一種燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏快速定位及泄漏量確定方法

邢琳琳， 解東來， 祁麗榮， 韓金麗

(1.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100035； 2.美國環(huán)保協(xié)會，紐約10010)

1 概述

燃?xì)夤芫W(wǎng)是城市的生命線，其安全運(yùn)行關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及能源供給安全。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)所處環(huán)境復(fù)雜，在地下縱橫交錯(cuò)，服役時(shí)間長、規(guī)模巨大。由于管道腐蝕老化、第三方破壞等原因引起的燃?xì)庑孤┦鹿暑l發(fā)，極大影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市能源供應(yīng)[1]。甲烷泄漏不但關(guān)系到城市生命線的安全供應(yīng)，造成資源浪費(fèi)，也會對氣候變化產(chǎn)生不利影響。甲烷是具有快速增溫效應(yīng)的短壽命強(qiáng)勢溫室氣體，其在大氣中壽命為12 a，在20年尺度下的全球增溫潛勢(GWP20)約為二氧化碳的84倍，在100年尺度下則為二氧化碳的28倍。甲烷排放在目前人為感知的溫室氣體全球變暖中的貢獻(xiàn)率達(dá)到了25%。政府間氣候變化專門委員會IPCC發(fā)布的特別報(bào)告明確指出，甲烷等非二氧化碳溫室氣體的深度減排是將全球升溫控制在1.5 ℃以下的必要條件[2]。

傳統(tǒng)的燃?xì)夤艿佬孤z測普遍采用各種精度的甲烷濃度檢測儀，對管道沿線進(jìn)行甲烷體積分?jǐn)?shù)檢測，檢測平臺不同，泄漏定位的速度會不同，汽車、摩托車等機(jī)動平臺檢測速度相對較快，而人工巡線則較慢。同時(shí)，甲烷濃度檢測儀精度不同，所能探測到的泄漏量大小會不同。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的Ulrich等人對地下管道泄漏的實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)?shù)叵鹿艿赖男孤┞适?.52 kg/h，地面風(fēng)速為2 m/s時(shí)，泄漏出地面10 cm范圍內(nèi)的甲烷體積分?jǐn)?shù)迅速降低到0.01 %以下，甲烷濃度檢測儀的精度需達(dá)到10×10-6以上才能探測到埋地燃?xì)夤艿佬孤3]。目前泄漏檢測的另一個(gè)技術(shù)瓶頸是只能探測甲烷體積分?jǐn)?shù)，開放式激光檢測儀只能探測甲烷柱濃度，不能量化泄漏率，從而無法估算甲烷排放量。

為解決以上傳統(tǒng)燃?xì)庑孤z測的不足，美國科羅拉多州立大學(xué)(CSU)Von Fisher教授團(tuán)隊(duì)在美國環(huán)保協(xié)會的資助下，研發(fā)了一種利用車載高精度甲烷濃度檢測儀及地理位置定位系統(tǒng)確定燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)泄漏點(diǎn)位置及泄漏率的快速方法[4-5]，在美國加利福尼亞州4個(gè)城市進(jìn)行了量化驗(yàn)證[6]，并在美國其他多個(gè)城市和地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用[7]，北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司目前也在對該方法進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證。本文對該方法及其研發(fā)過程、驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹，并提出了一些改進(jìn)建議，希望該方法可在中國應(yīng)用，并得到改進(jìn)，以提高我國城市燃?xì)廨斉溥\(yùn)營水平。

2 方法介紹

2.1 設(shè)備

這種快速檢測方法主要有3個(gè)核心設(shè)備，包括高精度甲烷濃度分析儀、地理位置定位(GPS)系統(tǒng)、車輛平臺。CSU團(tuán)隊(duì)在方法研究過程中采用谷歌街景(GSV)汽車3輛；GPS系統(tǒng)是Hemispheres A100 GPS，安裝在車輛頂部，采樣頻率是1 Hz，定位精度為m級；甲烷濃度分析儀是PicarroG2301高精度CH4分析儀，采樣頻率是2 Hz，精度為8.6×10-9。為了驗(yàn)證風(fēng)速對測試結(jié)果的影響，在研發(fā)測試中配備了Climatronics 102779 二維風(fēng)速儀，在車頂安裝，但在所研發(fā)的泄漏量化公式中并未采用風(fēng)速作為量化指標(biāo)。

