城市燃?xì)廨斉涔艿佬孤┍O(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜思雨， 薛 生，b， 鄭春山，b

（安徽理工大學(xué)a.能源與安全學(xué)院；b.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南232001）

0 引 言

管道運(yùn)輸是城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔偷闹饕绞剑艿啦馁|(zhì)主要有鋼管和PE管兩種［1］。雖然管道運(yùn)輸被認(rèn)為是最安全的油氣運(yùn)輸方式，但由于管道使用年限過久、三方破壞等原因?qū)е氯細(xì)夤艿佬孤?］。泄露的燃?xì)鈺?huì)在土壤、大氣中擴(kuò)散，造成空氣污染及經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)燃?xì)膺_(dá)到一定濃度時(shí)，可能引發(fā)爆炸，危及公共安全，甚至造成人員傷亡［3］。因此，及時(shí)探知泄漏的發(fā)生，并精確定位泄漏點(diǎn)的位置，為管道的修復(fù)贏得時(shí)間，是當(dāng)今管道運(yùn)輸急需解決的問題。

近年來，國內(nèi)高校搭建燃?xì)夤艿老到y(tǒng)，對(duì)管道泄漏問題展開研究。李祖鵬［4］設(shè)計(jì)了一套由長輸管線作為氣源的高中低三級(jí)管網(wǎng)輸配系統(tǒng)，用來模擬目前常用的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配系統(tǒng)，研究管道基本參數(shù)對(duì)燃?xì)廨斄康挠绊?，管線泄漏對(duì)工況的影響，管網(wǎng)壓力平衡現(xiàn)象等；趙金輝［5］依據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缹?shí)際情況，搭建架空城鎮(zhèn)燃?xì)庵惫艿馈⒅罟艿篮铜h(huán)狀管道綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了不同泄漏孔徑下的管道監(jiān)測與定位研究；高華［6］敷設(shè)埋深約為0.5 m的直管道，研究埋地燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散規(guī)律、泄漏定位等；潘碧霞［7］搭建了大型氣液管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以非埋地液體管道、非埋地氣體管道與埋地氣體管道為研究對(duì)象，模擬泄漏工況，開展聲發(fā)射信號(hào)傳播特性等實(shí)驗(yàn)研究。

目前國內(nèi)高校設(shè)計(jì)搭建的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較少，且系統(tǒng)多以架空鋼管為主，埋地管道較少，且現(xiàn)有埋土管道埋深較小。本文根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缹?shí)際情況，設(shè)計(jì)了集合架空PE管、架空鋼管、埋地PE 管、埋地鋼管4種管道類型的綜合管道系統(tǒng)；管道間連接、管道與變送器連接都選用法蘭連接，為后續(xù)不同管徑、不同泄漏點(diǎn)等研究提供了便利；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架空PE 管采用支架保護(hù)措施，深埋管道采用土體框架，管道埋深最大可達(dá)1.6 m。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為氣源控制模塊、架空環(huán)狀管道模塊、深埋土體管道模塊及數(shù)據(jù)采集控制模塊。氣源控制模塊由空壓機(jī)、過濾器、冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐等組成，為管道提供氣源；架空環(huán)形管道模塊分為架空環(huán)狀鋼管模型、架空環(huán)狀PE管道模型等組成；深埋土體管道模塊分為深埋支狀鋼管模型、深埋支狀PE 管道模型等組成；采集控制模塊由各類變送器、高速采集卡、PLC等組成，其功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示和閥門控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開啟空壓機(jī)，氣體通過空壓機(jī)加壓后，由過濾器對(duì)壓縮氣體中的粉塵、油、水進(jìn)行捕捉、吸附，進(jìn)入到儲(chǔ)氣罐，再經(jīng)過分水排水器排去液態(tài)水，除油器高精度除去壓縮空氣中油分，后由冷干機(jī)對(duì)壓縮氣體進(jìn)一步干燥。為了實(shí)現(xiàn)不同壓力、不同流量，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域前安裝了精密的減壓閥和球閥。實(shí)驗(yàn)區(qū)域管道由電動(dòng)球閥控制，選擇管道模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集變送器數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和可視化，對(duì)是否有過壓、失壓等進(jìn)行安全判斷和反饋。壓縮空氣經(jīng)過實(shí)驗(yàn)區(qū)域管道后通過電動(dòng)球閥的控制，匯入第2緩沖罐以保證整個(gè)測試管道內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定，后經(jīng)過由電動(dòng)球閥控制的出口做放空處理，工作原理示意圖如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的確定及儀表選型

