基于Unity 3D的可燃冰开采环境监测模拟系统设计

贺保卫 马志宇 崔海朋 杜 鹏

(青岛杰瑞工控技术有限公司 山东 青岛 266061)

0 引 言

可燃冰是由天然气和水在高温高压下形成的结晶体,其开采过程中可能出现一定的环境风险,主要有以下几点:(1) 可燃冰在开采过程中大规模气化问题无法控制[1-2];(2) 可燃冰的开采会有大量的天然气泄漏,加剧全球变暖[3-4];(3) 可燃冰的开采可能产生海底地质灾害,如海床塌陷、海底滑坡等[5-7]。但是,目前可燃冰的开发只停留在试采阶段[8-10],无法获取足够多的数据进行监测[11-13]。随着计算机的飞速发展,可借用仿真模拟技术来模拟Natural Gas Hydrate(NGH)的开采,不但可以定量评价开采效果,分析相关参数的敏感性,还能为NGH的试开采提供技术支持[14-16]。Yang等[17]利用虚拟仿真技术虚拟了有毒涂料造成的环境问题。可见,虚拟仿真技术的发展已经逐渐带给人们一种新的思路[18-21]。本文通过Unity 3D技术,设计了一种可燃冰开采环境监测模拟系统,充分模拟可燃冰开采过程中的环境监测场景,建立了可燃冰开采过程中甲烷泄露的模型,充分模拟了可燃冰开采可能造成的环境风险,能够为可燃冰开采过程中的环境监测提供有力的支撑。

1 模拟系统总体构架

可燃冰开采环境监测模拟系统是一个非常复杂的模拟操作系统,其包括软件系统和硬件系统两个部分。其中软件系统包括“四位一体”环境监测主系统、大气环境模拟子系统、海水环境模拟子系统、海床环境模拟子系统、井下环境模拟子系统。硬件通过OPC协议与软件系统进行通信,对主系统及四个子系统进行控制。该系统的设计流程为:

Step13D Max模型建立及渲染。

Step2可燃冰开采典型环境风险算法设计。

Step3MySQL数据库设计。

Step4Unity 3D虚拟仿真环境搭建。

Step5模拟系统硬件环境搭建。

2 可燃冰开采环境监测模拟仿真系统软件设计

可燃冰开采环境监测模拟仿真系统软件设计,通过对开采平台及监测设备的建模,并通过Unity 3D搭建监测环境,模拟范围包括大气、海水、海床、井筒的开采环境,模拟各个参数对环境的影响。最终,通过对典型环境风险的模拟,达到动态演示的效果。

2.1 3D模型建立

本系统通过AutoCAD进行建模,通过3Dmax对模型进行渲染,所建立的模型主要包括:开采平台模型、浮标模型、坐底式观测平台模型、传感器模型等。

通过Unity 3D进行虚拟环境的开发之前,需要通过3D Max对运动物体的运动轨迹进行设计,如水下机器人的运动控制,需要设定机器人的坐标轴和角度,同时,Unity 3D所需模型格式为.FBX,可通过3D Max软件进行导出。

2.2 可燃冰开采过程中甲烷泄露风险算法

可燃冰开采过程中,最典型的风险为气体泄漏,主要为甲烷,其泄漏过程遵循三大基础方程[22-23]。

质量守恒方程:

(1)

式中:ρ为混合气体密度;v为矢量速度。

假设甲烷与空气均为不可压缩气体,密度ρ为常数。因此,式(1)调整为:

(2)

式中:u、v、w为矢量速度在三个坐标轴的分量。

动量守恒方程:

(3)

式中:μ是流体的动力粘度;ρa是空气密度;gi是重力加速度。

能量守恒方程:

(4)

式中:T是温度;cp是比热容;ST是混合气体的内热源以及通过流体机械能转化为热能的部分,简称为粘性耗散项。

此外,在扩散过程中,还需要考虑湍流动能方程及湍流动能耗散率方程,其相应的表达式为:

(5)

式中:μeff为有效粘度;G为湍流动能;ε为湍流动能耗散率;C1、C2为方程因数。

在甲烷气体泄漏过程的数值模拟中,采用Stone模型的相对渗透率进行模拟,其表达式为:

(6)

式中:SA为液相湿润相饱和度;SirA为液非湿润相湿润饱和度;SG为气相湿润相饱和度;SirG为气相非湿润相饱和度。

此外,考虑甲烷在地层中的分解,其分解速率随时间变化关系如图1所示。

图1 甲烷分解速率

根据质量守恒控制方程、能量守恒控制方程、甲烷水合物分解动力方程求解甲烷水合物分解控制方程。实验数据如表1所示。

表1 甲烷水合物实验数据

具体思路就是以能量守恒控制方程为基础,将表1的各参数向能量守恒方程中代入,用温度和压力表示方程中其他变量,其余参数为常数及已知可求的方程式。同样温度可以用压力进行表示,通过算法,可以将压力解出。

用数值模拟表示甲烷水合物分解时,采用有限差分法离散偏微分方程组,全隐式方法进行求解非线性方程,方法如下:

(1) 根据甲烷水合物多孔介质核的尺寸参数,选取合适网格大小,开始划分网格。

(2) 确定甲烷水合物分解时的边界条件、初始状态及初始值。

(3) 选择合适的步长。

(4) 将基础可推算的数值、能够表征的产量或式子计算出来,整理放入程序式子中,便于调用。

(5) 通过Thomas算法分别解出压力和温度。

(6) 根据压力温度和其他参数间的关系式计算三相饱和度、渗透率、各向流速、产气等参数。

通过初步的收敛调试,按步骤编程,通过与实验数据产气量和温度分布调试验证程序准确性,解决数值模拟问题。

图2是累计甲烷气体产量随时间的变化曲线,可以看出甲烷气体产量随时间的增加而增加,但是在240 min以后,甲烷气体的产量趋于平缓,不再呈现上升趋势,累计的甲烷气体产量大约为9 000 cm3,这与现有的实验研究资料大致吻合,说明模拟的结果是可信的。

图2 累计甲烷气体产量随时间的变化曲线

由图3可知,温度在开始的20 min之内呈现下降的趋势,到了平衡温度以后,温度逐渐回升靠近水域温度,这是因为水合物分解是一个吸热的过程,水域对流传热和导热速度低于甲烷水合物分解的吸热量,所以温度的变化是先降低后升高,最后趋于平缓。

图3 温度随时间的变化曲线

如图4所示,随着天然气水合物的分解,压力逐渐降低,且外界的压力保持不变。从天然气水合物分解反应的零时刻开始,管两端的减压阀打开,这时外界的压力较低,因而产生了压力梯度,而外界的压力低于天然气水合物的平衡压力,天然气水合物迅速地开始分解。

图4 压力随时间的变化曲线

可以看出,在0至160 min之内,天然气水合物分解的反应速率由0开始不断增大,160 min之后天然气水合物分解的反应速率开始放缓。

2.3 数据库设计

(1) 数据库搭建。在本系统中,数据库的实体为各个传感器,属性为传感器显示数值、时间、位置、信息等。传感器数据表如表2所示,其他表不再列出。

表2 传感器数据表

(2) 数据导入与数据模拟。在本系统中,数据来源为互联网上可以下载到的南海神狐海域相关数据,由于目前可燃冰试采过程中大多数数据都没有监测或者需要保密,本系统通过make_regression生成回归模型数据,其以现有数据为基础,生成样本特征数,并产生随机噪音,从而生成一系列的神户海域监测数据。之后,通过数据清洗、归一化等手段,将生成的数据转化为系统可用的模拟数据,供可燃冰开采环境监测模拟系统设计进行模拟与展示。同时,在系统中预留真实数据接口,以备之后真实数据的导入。

2.4 系统场景建设

本系统需要展示各个3D场景,令用户可以从上帝视角查看模拟场景的整体情况,场景中各浮标、传感器以3D模型的方式展示,虚拟3D仿真传感器真实分布情况,在场景可视化界面设置操作工具,可以对3D场景进行旋转、放大缩小、漫游等基本操作,对场景中传感器进行操作,包括增加新传感器、删除已有传感器、修改已布设传感器信息、根据关键字查询传感器等操作,并且还可以操作模拟甲烷泄露场景,在可视化界面直观呈现甲烷扩散情况。因此,系统通过Unity 3D的GUI界面设计模块对系统的界面进行设计,利用C#对界面程序进行编写,3D场景在Unity 3D软件中进行搭建,其界面及主场景如图5所示。