2.2 泄漏檢測及定位方法

車載檢測系統(tǒng)行駛速度在70 km/h以內(nèi)，每條路巡查2次及以上，高精度甲烷濃度分析儀采集檢測點(diǎn)的甲烷體積分?jǐn)?shù)，GPS系統(tǒng)記錄檢測點(diǎn)的位置信息。當(dāng)檢測到的甲烷體積分?jǐn)?shù)有2次及以上超過背景體積分?jǐn)?shù)(背景體積分?jǐn)?shù)指在沒有明顯的甲烷源或雖有甲烷源而不排放污染物的條件下，由環(huán)境風(fēng)從其他地區(qū)輸送過來的甲烷體積分?jǐn)?shù))10%時(shí)，即可判斷有泄漏發(fā)生，并利用GPS系統(tǒng)記錄泄漏點(diǎn)的坐標(biāo)。由于空氣從采樣口進(jìn)入到甲烷濃度分析儀有約5 s的時(shí)間延遲，需要對在給定位置吸入氣體與分析儀報(bào)告CH4體積分?jǐn)?shù)之間的滯后時(shí)間進(jìn)行校正，以確保泄漏源的精準(zhǔn)位置。同時(shí)，GPS定位系統(tǒng)和高精度甲烷濃度分析儀的采樣頻率分別是1 Hz和2 Hz，兩次GPS定位之間的甲烷體積分?jǐn)?shù)分析的地理位置需要進(jìn)行插值計(jì)算[4-5]。當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)測試發(fā)生以下幾種情況時(shí)，判斷為未泄漏，但作為異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)告：

① 車速大于70 km/h；

② 甲烷體積分?jǐn)?shù)升高的距離超過160 m以上；

③ 甲烷平均背景體積分?jǐn)?shù)大于2.8×10-6；

④ GPS 坐標(biāo)發(fā)生漂移；

⑤ 空氣從采樣口進(jìn)入到甲烷濃度分析儀的時(shí)間延遲超過5 s。

2.3 泄漏量化方法及分級

如前所述，在泄漏檢測過程中，GPS系統(tǒng)記錄了每個(gè)甲烷體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的地理信息，即可測算相鄰兩次甲烷體積分?jǐn)?shù)測試點(diǎn)的距離。一個(gè)典型的泄漏點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果見圖1，圖1中最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量是點(diǎn)A與甲烷背景體積分?jǐn)?shù)(圖1中虛線對應(yīng)的甲烷體積分?jǐn)?shù))的差。甲烷體積分?jǐn)?shù)曲線與甲烷背景體積分?jǐn)?shù)線組成的圖形面積為甲烷體積分?jǐn)?shù)增量對距離的積分，記為甲烷線濃度。通過大量的測試，CSU團(tuán)隊(duì)初步發(fā)現(xiàn)甲烷泄漏率可以用公式(1)來擬合：

圖1 典型的泄漏點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù) 測試結(jié)果隨車行駛距離的分布

lgqV=0.117 8+0.082 67φmax-0.005 175B+

0.086 26d

(1)

式中qV——甲烷泄漏率，L/min

φmax——最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量，即實(shí)測甲烷體積分?jǐn)?shù)減去甲烷背景體積分?jǐn)?shù)

B——甲烷線濃度，即甲烷體積分?jǐn)?shù)增量對距離的積分，m

d——甲烷線濃度與最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量的比值，m

在后續(xù)的實(shí)際測試中，發(fā)現(xiàn)公式(1)估算的泄漏率比實(shí)測結(jié)果偏高，尤其是在小泄漏率的情況下，偏差較大。CSU團(tuán)隊(duì)又提出了一個(gè)相對簡單且與實(shí)際泄漏率更加符合的公式：

lnφmax=-0.988+0.817lnqV

(2)