2.1 設(shè)計(jì)壓力

《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028—2006）》第6.1.6條規(guī)定［8］，燃?xì)夤艿腊凑赵O(shè)計(jì)壓力分為：高壓燃?xì)夤艿繟（2.5 MPa ＜p≤4.0 MPa）、高壓燃?xì)夤艿繠（1.6 MPa ＜p≤2.5 MPa）、次高壓燃?xì)夤艿繟（0.8 MPa ＜p≤1.6 MPa）、次高壓燃?xì)夤艿繠（0.4 MPa ＜p≤0.8 MPa）、中壓燃?xì)夤艿繟（0.2 MPa ＜p≤0.4 MPa）、中壓燃?xì)夤艿繠（0.01 MPa≤p≤0.2 MPa）、低壓燃?xì)夤艿溃╬ ＜0.01 MPa）。規(guī)范要求，四級(jí)地區(qū)地下燃?xì)夤艿缐毫Σ灰舜笥?.6 MPa，因此系統(tǒng)鋼管設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，PE管設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa。

2.2 管壁厚度

2.2.1 直管壁厚計(jì)算

圖2 氣源控制、架空管道和深埋管道工作原理圖

當(dāng)管道直徑較小時(shí)，一般采用無縫鋼管，鋼管符合《輸送流體用無縫鋼管（GB／T8163—2018）》［9］規(guī)范要求?！冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028—2006）》第6.3.2條規(guī)定，燃?xì)怃摴芄鼙谟?jì)算

式中：δ 為鋼管壁厚，mm；σS為鋼管最低屈服強(qiáng)度，MPa；p 為設(shè)計(jì)壓力，MPa；F 為管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)；D為鋼管外徑，mm；φ 為焊縫系數(shù)，根據(jù)GB50028 第6.9.4規(guī)定的鋼管標(biāo)準(zhǔn)時(shí)取1.0。

設(shè)計(jì)時(shí)選用不同鋼級(jí)計(jì)算來確定采用壁厚，表1是設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa、公稱管徑DN125 的無縫鋼管，管材鋼種符合《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管（GB／T9711—2017）》［10］。

表1 DN125 鋼管不同鋼種適用壁厚的比較結(jié)果

L245N 和L290N 鋼級(jí)的管材在國內(nèi)的長輸管道工程中被廣泛應(yīng)用，受最小生產(chǎn)壁厚的限制，選用L245 鋼級(jí)的無縫鋼管時(shí)，鋼管外徑φ140 mm ×5.0 mm（20＃）。

2.2.2 彎管壁厚計(jì)算

《中國石油天然氣管道工程有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q／SY-GD-SJ）》第5.2 條規(guī)定［11］，彎管成品管壁厚：

式中：δb為彎管的管壁計(jì)算厚度，mm；δ為彎管所連接的直管段鋼管計(jì)算壁厚，mm；m為管壁厚度增大系數(shù)；R為彎管的曲率半徑，mm；D為彎管的外直徑，mm。

結(jié)合不同等級(jí)鋼管的選用壁厚，分別對(duì)3 級(jí)和4級(jí)地區(qū)的彎管段壁厚進(jìn)行計(jì)算（見表2），確定用無縫管制作，管徑φ140 mm ×5.5 mm。依據(jù)《中國石油天然氣管道工程有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q／SY-GD-SJ）》及《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028—2006）》規(guī)定，對(duì)所選埋地管道進(jìn)行管道強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性校核、徑向穩(wěn)定性驗(yàn)算等，均滿足要求。

