甲烷壓力
關注創建者：康康學長 創建時間：2021-10-29
甲烷壓力的實例教程
實驗室中煤芯吸附瓦斯過程中，煤芯受到圍壓及甲烷流動的影響在不同位置發生不同程度的變形。常見的煤體模型為雙重孔隙—裂隙介質，在假設過程中，基質系統與裂隙系統的幾何模型重合，即基質與裂隙共用一個幾何模型。本案列嘗試將基質與裂隙分開(模型1），并與基質、裂隙重合時的模型(模型2）進行比較。
圖1 模型1的甲烷壓力、位移、應力、應變分布云圖
圖2 模型2的甲烷壓力、應力、應變分布云圖
圖3 模型1、2AB兩點甲烷壓力變化
圖1、圖2中可以看到，模型1、2的分布云圖存在很大的差異性，這主要與模型的構建不同有關。模型1中靠近注氣孔的裂隙中甲烷壓力首先增大，然后向周圍的裂隙以及基質滲流，直到滲流到整個基質、裂隙中。而模型2中靠近注氣孔的基質、裂隙中甲烷均增大，且裂隙中甲烷壓力增加的速度快，這與基質、裂隙中滲透率不同有關。模型2中基質與裂隙在模型任意位置靠著質量交換維持著聯系，交換速率與兩者的壓差有關，即壓差越大，交換速率越大。模型1基質與裂隙的質量交換只存在基質與裂隙接觸邊界處，相當于滲透率不同的兩個多孔介質串聯在一起。基質、裂隙組合構建不同對甲烷流動、煤體變形產生影響，模型1的甲烷壓力首先在裂隙中滲流，然后逐漸向基質滲流，根據基質、裂隙滲透率的不同，甲烷壓力變化如圖1。AB兩點甲烷壓力變化如圖3所示，其分布趨勢滿足上述分析。模型1、2的位移變形情況，也隨著甲烷壓力分布不同存在差別。以有效應力分析為例：模型1的有效應力在注氣孔邊界存在應力集中，但集中點僅限于部分，基質右下角的應力大于周圍的應力，逐漸向右上變轉移，最后各個位置應力保持一致。模型2的注氣孔附近應力均大于周圍應力，其與模型1存在明顯差異，這就與甲烷壓力分布有很大關系。
從上述模型比較分析來看，基質、裂隙不同的構建方式影響甲烷壓力分布，進而影響煤體變形。
展開 物理場選擇2個系數型偏微分方程和1個一般形式偏微分方程，其中CO2與甲烷的對流擴散方程、溫度場方程采用系數型偏微分方程，煤層變形控制方程采用一般形式偏微分方程。對于，對流擴散方程的邊界條件設置中，在注氣孔邊界只設置CO2注氣邊界，在抽采邊界只設置甲烷抽采邊界。煤層變形控制方程中，需要設置對稱邊界，即零通量。在上邊界設置應力載荷，在右邊界設置位移邊界。煤層變形控制方程在固體力學中設置，也可以使用PDE模塊，編寫相應表達式。溫度場可在多孔介質傳熱方程設置，也可以用PDE方程變形相應表達式。本模型全部選用PDE方程編寫表達式求解，其好處在于可在同一求解器中求解，方便方程收斂。求解器采用全耦合隱式算法，采用自動(牛頓)非線性方法終止。
圖2 參數變量設置
圖3 幾何模型設置
后處理設置：后處理主要展示煤層滲透率、CO2，甲烷的壓力、煤層應力、位移變化等。具體分析，限于篇幅不在贅述，詳細分析見文獻。本案例還可以用在CO2地質封存,無抽采瓦斯分析中，以及其他相關案列中。歡迎大家交流學習。
The coupling mechanism of the thermal-hydraulic-mechanical fields in CH4-bearing coal and its application in the CO2-enhanced coalbed methane recovery
圖4 甲烷壓力變化
圖5 CO2壓力變化
圖6 滲透率比值
圖7 煤層位移
圖8 對角線滲透率比值
圖9 對角線壓力分布
展開 單孔擴散模型邊界條件的解析解為：
COMSOL中建立的煤粒解吸幾何模型：
數學方程采用菲克第二定律：
其中C為煤粒中甲烷濃度，
解吸速率可表示為：
利用comsol中非局部耦合體積分，可以獲得解吸速率。其中p0為煤粒中初始甲烷壓力、pa為大氣壓，0.1MPa。
1min甲烷濃度分布
5min甲烷濃度分布
上圖為數值解、解析解、實驗數據之間的擬合關系，解析解、數值解獲得的煤粒擴散系數分別為1.52×10-12m2/s、1.32×10-12m2/s。利用comsol的優化模塊，可以更準確的擴散系數，也可分析不同粒徑對擴散系數的影響。
參考文獻：
Qingquan Liu, Jing Wang, Jingjing Liu,et al.Determining diffusion coefficients of coal particles by solving the inverse problem based on the data of methane desorption measurements[J].Fuel,2022.
