實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法在長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用

陳傳勝 李 俊 吳瑤晗 翟福超

（中國(guó)石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

積級(jí)探索高效的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)、研究相應(yīng)的泄漏檢測(cè)技術(shù)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏并定位泄漏點(diǎn)，準(zhǔn)確計(jì)算泄漏量，對(duì)預(yù)測(cè)事故后果的影響范圍和程度具有重要的生產(chǎn)意義[1-3]。根據(jù)對(duì)我國(guó)四川地區(qū)輸氣管道1969-2003年的事故統(tǒng)計(jì)分析[4]，四川地區(qū)12條輸氣管道每千公里年事故率平均為4.3次，管道的內(nèi)外腐蝕是四川地區(qū)輸氣管道泄漏失效的主要原因，占事故原因比例的39.5%，外部影響和材料缺陷因素占比分別為15.8%和10.9%。未來(lái)10～20年我國(guó)天然氣管道建設(shè)將會(huì)迎來(lái)快速發(fā)展[5-7]，天然氣管道安全運(yùn)行面臨的主要問(wèn)題將主要是腐蝕、外部影響和材料缺陷等引起的管道小泄漏或微小泄漏。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)和定位的方法[8-11]，其中聲波泄漏檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的管道上雖有應(yīng)用案例，但對(duì)于管道上發(fā)生的微小泄漏難以檢測(cè)并且容易受外界噪音干擾產(chǎn)生誤報(bào)或漏報(bào)的問(wèn)題[12-13]，而實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法[14]適用于檢測(cè)管道上發(fā)生的小泄漏或微小泄漏，可以計(jì)算泄漏量且誤報(bào)率低，是目前國(guó)際上被廣泛研究并且應(yīng)用最多的泄漏檢測(cè)方法。由于其在小泄漏或微小泄漏檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)預(yù)計(jì)將會(huì)是我國(guó)管道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向，因此有必要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試分析確認(rèn)其適用性。

1 實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法泄漏檢測(cè)技術(shù)

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法是指基于管道的物理數(shù)據(jù)建立一個(gè)精確的管道流體力學(xué)實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型，通過(guò)SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管道系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、地溫、介質(zhì)組分等參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行，將由數(shù)理模型產(chǎn)生的計(jì)算值與管道的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，通過(guò)體積或質(zhì)量平衡結(jié)果比對(duì)確認(rèn)管道是否出現(xiàn)泄漏，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位并準(zhǔn)確計(jì)算出泄漏的速度和累計(jì)的泄漏量。該方法是目前國(guó)際上被廣泛研究并且運(yùn)用最多的管道泄漏檢測(cè)方法，不僅能夠檢測(cè)到管道運(yùn)行中較小的氣體泄漏，而且具有定位精度高、誤報(bào)率低的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 輸氣管段流動(dòng)過(guò)程的基本方程

根據(jù)物質(zhì)、動(dòng)量、能量守恒定律，輸氣管道里的氣體運(yùn)動(dòng)遵從三維空間的物質(zhì)、動(dòng)量、能量守恒方程[15]。由于輸氣管道的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道直徑，將這些方程通過(guò)漸近分析方法（僅考慮平面應(yīng)變問(wèn)題）簡(jiǎn)化描述為以下方程組。

式中，p為氣體的絕對(duì)壓力，kPa；T為氣體的絕對(duì)溫度，K；ρ為氣體密度，kg／m3；w為氣體流速，m／s；A為管道橫截面積，m2；u為單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能，J／kg；h為單位質(zhì)量氣體的熱焓，J／kg；x為距管段起點(diǎn)的距離，m；τ為描述流動(dòng)過(guò)程的時(shí)間，s；s為管段上各橫截面處的高程，m；g為重力加速度，m／s2；λ為管段的水力摩阻系數(shù)；Q為在[0，x]管段上管內(nèi)氣流向周圍環(huán)境的散熱流量，m3／s。

以上6個(gè)方程剛好包括 p、T、ρ、w、u、h這 6個(gè)未知函數(shù)，因此從求微分方程通解的角度看，這個(gè)方程組是封閉的，通常稱為流體管流的基本微分方程組。在實(shí)際求解時(shí)，相應(yīng)的邊界條件一般是通過(guò)確定壓力或者流量的邊界值。針對(duì)以上方程組和相應(yīng)的邊界條件，可以采用數(shù)值解的方法來(lái)求解管道任一斷面x在任一時(shí)間τ的氣體流動(dòng)參數(shù)p、T、ρ、w、u、h的變化規(guī)律。

