基于Unity 3D的可燃冰開采環境監測模擬系統設計

賀保衛 馬志宇 崔海朋 杜 鵬

(青島杰瑞工控技術有限公司 山東 青島 266061)

0 引 言

可燃冰是由天然氣和水在高溫高壓下形成的結晶體,其開采過程中可能出現一定的環境風險,主要有以下幾點:(1) 可燃冰在開采過程中大規模氣化問題無法控制[1-2];(2) 可燃冰的開采會有大量的天然氣泄漏,加劇全球變暖[3-4];(3) 可燃冰的開采可能產生海底地質災害,如海床塌陷、海底滑坡等[5-7]。但是,目前可燃冰的開發只停留在試采階段[8-10],無法獲取足夠多的數據進行監測[11-13]。隨著計算機的飛速發展,可借用仿真模擬技術來模擬Natural Gas Hydrate(NGH)的開采,不但可以定量評價開采效果,分析相關參數的敏感性,還能為NGH的試開采提供技術支持[14-16]。Yang等[17]利用虛擬仿真技術虛擬了有毒涂料造成的環境問題。可見,虛擬仿真技術的發展已經逐漸帶給人們一種新的思路[18-21]。本文通過Unity 3D技術,設計了一種可燃冰開采環境監測模擬系統,充分模擬可燃冰開采過程中的環境監測場景,建立了可燃冰開采過程中甲烷泄露的模型,充分模擬了可燃冰開采可能造成的環境風險,能夠為可燃冰開采過程中的環境監測提供有力的支撐。

1 模擬系統總體構架

可燃冰開采環境監測模擬系統是一個非常復雜的模擬操作系統,其包括軟件系統和硬件系統兩個部分。其中軟件系統包括“四位一體”環境監測主系統、大氣環境模擬子系統、海水環境模擬子系統、海床環境模擬子系統、井下環境模擬子系統。硬件通過OPC協議與軟件系統進行通信,對主系統及四個子系統進行控制。該系統的設計流程為:

Step13D Max模型建立及渲染。

Step2可燃冰開采典型環境風險算法設計。

Step3MySQL數據庫設計。

Step4Unity 3D虛擬仿真環境搭建。

Step5模擬系統硬件環境搭建。

2 可燃冰開采環境監測模擬仿真系統軟件設計

可燃冰開采環境監測模擬仿真系統軟件設計,通過對開采平臺及監測設備的建模,并通過Unity 3D搭建監測環境,模擬范圍包括大氣、海水、海床、井筒的開采環境,模擬各個參數對環境的影響。最終,通過對典型環境風險的模擬,達到動態演示的效果。

2.1 3D模型建立

本系統通過AutoCAD進行建模,通過3Dmax對模型進行渲染,所建立的模型主要包括:開采平臺模型、浮標模型、坐底式觀測平臺模型、傳感器模型等。

通過Unity 3D進行虛擬環境的開發之前,需要通過3D Max對運動物體的運動軌跡進行設計,如水下機器人的運動控制,需要設定機器人的坐標軸和角度,同時,Unity 3D所需模型格式為.FBX,可通過3D Max軟件進行導出。

2.2 可燃冰開采過程中甲烷泄露風險算法

可燃冰開采過程中,最典型的風險為氣體泄漏,主要為甲烷,其泄漏過程遵循三大基礎方程[22-23]。

質量守恒方程:

(1)

式中:ρ為混合氣體密度;v為矢量速度。

假設甲烷與空氣均為不可壓縮氣體,密度ρ為常數。因此,式(1)調整為:

(2)

式中:u、v、w為矢量速度在三個坐標軸的分量。

動量守恒方程:

(3)

式中:μ是流體的動力粘度;ρa是空氣密度;gi是重力加速度。

能量守恒方程:

(4)

式中:T是溫度;cp是比熱容;ST是混合氣體的內熱源以及通過流體機械能轉化為熱能的部分,簡稱為粘性耗散項。

此外,在擴散過程中,還需要考慮湍流動能方程及湍流動能耗散率方程,其相應的表達式為:

(5)

式中:μeff為有效粘度;G為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;C1、C2為方程因數。

在甲烷氣體泄漏過程的數值模擬中,采用Stone模型的相對滲透率進行模擬,其表達式為:

(6)

