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2025年01期 44  封面 目次  
赵赏鑫1,杨明1,张晓瑞2
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【目的】美国、欧洲是世界上最早建设纯氢管道也是目前纯氢管道建设较为集中的地区,现有纯氢管道分别达2600km、1770km,近年来欧洲更是规划了超过30000km的纯氢管道网络,积累了较多成功经验,中国在构建新型能源体系过程中可借鉴其先进做法开展中国纯氢管网规划与建设。【方法】通过系统梳理欧洲纯氢管道路由、技术参数及建设计划,总结其规划特点及先进经验,同时对比分析中国纯氢管道建设与规划现状,讨论形成中国纯氢管网发展建议。【结果】欧洲纯氢管网规划呈现3个特点:①各管道公司通过组成组织机构或联合项目,共同开发地区纯氢管网,管网连通性、灵活性、协调性均较强;②管道最高设计压力10MPa、最大管径1200mm、最大设计输量200×104t/a,加速向大口径、高压力、大输量方向发展;③纯氢管网规划大量依托原有天然气管网基础设施,超过50%由现有管道改造而来,部分新建管道也计划沿现有管道路由敷设,从而降低管道建设投资,提高管道资产、土地资源利用效率。【结论】借鉴欧洲纯氢管网规划建设先进经验,对中国纯氢管道规划建设提出3个建议:①在国家层面推进纯氢管网顶层规划,全国一盘棋,避免重复建设,提高资产资源利用效率;②布局开展油气管道改输氢气的相关技术研究,形成必要的技术与标准体系;③新建天然气管道在设计阶段需考虑后期改输氢气的可行性。(表3,参44)
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刘胜利1,2,张野1,杨佳晔1,孙代倩1,王娅慈1,康浩1,张少如1
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【目的】氢气运输是制约氢能产业发展的瓶颈。在“双碳”背景下,管道输送是氢气长距离运输的最佳方式,具有成本低、能耗小、效率高等特点。【方法】基于VOS viewer文献计量学软件,对2005—2023年国内外氢气管道输送的相关文献进行关键词聚类、共现分析,结合氢气管道输送领域发文国家、发文期刊梳理国内外氢气管道输送的研究现状,并预测未来的发展趋势。【结果】近年来国内外在氢气管道输送领域发文量均处于上升阶段,且国内外氢气管道输送研究以团队合作为主;美国、德国等发达国家在该领域研究占据重要地位,且合作较为密切,中国与国际发达国家之间交流合作相对较少,未来仍需进一步加强。期刊发文量排在前列的均属于国内外高质量期刊,其中国内期刊《油气储运》、国外期刊International Journal of Hydrogen Energy发文量较多。中国相较于国外在氢气管道输送方面研究起步较晚,国外学者在掺氢环境下管材相容性分析、氢气输送管道定量风险评价技术及系统工程视角下掺氢天然气管网运行分析方面研究较为领先。未来中国可以从国内外合作、研究对象及研究视角等方面入手,解决氢气管道输送领域现存问题,推进未来氢气管道输送领域发展。【结论】研究成果可为从事氢气管道输送技术研究的相关学者提供研究思路和指导建议。(图9,表3,参74)
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陈兵1,付子言1,徐梦林1,王香增2,齐文娇1
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【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)是目前中国实现“双碳”战略目标的关键技术,CO2管输则是实现规模化CCUS的重要环节。CO2管道本身存在各类缺陷,受CO2特殊的减压特性及管道内压的影响,管道缺陷发展成初始裂纹并产生延性扩展的风险大大增加,严重威胁管道运输安全。【方法】为使CO2管道实现有效止裂,采用有限元软件ANSYS建立玻璃纤维复合材料外部止裂结构模型,基于EPRI(Electric Power Research Institute)的J积分理论公式与应力分布理论计算公式对所建模型进行可靠性验证,分析外部止裂结构铺设角度、铺设厚度、铺设长度、管道径厚比以及裂纹尺寸等因素对其止裂性能的影响,最后结合延长油田400×104t/a超临界CO2输送方案的L21管道对外部止裂结构模型进行评估。【结果】玻璃纤维复合材料外部止裂结构可以有效转移并承担管道所受应力,降低管道发生延性断裂的风险;止裂结构铺设厚度、铺设长度、管道径厚比及裂纹尺寸均与止裂性能正相关,而铺设角度则存在最优值。止裂结构的止裂性能由各影响因素共同决定,其中铺设厚度的影响最大,而铺设角度的影响最小。止裂结构的最佳性能尺寸为:铺设厚度与管道壁厚相等、铺设长度为0.8倍管道外径、铺设角度为60°。【结论】铺设厚度为12mm、长度为326mm的外部止裂结构可有效阻止L21管道的延性断裂,研究结果可为外部止裂结构的设计提供理论基础与参考范例。(图13,表8,参28)
