管道，同时也无法监控水合物的生成。英国专利WO2012/156669阐述了一套离线天然气水合物早期预警系统，该系统通过采集油气井或传输管道中的样品，测量样品中的声速和电导率两个关键物理参数，并通过人工神经网络得到样品中抑制剂和盐的浓度，随后将上述浓度值输入到天然气水合物相界模型，从而判断出当前样品存在天然气水合物形成的风险。但该方法仅能做离线分析，无法实现全天候实时监控，存在着漏检的可能性，而且该方法对天然气管道泄漏无能为力。另一种方法利用压力波传播检测法来检测管道内的沉积物，即该方法利用快速阀门制造机械波，其在管道内传播，通过检测反射波来确定管道内是否存在沉积物，同时对其进行定位。但是该方法存在一定缺陷，其容易形成水击效应，可对管道及其支撑环节造成相当大的损害(Water hammer induced by fast-acting valves：Experimental studies at pilot plant pipework.Multiphase Science and Technology，2008，20(3-4)，pp239-263.A.Dudlik，H.M.Prasser，A.Apostolidis，and A.Bergant)。

声波在管道中传播是一个很复杂的过程，理想情况下，平面波在管道内传播过程中的衰减可通过下式计算：

α=ωcr[μ2ρω+(γ-1)k2ρωcp]---(1)]]>

其中α为衰减系数，ω为角频率，c为声速，r为管道半径，μ为剪切粘度，ρ为密度，γ为比热比，k为热导率，c_p为比热容。上式表示的是因气体粘度和热转移引起的损耗。除此之外，因平面波遇到声阻变化而引发的反射也会造成能量损耗，其反射系数R由下式确定：