燃?xì)庑孤┞实拇笮?，即泄漏率的分級，對于確定維修、搶修優(yōu)先級更有意義。在該方法的研發(fā)階段，CSU團(tuán)隊(duì)將泄漏率分為低中高3級，分別為低泄漏率(小于3.9 g/min)、中泄漏率(3.9～26 g/min)、高泄漏率(>26 g/min)。后期在方法驗(yàn)證階段，將低泄漏率分級調(diào)整為小于1.6 g/min，相應(yīng)的中泄漏率調(diào)整為1.6～26 g/min，高泄漏率范圍不變。這個(gè)新的分級參考了美國華盛頓州立大學(xué)Lamb教授團(tuán)隊(duì)在美國城市燃?xì)夤艿佬孤┎蓸佑?jì)劃中使用地面集氣法和示蹤劑比例法兩種方法測得的泄漏率[8]。

3 方法研發(fā)過程

CSU團(tuán)隊(duì)的泄漏定位方法是通過試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論估算在相同地點(diǎn)、不同測試次數(shù)的準(zhǔn)確度。泄漏量化方法是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論確定泄漏率的3個(gè)重要特征參數(shù)：最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量、甲烷線濃度、甲烷線濃度與最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量的比值(實(shí)際應(yīng)是兩個(gè)獨(dú)立變量，文獻(xiàn)[4]中描寫為3個(gè)參數(shù))，并用最小二乘法擬合出泄漏率與上述3個(gè)變量的經(jīng)驗(yàn)公式。

文獻(xiàn)[4]所述的試驗(yàn)驗(yàn)證分為兩個(gè)階段。階段1是在CSU團(tuán)隊(duì)所在城市Fort Collins的一個(gè)廢棄飛機(jī)場進(jìn)行的開闊空間的校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于擬合經(jīng)驗(yàn)公式(1)。階段2是在Fort Collins市區(qū)進(jìn)行，在城市條件下對公式(1)進(jìn)行了驗(yàn)證。兩個(gè)階段的試驗(yàn)，共進(jìn)行了276次車載測試，捕獲了51個(gè)受控條件(日期、位置、釋放速率、車輛ID和駕駛速度等)。試驗(yàn)中的甲烷釋放速率為1～45 L/min，涵蓋了城市管網(wǎng)中常規(guī)泄漏量的范圍。詳細(xì)的試驗(yàn)條件見表1。

表1 驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

對于在Fort Collins廢棄機(jī)場的兩次校準(zhǔn)試驗(yàn)，CH4釋放速率分別為2、10、20、40 L/min，車載測試甲烷體積分?jǐn)?shù)的過程中，檢測車行駛路線與釋放點(diǎn)的垂直距離分別為5、10、20和40 m，每種條件重復(fù)5次測試。

在Fort Collins市區(qū)的3次驗(yàn)證試驗(yàn)，選擇的路段分別是主干道、中等流量車道、安靜的社區(qū)3種情況，CH4釋放速率分別是 0.5、1、10、25、45和50 L/min；釋放點(diǎn)距車道邊緣50 cm，檢測車行駛路線到釋放點(diǎn)的垂直距離為5～21 m不等，車輛行駛速度為15～40 km/h。每種條件重復(fù)4～6次測試。

校準(zhǔn)試驗(yàn)的主要發(fā)現(xiàn)如下：甲烷背景體積分?jǐn)?shù)為(1.97 ± 0.09)×10-6。在所有的甲烷釋放速率 (2～40 L/min)下，當(dāng)車輛行駛路線距離釋放點(diǎn)垂直距離≤20 m時(shí)，車載設(shè)備檢測到的甲烷體積分?jǐn)?shù)都會超過背景體積分?jǐn)?shù)10%以上。當(dāng)車輛行駛路線距離釋放點(diǎn)垂直距離40 m時(shí)，車載設(shè)備有時(shí)會檢測到甲烷體積分?jǐn)?shù)超過背景體積分?jǐn)?shù)10%以上，有時(shí)不會。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差分析發(fā)現(xiàn)，甲烷釋放速率與測得的甲烷體積分?jǐn)?shù)增量、甲烷線濃度、甲烷線濃度與最大甲烷體積分?jǐn)?shù)增量的比值密切相關(guān)，而與行駛路線、與釋放點(diǎn)的垂直距離、車輛沒有關(guān)系。通過最小二乘法擬合，可以得到甲烷釋放速率與上述3個(gè)變量的關(guān)系，用公式(1)描述。