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孙始财,赵艳萍,谷林霖,张润东,崔俊浩,林海菲,潘彤
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【目的】目前水合物开采效率较低,难以达到商业标准,而超声波在介质中传播时产生的一系列超声效应有助于水合物分解。探究超声波功率比、作用时间、间隙时间等多因素交互作用下水合物分解特性对超声波在水合物开采过程中的应用具有重要意义。【方法】通过单因素实验研究了超声波功率比、总作用时间、单次作用时间及间隙时间对水合物浆体分解特性的影响。在此基础上,采用正交试验与响应面法试验确定了促进CO2水合物浆体分解的最佳超声波参数组合。【结果】功率比越大、总作用时间越长、单次作用时间越长、间隙时间越短,CO2水合物浆体分解产气量越多。上述各因素对促进水合物浆体分解产气的影响从大到小依次为总作用时间、单次作用时间、间隙时间、超声波功率比,各因素间交互作用也会对超声最佳参数组合的选取产生影响。采用正交试验选取的最佳超声波参数组合为功率比70.0%、总作用时间8.0min、单次作用时间8.0s、间隙时间2.0s,此时最大产气量为0.07mol;采用响应面法试验选取的最佳超声波参数组合为功率比67.7%、总作用时间7.5min、单次作用时间7.2s、间隙时间5.0s,此时最大预测产气量为0.065mol。【结论】研究成果可丰富超声波参数对水合物浆体分解特性影响规律的相关研究,并为超声辅助水合物开采提供重要的理论基础。(图8,表6,参30)
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祁庆芳1,许琳2,刘怀佳2,孔雅2,叶丽娟1,颜芝盛1,王杰1
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【目的】为了评价管道的剩余强度与剩余寿命,并针对性地制定防腐措施,亟需提高管道腐蚀速率的预测精度。【方法】建立了一种基于集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)-套索回归(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator, LASSO)-优化一阶多维灰色模型〔First Order Multidimensional Grey Model, GM(1,N)〕的腐蚀速率预测模型。首先,采用EEMD算法增加原始自变量的多样性,降低序列波动对预测结果的影响,将隐藏在数据中的信息按照频域尺度逐层分解;之后,采用LASSO算法进行自变量筛选,降低序列间的相关性、冗余性;最后,引入线性修正量和灰色作用量对GM(1,N)模型进行优化,将微分方程变为差分方程,形成优化GM(1,N)模型,并将输入变量代入优化GM(1,N)模型完成训练和预测。【结果】与CO2分压、SRB(Sulfate Reducing Bacteria)个数相关的影响权重较大,腐蚀过程由CO2控制,共筛选出包括分解变量和残余变量在内的8个自变量;与灰色关联法筛选得到的影响因素相比,LASSO算法具有一定的客观性和科学性;EEMD-LASSO-GM(1,N)模型的平均相对误差为1.25%、标准差为0.72,模型精度超过常规GM(1,N)、EEMD-常规GM(1,N)、EEMD-优化GM(1,N)、EEMD-主成分分析-优化GM(1,N)等模型;通过与文献数据相对比,EEMD-LASSO-GM(1,N)模型的预测精度更高,其在泛化能力和鲁棒性上具有优越性,并在腐蚀影响因素和数据条数不同时,仍具有良好的适应性。【结论】研究结果可为多因素耦合的管道腐蚀行为预测和腐蚀速率发展趋势的预测提供理论依据及实际参考。(图9,表3,参29)
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朱文卫,许成昊,王兴华,梁爱武