式中:SA為液相濕潤相飽和度;SirA為液非濕潤相濕潤飽和度;SG為氣相濕潤相飽和度;SirG為氣相非濕潤相飽和度。

此外,考慮甲烷在地層中的分解,其分解速率隨時間變化關系如圖1所示。

圖1 甲烷分解速率

根據質量守恒控制方程、能量守恒控制方程、甲烷水合物分解動力方程求解甲烷水合物分解控制方程。實驗數據如表1所示。

表1 甲烷水合物實驗數據

具體思路就是以能量守恒控制方程為基礎,將表1的各參數向能量守恒方程中代入,用溫度和壓力表示方程中其他變量,其余參數為常數及已知可求的方程式。同樣溫度可以用壓力進行表示,通過算法,可以將壓力解出。

用數值模擬表示甲烷水合物分解時,采用有限差分法離散偏微分方程組,全隱式方法進行求解非線性方程,方法如下:

(1) 根據甲烷水合物多孔介質核的尺寸參數,選取合適網格大小,開始劃分網格。

(2) 確定甲烷水合物分解時的邊界條件、初始狀態及初始值。

(3) 選擇合適的步長。

(4) 將基礎可推算的數值、能夠表征的產量或式子計算出來,整理放入程序式子中,便于調用。

(5) 通過Thomas算法分別解出壓力和溫度。

(6) 根據壓力溫度和其他參數間的關系式計算三相飽和度、滲透率、各向流速、產氣等參數。

通過初步的收斂調試,按步驟編程,通過與實驗數據產氣量和溫度分布調試驗證程序準確性,解決數值模擬問題。

圖2是累計甲烷氣體產量隨時間的變化曲線,可以看出甲烷氣體產量隨時間的增加而增加,但是在240 min以后,甲烷氣體的產量趨于平緩,不再呈現上升趨勢,累計的甲烷氣體產量大約為9 000 cm3,這與現有的實驗研究資料大致吻合,說明模擬的結果是可信的。

圖2 累計甲烷氣體產量隨時間的變化曲線

由圖3可知,溫度在開始的20 min之內呈現下降的趨勢,到了平衡溫度以后,溫度逐漸回升靠近水域溫度,這是因為水合物分解是一個吸熱的過程,水域對流傳熱和導熱速度低于甲烷水合物分解的吸熱量,所以溫度的變化是先降低后升高,最后趨于平緩。

圖3 溫度隨時間的變化曲線

如圖4所示,隨著天然氣水合物的分解,壓力逐漸降低,且外界的壓力保持不變。從天然氣水合物分解反應的零時刻開始,管兩端的減壓閥打開,這時外界的壓力較低,因而產生了壓力梯度,而外界的壓力低于天然氣水合物的平衡壓力,天然氣水合物迅速地開始分解。

圖4 壓力隨時間的變化曲線

可以看出,在0至160 min之內,天然氣水合物分解的反應速率由0開始不斷增大,160 min之后天然氣水合物分解的反應速率開始放緩。

2.3 數據庫設計

(1) 數據庫搭建。在本系統中,數據庫的實體為各個傳感器,屬性為傳感器顯示數值、時間、位置、信息等。傳感器數據表如表2所示,其他表不再列出。

表2 傳感器數據表

(2) 數據導入與數據模擬。在本系統中,數據來源為互聯網上可以下載到的南海神狐海域相關數據,由于目前可燃冰試采過程中大多數數據都沒有監測或者需要保密,本系統通過make_regression生成回歸模型數據,其以現有數據為基礎,生成樣本特征數,并產生隨機噪音,從而生成一系列的神戶海域監測數據。之后,通過數據清洗、歸一化等手段,將生成的數據轉化為系統可用的模擬數據,供可燃冰開采環境監測模擬系統設計進行模擬與展示。同時,在系統中預留真實數據接口,以備之后真實數據的導入。

2.4 系統場景建設

本系統需要展示各個3D場景,令用戶可以從上帝視角查看模擬場景的整體情況,場景中各浮標、傳感器以3D模型的方式展示,虛擬3D仿真傳感器真實分布情況,在場景可視化界面設置操作工具,可以對3D場景進行旋轉、放大縮小、漫游等基本操作,對場景中傳感器進行操作,包括增加新傳感器、刪除已有傳感器、修改已布設傳感器信息、根據關鍵字查詢傳感器等操作,并且還可以操作模擬甲烷泄露場景,在可視化界面直觀呈現甲烷擴散情況。因此,系統通過Unity 3D的GUI界面設計模塊對系統的界面進行設計,利用C#對界面程序進行編寫,3D場景在Unity 3D軟件中進行搭建,其界面及主場景如圖5所示。