4 方法驗(yàn)證

車載式快速泄漏檢測及量化方法明確后，CSU團(tuán)隊(duì)先在美國波士頓、伯靈頓、福蒙特州、史坦頓島、雪城等7個(gè)城市進(jìn)行了泄漏實(shí)測[7]，后在加利福尼亞州4個(gè)城市的燃?xì)夤具M(jìn)行了定位準(zhǔn)確度和量化準(zhǔn)確度的實(shí)測驗(yàn)證。

4.1 城市實(shí)測

以在美國波士頓的一次實(shí)測為例，2013年3月12日7:50—8:53，檢測車檢測了7 363 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，檢測到大氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)最小值為1.87×10-6，平均值為2.01×10-6。用于判斷天然氣泄漏的甲烷體積分?jǐn)?shù)閾值中位數(shù)為2.16×10-6。在這63 min的測試中，發(fā)現(xiàn)17處甲烷體積分?jǐn)?shù)超高。

在波士頓的測量中，CSU團(tuán)隊(duì)研究了風(fēng)速對檢測結(jié)果有無影響。在波士頓市GSV車輛識別出了8 207次泄漏，在測得泄漏率的同時(shí)，車載風(fēng)速儀也測得了當(dāng)時(shí)的風(fēng)速。通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速變化對泄漏率估值幾乎沒有影響，或者影響很小。詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析參見文獻(xiàn)[4]。在史坦頓島的實(shí)測中，研究人員測試了泄漏測量的可重復(fù)性。從2013年11月到2014年3月，研究人員14次駕車檢測某一特定地點(diǎn)，其中7次測得了泄漏。盡管每次測得的最高CH4體積分?jǐn)?shù)不同，但體積分?jǐn)?shù)隨空間的變化形態(tài)明顯符合天然氣泄漏的特點(diǎn)。

研究者在美國一個(gè)城市進(jìn)行了長達(dá)9個(gè)月的摸排工作。在這9個(gè)月的檢測中，共發(fā)現(xiàn)138個(gè)泄漏點(diǎn)，平均每個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行了20次檢測，其中，發(fā)現(xiàn)泄漏的平均次數(shù)是7次，平均有36%的泄漏點(diǎn)能夠在第一次檢測中被發(fā)現(xiàn)。對于不同級別的泄漏，研究者發(fā)現(xiàn)，對于小于3.9 g/min的泄漏，一次檢出的概率為35%；對于3.9～26 g/min的泄漏，一次檢出的概率為63%；超過26 g/min的泄漏一次檢出的概率為74%。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，如果要檢測到一個(gè)城市90%以上的泄漏點(diǎn)，需要進(jìn)行8～9次檢測。

4.2 泄漏定位和量化的實(shí)測驗(yàn)證

文獻(xiàn)[6]描述了CSU團(tuán)隊(duì)在加利福尼亞州4個(gè)燃?xì)夤具M(jìn)行的泄漏定位及量化的實(shí)測驗(yàn)證。驗(yàn)證過程如下：CSU團(tuán)隊(duì)先進(jìn)行車載泄漏檢測，將測得的泄漏點(diǎn)位置報(bào)告給燃?xì)夤?，燃?xì)夤九扇藢?bào)告的泄漏點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后燃?xì)夤九cCSU團(tuán)隊(duì)共同到現(xiàn)場進(jìn)行泄漏點(diǎn)存在與否的驗(yàn)證，并用地面集氣法[8]和示蹤劑比例法[8]驗(yàn)證泄漏率。

驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)，在CSU團(tuán)隊(duì)在城市A和城市B檢測到的泄漏點(diǎn)中，當(dāng)?shù)厝細(xì)夤九沙鲅膊槿藛T現(xiàn)場檢測后，有超過80%的泄漏點(diǎn)未能被燃?xì)夤镜难膊槿藛T發(fā)現(xiàn)，詳情見表2。