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【目的】随着中国能源跨区域调配事业的蓬勃发展,输电线路与油气管道建设进入了飞速发展的新阶段,两者共用同一能源“公共走廊”的现象较为常见,导致“管-线”间的交流干扰问题日益突出。特别是当输电线路遭受雷击灾害时,高额雷电流注入土壤,导致处于受击杆塔接地装置附近的埋地管道受到很强的雷击过电压,可能造成管道绝缘涂层烧蚀、击穿,引发火灾、爆炸等事故,威胁生产安全。【方法】为对靠近输电线的管道进行有效安全评估,通过对不同阻值的土壤样本进行雷电流浪涌冲击,得到不同电压冲击下的土壤电阻率,进一步分析土壤发生离子化时其阻值的变化情况,根据所得结果构建包含土壤离子化区域的电磁干扰模型。【结果】结合电磁干扰分析软件进行管道涂层干扰电压计算,发现土壤发生离子化后,涂层受到的干扰电压远大于未考虑土壤离子化时的结果,雷击灾害引起的土壤离子化是影响管道涂层干扰电压大小的重要因素,在进行干扰分析的过程中不容忽视。【结论】基于考虑土壤离子化的电磁干扰模型展开计算,以3PE涂层的耐压限值为109kV作为安全限值,得到了不同土壤初始阻值下的“管-线”安全距离,并结合接触管道人员的人身安全以及管壁金属烧蚀损伤的风险评估,进一步验证了离子化安全距离的可靠性。(图9,表8,参26)
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张超越,李鸿英,王禹,李其兵,康家宝,兰欣,谢意蔚,张劲军
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【目的】电场改性是一种新兴的含蜡原油低温流动性改善方法。针对酒东原油的已有研究发现,电场输入能量密度是含蜡原油电场降黏效果的外部决定性因素,且当输入能量足够大时,电场处理可使油样达到该温度下的最大降黏率。为指导原油电场改性的工业应用,需进一步验证该研究成果对其他原油的适用性。【方法】针对长庆原油与大庆原油,通过探究不同电场处理条件(场强0~3kV/mm、处理时间0~1200s、处理量1.0~2.5mL)对原油电场降黏效果影响,研究并验证输入能量与降黏率的关系。【结果】发现并定义了最大降黏率能量密度阈值,即原油达到最大电场降黏率所需输入的最小能量密度。明确了处理温度(累计析蜡量)对最大降黏率与相应能量密度阈值的影响。随着处理温度降低,最大降黏率增大,相应的能量密度阈值减小。结合显微观察与带电胶粒运移、吸附机理,分析其内在原因:在较低处理温度下,有更多的蜡晶颗粒受到了胶质、沥青质作用;更多、更大的蜡晶导致电场作用下蜡晶表面出现更多电荷,从而促进胶质与沥青质在介电泳作用下向蜡晶表面运移,并积聚在蜡晶表面,因此最大降黏率增大且所需能量密度阈值更小。【结论】研究结果深化了相关原油电流变效应机理的认识,能量密度阈值的发现为处理器电源参数确定与优化提供了重要参考。(图12,表2,参23)
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张瑞宇,张玉平,孙明源,李荣彬,王世强,陶彬
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【目的】随着环保排放要求的日益严苛,全接液浮顶与大补偿密封逐步在浮顶罐上使用,在边缘密封、罐壁变形等因素共同作用下,浮顶受力情况复杂且破坏、卡盘等事故时有发生。研究弹性大补偿密封作用下浮顶的受力特性,对保障浮顶安全运行具有重要意义。【方法】设计并搭建了储罐密封效能测试平台,测试不同环形间隙下弹性大补偿密封对浮顶的作用力。基于有限元方法建立了5×104m3储罐双盘式浮顶有限元分析模型,开展正常运行、罐壁变形及极端卡盘工况下浮顶应力与变形分布特性研究,分析了多工况下浮顶的应力集中薄弱区。【结果】随着环形间隙的缩小,大补偿密封结构的压紧程度提升,与罐壁接触区域逐渐上移,浮顶所受摩擦力显著增大;当储罐正常运行时,最大Mises应力位于桁架结构,应力集中区域为靠近底板侧横梁与加强筋的连接处;当罐壁发生椭圆化变形或存在局部变形时,局部卡阻处浮顶变形量增加,当浮顶所受平均摩擦力接近时,储罐的局部变形相比椭圆化变形更易导致浮顶卡盘与失稳;在卡盘工况下,浮顶所受最大Mises应力显著增大,且在极端卡盘条件下浮顶所受应力超过其许用应力,易造成局部强度破坏。【结论】对于存在罐壁变形的储罐,在对其加装高效密封或进行密封改造时,应开展浮顶力学性能评价工作,以确保浮顶储罐的安全运行。(图14,参26)
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翁光远,翟瑶,郑杰,赵可杰