1.2 泄漏檢測(cè)原理

在理想的條件下，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入管道的流量減去流出管道的流量等于該段時(shí)間內(nèi)管道內(nèi)管存的變化值。將一定時(shí)間內(nèi)管道產(chǎn)品體積的變化值稱為管存率，在管道穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，管道內(nèi)產(chǎn)品的凈流量應(yīng)守恒，管存率也為零，即保證管道的容量守恒。設(shè)管存率為PR，凈流量為FB，容量守恒率為VB，那么三者之間的關(guān)系如式（2）所示。

式中，F(xiàn)B是管道入口流量與出口流量的差值，即FB＝Qin-Qout（Qin為進(jìn)入管道的流量，Qout為流出管道的流量，兩者均通過(guò)SCADA實(shí)時(shí)獲?。?。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，使用管道首末實(shí)際測(cè)量值，如壓力、流量等作為邊界輸入條件，通過(guò)數(shù)值方法求解流體方程組，計(jì)算管道相應(yīng)的壓力、流量值，將容量守恒率（VB）與泄漏判斷閾值（TV）進(jìn)行比較。當(dāng)容量守恒率持續(xù)超越閾值時(shí)，表明有泄漏發(fā)生，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)計(jì)算確定泄漏位置，同時(shí)計(jì)算管道泄漏量。

1.3 定位泄漏原理

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法中的泄漏定位采用的不是單一方法，而是將流量和壓力相結(jié)合的判定方法。首先管道發(fā)生泄漏后會(huì)引起全線壓力的變化，利用首端邊界條件對(duì)管道進(jìn)行從前到后的仿真得到管線壓力分布，同樣以管道終點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)為邊界條件對(duì)管線進(jìn)行從后到前的仿真，確定泄漏點(diǎn)位置（圖1）。另外還會(huì)利用管道模型中獨(dú)立模型段之間的流量不平衡來(lái)進(jìn)行泄漏定位。模型段之間的邊界上存在流量不平衡，管道水力模型的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能（特別是壓降調(diào)節(jié)）可以將這些流量不平衡推向零，因此，在一個(gè)調(diào)整良好、水力模型精度高的系統(tǒng)中，這些流量不平衡將接近于零。利用這一特點(diǎn)，當(dāng)管道發(fā)生泄漏后所造成模型段的流量不平衡，根據(jù)不平衡的相對(duì)大小，沿著模型段成比例地定位泄漏（圖1）。

圖1 泄漏檢測(cè)定位示意圖

2 模型的建立調(diào)試與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試管段基本情況

南京支線是從川氣東送管道主干線上分出的1條支線，起點(diǎn)為安徽省宣城市境內(nèi)的十字鎮(zhèn)輸氣站，終點(diǎn)為江蘇南京的揚(yáng)子石化輸氣站。支線全長(zhǎng)逾254 km，沿線設(shè)有金壇、上黨、龍?zhí)?、南京?座分輸站以及1座金壇儲(chǔ)氣庫(kù)。使用實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法對(duì)川氣東送天然氣管道南京支線段進(jìn)行建模和測(cè)試，以驗(yàn)證實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法用于長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)的適應(yīng)性和效果。

2.2 建立實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型及測(cè)試

實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型的建立需要考慮管道、閥門(mén)、天然氣組分、地溫等各類相關(guān)參數(shù)及各類壓力表、流量計(jì)、溫度計(jì)的位置及參數(shù)。在物質(zhì)狀態(tài)方程上采用BWRS狀態(tài)方程從而達(dá)到更精確地描述天然氣物態(tài)的目的，如圖2所示。