展開 顧名思義，可燃冰的本質，就是甲烷與水的冷凍沉積物。雖然看起來像冰，但它很容易就被點著。
雖然聽起來酷炫有趣，但想要對可燃冰資源進行開采，目前仍面臨極大的挑戰。報告指出，這一切都取決于物理。
甲烷水合物對壓力和溫度過于敏感，無法簡單地挖掘和運輸。它們通常在海底數百米處形成，水深約500米，壓力遠高于地表。
所以最大的問題，就是在將可燃冰從高壓的海底采集上來之后，甲烷成分很可能在被充分利用之前就散逸一空。
雖然科學家進行過挖掘提取甲烷的初步試驗，并取得了一定的成功。但泥沙混入管道后，仍會帶來一系列問題。
更重要的是，海底開采可能導致我們無法預料到的潛在嚴重后果，比如海嘯。
展開 但壓縮機的提前停機必然會使裝置部分操作參數發生變化，由此帶來的影響涉及冷箱換熱器操作、氫氣純度、氫氣回收率、甲烷尾氣去向、裝置能否滿負荷運行等多個方面，因此需要進行綜合分析和評估。
PART.2
低壓甲烷壓縮機提前停機后深冷系統操作參數
1
深冷系統操作參數變化
低壓甲烷壓縮機所在深冷分離系統的流程見圖1。
來自高壓脫丙烷塔回流罐的裂解氣進入深冷分離系統，在冷箱和各換熱器中逐級冷卻冷凝，經碳三、碳二洗滌塔分別洗滌脫除碳三、碳二后，進入兩級氫/甲烷分離罐分離出粗氫氣及高、低壓甲烷。為盡量提高氫氣回收率并保證氫氣純度(摩爾分數)達到95%，2號氫/甲烷分離罐底的低壓甲烷經J-T(焦耳-湯姆遜)閥等焓節流后壓力(表壓)降低至90kPa，經少量補氫使溫度降至-169.9℃后進入冷箱提供冷量，回熱至30℃后出冷箱，經低壓甲烷壓縮機壓縮至再生氣所需壓力570kPa，用作再生氣而后再送至燃料氣系統。
低壓甲烷壓縮機提前停機后，為使冷箱出口低壓甲烷不因壓力過低而被排放到火炬系統，需要增加旁路跨線，低壓甲烷經此被送至燃料氣系統。為滿足進入燃料氣系統350kPa的壓力(表壓)要求，2號氫/甲烷分離罐(D-309X)罐底液相J-T閥后的壓力(表壓)需由原來的90kPa提高到402kPa(低壓甲烷流經冷箱的壓降約為52kPa)，閥后溫度也將相應升高，造成冷箱7號換熱器(E-317X)無足夠冷量，氫氣純度(摩爾分數)低于95%。
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圖2 參數變量設置
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基質、裂隙組合構建不同對甲烷流動、煤體變形產生影響，模型1的甲烷壓力首先在裂隙中滲流，然后逐漸向基質滲流，根據基質、裂隙滲透率的不同，甲烷壓力變化如圖1。AB兩點甲烷壓力變化如圖3所示，其分布趨勢滿足上述分析。模型1、2的位移變形情況，也隨著甲烷壓力分布不同存在差別。
低壓甲烷壓縮機提前停機后，為使冷箱出口低壓甲烷不因壓力過低而被排放到火炬系統，需要增加旁路跨線，低壓甲烷經此被送至燃料氣系統。
其中p0為煤粒中初始甲烷壓力、pa為大氣壓，0.1MPa。
1min甲烷濃度分布
5min甲烷濃度分布
上圖為數值解、解析解、實驗數據之間的擬合關系，解析解、數值解獲得的煤粒擴散系數分別為1.52×10-12m2/s、1.32×10-12m2/s。利用comsol的優化模塊，可以更準確的擴散系數，也可分析不同粒徑對擴散系數的影響。
甲烷化系統壓力高，因此現場要十分注意泄漏情況，遇有危急情況要果斷處理。
在正常操作中，易出現一些影響因素使其偏離正常運行參數。具體影響因素和調整方法如下：
a) 根據反應器入口溫度控制器升高或降低來調整溫度控制閥的開度，控制蒸汽加熱量(人工手動調節或DCS自動調節控制)。
b) 反應器入口一氧化碳含量升高。
甲烷水合物對壓力和溫度過于敏感，無法簡單地挖掘和運輸。它們通常在海底數百米處形成，水深約500米，壓力遠高于地表。
所以最大的問題，就是在將可燃冰從高壓的海底采集上來之后，甲烷成分很可能在被充分利用之前就散逸一空。
雖然科學家進行過挖掘提取甲烷的初步試驗，并取得了一定的成功。但泥沙混入管道后，仍會帶來一系列問題。