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【目的】输油管道一旦受地震影响,将会发生位移变化,揭示地震动作用下输油管道中流体动压力随输送介质液面高度、管径等影响因素的时变机理及沿管道长度方向的分布特点尤为重要。【方法】以跨度为6m的简支跨越管道与原油介质组成的管道-流体耦合系统为研究对象,建立了5种模拟地震诱发动压力的有限元计算模型,分别设置了模型的初始条件、地震波加载条件以及原油液面的边界条件,提取不同管道外径及不同液面高度下管内流体的动压力30s时程反应,得到了管道同一截面动压力随时间的分布云图、沿管道长度方向的动压力分布曲线及关键节点的时程曲线。【结果】管道内流体开始流动后的动压力在第10s达到稳定状态;输入地震动时程参数后,动压力在管道长度方向的分布不均匀,跨中区域变化最显著,管道同一截面上不同节点动压力峰值最大相差约4.5倍;原油介质的液面高度对地震动引起的动压力有较大影响,同样条件下地震动引起的动压力随液面高度增大而减小;内径为1118mm的管道内原油由于流动引起的动压力最小,但在地震动作用下,动压力变化最为显著。【结论】研究成果可为地震动作用下输油管道中流体动压力测试及输油管道抗震设计提供理论依据。(图10,表2,参26)
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孟可心1,张媛媛1,陈思敏2
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【目的】随着中国推进“全国一张网”管网建设,传统的一部制管输定价难以满足市场需求,而两部制定价采用固定费用与变动费用分担风险,更适应天然气市场的波动发展,有利于促进资源的有效配置。【方法】考虑运距因素,基于上层管网企业与下层用户之间的Stackelberg博弈模型,提出天然气管输费两部制定价模式。设计了城镇燃气优先保供分配机制,并对管网企业与下游用户之间效益最大化时的定价策略及管容分配进行了探讨。从价格敏感性、城镇燃气运距、市场饱和量对管输定价、管网效益影响的角度进行敏感性分析,并选取冀宁线、平泰支干线、川气东送二线等多条管道对比“一部制”与“两部制”定价的差异,验证新建模型的实用性及有效性。【结果】以冀宁线为例,利用Matlab软件进行算例分析:两部制定价模式下的天然气管输费得到了优化,并保障了管网效益;当价格敏感性高时,可适当降低管容定价,保持用户基础;市场饱和量增加则可提高管网效益、管道利用率,定价受供需影响而发生改变;当城镇燃气运距增加时,根据运价率涨幅的临界点调整其定价,考虑运距的定价能够适应市场变化,不仅对保障能源供应、控制成本、提升服务质量至关重要,对市场发展也具有积极影响。【结论】基于Stackelberg博弈模型的两部制定价模式,在优化资源分配与适应市场变化方面具有较好的可行性,可为天然气市场定价机制改革提供参考。(图5,表4,参36)
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温泉1,王宁1,魏学华2
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【目的】天然气需求受诸多因素影响,有效获取天然气月度需求时序数据的局部特征信息,可提升天然气需求预测模型非线性拟合能力与预测精度。【方法】首先,引入多重分形消除趋势波动分析(Multi-Fractal Detrended Fluctuation Analysis, MF-DFA),对天然气月度需求时序数据进行分形研究。其次,采用二次插值法与随机森林(Random Forest, RF)插值法,处理影响因素特征序列数据中时间粒度不一致与缺失的情况。而后,选择极限梯度提升(eXtreme Gradient Boosting, XGBoost)模型,分别对插值前后原特征序列及经Boruta、SHAP(SHapley Additiveex Planations)、BorutaShap筛选后的新特征序列进行计算误差分析,以确定最佳特征序列筛选降维方式,进一步降低模型输入数据的维度与规模。最后,引入Sobol低差异序列、改进密度因子及莱维飞行策略,以提升蜜獾优化算法(Honey Badger Algorithm, HBA)种群初始化覆盖范围的均匀分布度、扩大迭代搜索范围及跳出局部最优的能力,从而增强改进HBA对XGBoost模型中决策树数量、决策树深度、学习速率等决定模型拟合能力的参数寻优效果。【结果】采用BorutaShap算法进行特征序列筛选降维最佳,新提出的多策略优化HBA-XGBoost模型的预测精度优于其他对比模型,其平均绝对百分比误差、平均绝对值误差、均方根误差及决定系数分别为2.87%、9.3509、11.3353及0.8909。【结论】该方法适用于多种影响因素条件下的天然气需求预测,可为天然气行业发展规划决策提供参考依据。(图12,表2,参27)
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祁梦瑶
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