圖5 界面及主場景

2.5 系統功能設計

在可燃冰開采環境監測模擬系統中,需要對可燃冰開采過程中的實際工況進行模擬,并可以展示極端條件下,甲烷泄露的過程。

(1) 可燃冰開采環境可視化展示及監控系統功能。可燃冰開采環境可視化展示可以實時顯示大氣、海水、海床、井下四種場景,通過相機的移動切換展示位置。同時,通過GetSqlConn()函數獲取已封裝好的數據庫鏈接,將其數據進行展示。此過程中,建立評價與報警函數,并通過預先設置好的報警值域進行報警操作(綠色:正常;黃色:偏高;紅色:報警)。

在設置監控系統功能的過程中,立體展示四位一體的監控系統布局,設置傳感器隱藏及顯示函數,進行傳感器顯示或隱藏開關操作讀取傳感器模擬數據。

對于水下機器人的運動軌跡,進行提前設定。通過transform.Translate()函數設定水下機器人的移動速度與相對坐標系,水下機器人沿監測圈進行運動。另外設置一個相機移動函數與選擇函數,添加一臺相機隨水下機器人運動,并可在相機中進行選擇性展示。

(2) 可燃冰開采甲烷泄露過程模擬。在甲烷泄露過程模擬中,在Unity 3D中植入甲烷泄露算法,采用粒子系統進行甲烷泄露過程中氣泡的模擬,通過粒子發生器在井筒附近產生粒子,設置每次產生氣泡的尺寸范圍、生命周期、每次產生氣泡數量范圍,并設定粒子的速度、加速度、粒子運動方向。當警報激活時,粒子隨機產生,同時,設置海流腳本模擬海流對氣泡擴散的影響。

3 硬件平臺設計

3.1 操控臺設計

操控臺安裝兩臺服務器和5臺顯示器,并利用兩臺網管型交換機組成冗余以太網,實現相互冗余的功能,通過以太網讀取并監控PLC數據。

操控臺采用琴式操控臺設計,背面圓弧式設計,可與開采平臺控制室墻邊充分貼合。其中左側柜內安裝工控機,臺面上放置鍵盤和鼠標,正面嵌入2個監視器。右側柜內放置交換機、防火墻等設備。

3.2 通信設計

通信單元包括串口服務器等設備,實現多個RS485 Modbus RTU通信協議設備和Modbus TCP協議采集設備的互聯互通。串行設備服務器能讓 RS-232/RS-422/RS-485 串行設備以快速、有效的方式,透過以太網絡連接至主計算機。另外,系統通過OPC通信接口,其產生的數據通過數據采集服務器進行采集,并存儲到數據庫中。

4 測試驗證

為驗證該系統能否有效進行可燃冰開采環境過程中的安全監測,結合軟件模擬可燃冰開采過程中甲烷泄露對環境的變化影響,實現監測與評估功能的測試驗證。

測試證明,可燃冰環境安全監測模擬仿真系統可以較好地模擬出各個傳感器的數值,并通過可視化模擬進行典型風險場景的展示,從而幫助工程技術人員了解相應的風險。預留接口的存在可以在可燃冰商業化開采時,接入現場實測數據,對現場開采中可能造成的風險進行預警。

對于甲烷氣體滲漏過程的風險評估如圖6所示,可以在預警分析里面實時監測甲烷和二氧化碳濃度的變化情況。

圖6 甲烷和二氧化碳濃度的預警分析

實時監測甲烷和二氧化碳的濃度變化情況,若是超出正常狀態,系統就會報警,甲烷和二氧化碳的曲線如圖7和圖8所示。

圖7 甲烷曲線

圖8 二氧化碳曲線

5 結 語

本文通過Unity 3D對可燃冰開采環境監測模擬系統進行設計,對可燃冰開采環境監測進行模擬仿真,成功地模擬了甲烷氣體的泄露過程,從而可以幫助相關工程技術人員了解可燃冰開采的相關風險及風險產生的過程。另外,系統預留了現場實測數據的接口,可在可燃冰商業開采時,對現場開采進行預警。