表2 燃?xì)夤緦囕d檢測泄漏點(diǎn)的驗(yàn)證情況

隨后，CSU團(tuán)隊(duì)與當(dāng)?shù)厝細(xì)夤窘M成聯(lián)合驗(yàn)證組到現(xiàn)場，對那些燃?xì)夤狙簿€人員未發(fā)現(xiàn)的泄漏點(diǎn)(城市A有32處，城市B有31處)重新進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表3。由表3可以看出，車載檢測探測到的燃?xì)庑孤?，總體是準(zhǔn)確的，但燃?xì)夤镜难簿€人員卻發(fā)現(xiàn)不了這些泄漏。原因應(yīng)該是，燃?xì)夤狙簿€人員所采用的甲烷體積分?jǐn)?shù)檢測設(shè)備的靈敏度為(3～5)×10-6，而CSU團(tuán)隊(duì)采用的設(shè)備是10-9級別的。對于探測到的城市A的18處需要修復(fù)的天然氣泄漏，當(dāng)?shù)厝細(xì)夤静捎檬殖质郊淄樾孤┻b測儀有一半還是檢測不到。

表3 聯(lián)合驗(yàn)證組對燃?xì)夤?未發(fā)現(xiàn)的泄漏點(diǎn)的重新驗(yàn)證結(jié)果

在城市C和D，對泄漏點(diǎn)定位的誤差進(jìn)行了研究。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，對于泄漏點(diǎn)位置，車載檢測所指示的位置與實(shí)際泄漏位置之間的平均距離誤差為31 m。

在城市C和D，對用公式(1)估算的泄漏率與地面集氣法測得的泄漏率進(jìn)行了比較；在城市D，對用公式(1)估算的泄漏率與示蹤劑比例法測得的泄漏率進(jìn)行了比較。從比較結(jié)果得知，用公式(1)估算的泄漏率比實(shí)測結(jié)果偏高，尤其是在小泄漏率的情況下，偏差較大。因此在后續(xù)的研究中，研發(fā)人員提出了采用公式(2)量化泄漏率，精度得到了提高[5]。

5 在中國應(yīng)用的改進(jìn)建議及前景分析

5.1 該方法的改進(jìn)建議

① 目前該方法對泄漏點(diǎn)的定位屬于盲測，純粹基于車載設(shè)備測量大氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)及相應(yīng)的地理位置信息。目前許多燃?xì)夤径冀⒘说乩硇畔⑾到y(tǒng)，如果在定位分析中結(jié)合燃?xì)夤芪恍畔?，對預(yù)測的泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行修正，定位精度會大大提高。

② 美國大部分城市人口密度低，街道、道路較窄。中國城市人口密度高，街道、道路較寬。在我國應(yīng)用此方法時(shí)，尤其是在沿較寬的道路進(jìn)行檢測時(shí)，建議將道路一分為二，不同行駛方向各作為一條道路，有望提高定位精度。

③ 量化方法從公式(1)到公式(2)，研究團(tuán)隊(duì)也一直在改進(jìn)完善。未來中國的應(yīng)用可以對泄漏率量化經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善。

5.2 在中國應(yīng)用的前景分析

① 車載式快速泄漏檢測可為城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏和安全管理提供支撐。可在較短時(shí)間內(nèi)，快速掌握管網(wǎng)泄漏情況，大大提升巡檢效率，有效降低人工運(yùn)行成本?？蓱?yīng)用于燃?xì)夤艿赖娜粘Ｑ矙z、隱患排查、燃?xì)庑孤┍O(jiān)測、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏評估以及重大政治任務(wù)、大型活動和重點(diǎn)區(qū)域的燃?xì)夤艿辣ｑ{等場景。

② 車載式快速泄漏檢測和量化方法為我國城市燃?xì)庑袠I(yè)及時(shí)掌握天然氣泄漏率提供了參考和依據(jù)。該方法提供了一種簡單的測試和計(jì)算模型，及時(shí)掌握管網(wǎng)泄漏率，從而為科學(xué)制定城市燃?xì)夤芫W(wǎng)修復(fù)計(jì)劃提供依據(jù)，確保城市公共安全，減少事故發(fā)生。

③ 該方法為我國城市摸清節(jié)能減排工作提供探索路徑，通過優(yōu)先修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)高、泄漏率大的管道，能夠掌握不同城市、不同區(qū)域的甲烷排放情況，有效降低較大城市、區(qū)域的天然氣輸配和運(yùn)行環(huán)節(jié)的甲烷排放量，氣候和環(huán)保效益顯著。

致謝：本文撰寫過程中遇到的技術(shù)問題，得到了科羅拉多州立大學(xué) (CSU)Von Fisher和Weller教授的熱心解答。