圖2 測(cè)試管段模型圖

當(dāng)模型建立后，通過(guò)利用管線已有SCADA歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管道運(yùn)行模擬，從而進(jìn)一步微調(diào)模型參數(shù)，達(dá)到數(shù)值模擬模型在管線正常運(yùn)行時(shí)不論是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行還是瞬態(tài)變化運(yùn)行的情形下其數(shù)值解均能夠精準(zhǔn)地描述管道內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)情況。閾值的確定是取得好的檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵。在選取影響閾值的組分方面，根據(jù)管線的具體情況，須考慮容積平衡變化的平均方差、最大流量平衡、最大管存率、平均凈流量的變化、管線運(yùn)行狀態(tài)、管存率的絕對(duì)值以及由溫度造成的管存率的絕對(duì)變化等多種因素。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，針對(duì)上面描述的各種因素的影響大小計(jì)算加權(quán)平均值作為系統(tǒng)報(bào)警閾值，此閾值在管道的運(yùn)行過(guò)程中會(huì)自動(dòng)合理調(diào)節(jié)大小，達(dá)到減少誤報(bào)警的目的。

將測(cè)試地點(diǎn)選在服務(wù)對(duì)象為間歇性分輸用戶的龍?zhí)斗州斦?，按分輸站正常分輸操作模擬管道泄漏發(fā)生，通過(guò)控制閥門(mén)模擬泄漏大小。配置好的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)容積守恒趨勢(shì)圖對(duì)管道上發(fā)生的泄漏進(jìn)行判斷和發(fā)出報(bào)警，如圖3所示。當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故后，根據(jù)之前介紹的實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法泄漏檢測(cè)原理，管存率（PR）會(huì)下降，因補(bǔ)充管道中的壓力損失凈流量（FB）會(huì)略微上升，容量守恒率（VB）會(huì)上升并持續(xù)直到穿越閾值（TV）引起泄漏檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并定位。

圖3 測(cè)試管段趨勢(shì)圖

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行6次泄漏測(cè)試，再將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總和比對(duì)以分析所建立的管道實(shí)時(shí)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)情況。第一次測(cè)試（表3），泄漏量為管道輸量的11.7%，系統(tǒng)警告時(shí)間為開(kāi)閥后12′19″，系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間為14′49″，系統(tǒng)定位誤差為0 km，泄漏量計(jì)算準(zhǔn)確率為95%以上；第二次測(cè)試（表4），泄漏量為管道輸量的4.5%，系統(tǒng)警告時(shí)間為開(kāi)閥后21′33″，系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間為30′3″，系統(tǒng)定位誤差為0.35 km，泄漏量計(jì)算準(zhǔn)確率為95%以上。最后，將6次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)漏報(bào)、誤報(bào)記錄，最小檢測(cè)出的泄漏為2.2%，系統(tǒng)警告時(shí)間為開(kāi)閥后29′34″，系統(tǒng)報(bào)警時(shí)間為開(kāi)閥后38′34″。

表3 第1次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄表

表4 第2次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄表

測(cè)試結(jié)果顯示：實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型泄漏檢測(cè)法能夠準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)出泄漏，尤其對(duì)微小泄漏量的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯；模型運(yùn)用流量、壓力等參數(shù)可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)計(jì)算泄漏速度和累計(jì)泄漏量。

3 結(jié)論

1）實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法泄漏檢測(cè)方法能夠準(zhǔn)確、快速檢測(cè)出天然氣管道泄漏并能對(duì)泄漏量大小進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法的泄漏檢測(cè)原理決定了其誤報(bào)率低的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后的6個(gè)月內(nèi)誤報(bào)率少于1次／月。

2）當(dāng)泄漏速度為管道輸量的2.2%時(shí)泄漏點(diǎn)的壓降為0.008 79 MPa，由于測(cè)試泄漏點(diǎn)壓降很小，而目前的SCADA（管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）界面上的數(shù)值只顯示小數(shù)點(diǎn)后兩位，故無(wú)法通過(guò)SCADA查看數(shù)值壓降的變化判斷泄漏發(fā)生，而實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法則可以檢測(cè)到泄漏發(fā)生。

3）目前管道發(fā)生泄漏后采取的方式是泄漏點(diǎn)上下游管道的截止閥壓降達(dá)到0.15 MPa（只有爆管才會(huì)導(dǎo)致壓降達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)關(guān)閉截止閥，而11.7%的泄漏速度下壓降也僅能達(dá)到0.02569 MPa，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)時(shí)瞬態(tài)模型法則可以很好地解決管道上目前通過(guò)截止閥判斷壓降自動(dòng)關(guān)閉無(wú)法解決的微小泄漏檢測(cè)問(wèn)題。