图5 界面及主场景

2.5 系统功能设计

在可燃冰开采环境监测模拟系统中,需要对可燃冰开采过程中的实际工况进行模拟,并可以展示极端条件下,甲烷泄露的过程。

(1) 可燃冰开采环境可视化展示及监控系统功能。可燃冰开采环境可视化展示可以实时显示大气、海水、海床、井下四种场景,通过相机的移动切换展示位置。同时,通过GetSqlConn()函数获取已封装好的数据库链接,将其数据进行展示。此过程中,建立评价与报警函数,并通过预先设置好的报警值域进行报警操作(绿色:正常;黄色:偏高;红色:报警)。

在设置监控系统功能的过程中,立体展示四位一体的监控系统布局,设置传感器隐藏及显示函数,进行传感器显示或隐藏开关操作读取传感器模拟数据。

对于水下机器人的运动轨迹,进行提前设定。通过transform.Translate()函数设定水下机器人的移动速度与相对坐标系,水下机器人沿监测圈进行运动。另外设置一个相机移动函数与选择函数,添加一台相机随水下机器人运动,并可在相机中进行选择性展示。

(2) 可燃冰开采甲烷泄露过程模拟。在甲烷泄露过程模拟中,在Unity 3D中植入甲烷泄露算法,采用粒子系统进行甲烷泄露过程中气泡的模拟,通过粒子发生器在井筒附近产生粒子,设置每次产生气泡的尺寸范围、生命周期、每次产生气泡数量范围,并设定粒子的速度、加速度、粒子运动方向。当警报激活时,粒子随机产生,同时,设置海流脚本模拟海流对气泡扩散的影响。

3 硬件平台设计

3.1 操控台设计

操控台安装两台服务器和5台显示器,并利用两台网管型交换机组成冗余以太网,实现相互冗余的功能,通过以太网读取并监控PLC数据。

操控台采用琴式操控台设计,背面圆弧式设计,可与开采平台控制室墙边充分贴合。其中左侧柜内安装工控机,台面上放置键盘和鼠标,正面嵌入2个监视器。右侧柜内放置交换机、防火墙等设备。

3.2 通信设计

通信单元包括串口服务器等设备,实现多个RS485 Modbus RTU通信协议设备和Modbus TCP协议采集设备的互联互通。串行设备服务器能让 RS-232/RS-422/RS-485 串行设备以快速、有效的方式,透过以太网络连接至主计算机。另外,系统通过OPC通信接口,其产生的数据通过数据采集服务器进行采集,并存储到数据库中。

4 测试验证

为验证该系统能否有效进行可燃冰开采环境过程中的安全监测,结合软件模拟可燃冰开采过程中甲烷泄露对环境的变化影响,实现监测与评估功能的测试验证。

测试证明,可燃冰环境安全监测模拟仿真系统可以较好地模拟出各个传感器的数值,并通过可视化模拟进行典型风险场景的展示,从而帮助工程技术人员了解相应的风险。预留接口的存在可以在可燃冰商业化开采时,接入现场实测数据,对现场开采中可能造成的风险进行预警。

对于甲烷气体渗漏过程的风险评估如图6所示,可以在预警分析里面实时监测甲烷和二氧化碳浓度的变化情况。

图6 甲烷和二氧化碳浓度的预警分析

实时监测甲烷和二氧化碳的浓度变化情况,若是超出正常状态,系统就会报警,甲烷和二氧化碳的曲线如图7和图8所示。

图7 甲烷曲线

图8 二氧化碳曲线

5 结 语

本文通过Unity 3D对可燃冰开采环境监测模拟系统进行设计,对可燃冰开采环境监测进行模拟仿真,成功地模拟了甲烷气体的泄露过程,从而可以帮助相关工程技术人员了解可燃冰开采的相关风险及风险产生的过程。另外,系统预留了现场实测数据的接口,可在可燃冰商业开采时,对现场开采进行预警。