表2 線路用管及彎頭用管表

2.2.3 PE管壁厚選取

聚乙烯管道依據(jù)材料的長期靜液壓強(qiáng)度的置信下限可分為PE32、PE40、PE63、PE80 和PE100 5 個(gè)等級(jí)，燃?xì)廨斔陀肞E80 和PE100 等級(jí)的中／高密度聚乙烯管。根據(jù)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E）管道系統(tǒng)第一部分：管材（GB15558.1—2015）》［12］，考慮管道的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、裂紋抵抗能力、剛度、埋深等，選用等級(jí)為PE100，SDR（標(biāo)準(zhǔn)尺寸比）11 的管材，PE 管道外徑（140 ×11.4）mm。

2.3 埋地土體框架

埋地管道采用土體框架支撐（見圖3），深埋土體框架采用鋼結(jié)構(gòu)和透明亞克力厚板組成，共5 層，每層高度400 mm，有效埋土面積約3.4 m3，共需埋土約17 m3。每層框架邊框采用角鐵、鋼板和加強(qiáng)筋鋼板整體焊接而成，實(shí)驗(yàn)用鋼管和PE 管從下部第2 層框架通過。

2.4 水力計(jì)算

2.4.1 管道摩擦阻力

圖3 深埋土體框架立體圖

在實(shí)際城鎮(zhèn)燃?xì)饩W(wǎng)水力計(jì)算中，計(jì)算流量按高峰小時(shí)流量考慮，燃?xì)饬鲃?dòng)按照穩(wěn)定流量考慮。在穩(wěn)態(tài)情況下，壓力損失是由管道摩擦阻力與閥門開度阻力造成［13］。《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028—2006）》附錄C.0.2 規(guī)定，高中壓鋼管和PE管摩擦阻力公式為：

式中：p1為管道起點(diǎn)燃?xì)獾慕^對(duì)壓力，kPa；Re為雷諾數(shù)；p2為管道終點(diǎn)燃?xì)獾慕^對(duì)壓力，kPa；ν為燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)黏度，m2／s；L為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算長度，m；Δ 為管壁內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度，mm；d 為燃?xì)夤艿赖墓軓?，mm；T為設(shè)計(jì)中采用的燃?xì)鉁囟?，K；Q0為標(biāo)況下燃?xì)夤艿赖挠?jì)算流量，m3／h；T0為標(biāo)況下的絕對(duì)溫度，273.15 K；λ為摩擦阻力系數(shù)；ρ為燃?xì)獾拿芏龋琸g／m3。

2.4.2 局部壓力損失

當(dāng)燃?xì)饬鹘?jīng)閥門、變徑管等管道附件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部壓力損失，可按下式計(jì)算：

式中：Δp2為局部阻力的壓力損失，Pa；∑ζ為局部阻力系數(shù)總和；v為管段中的燃?xì)饬魉伲琺／s。

為切合實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選擇天然氣，球閥開度為全開，依據(jù)目前城鎮(zhèn)管道的實(shí)際情況，選用經(jīng)濟(jì)流速范圍，NG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算：ρ ＝0.75 kg／m3，υ ＝15 mm2／s，Δ ＝0.1／0.01 mm，設(shè)計(jì)溫度297.15 K，ζ ＝0.2（全開），公稱管徑為125 mm，ρa(bǔ)＝1.293 1 kg／m3。表3 為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水力計(jì)算。

表3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水力計(jì)算

2.5 熱力計(jì)算

熱力計(jì)算為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取合適的溫度變送器提供了依據(jù)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管道較短，忽略摩擦生熱對(duì)沿程溫降的影響，忽略壓力變化引起的溫降（焦耳-湯姆遜效應(yīng)），采用簡化的舒霍夫溫降公式：

式中：K為總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；cp為定壓熱容比，kJ／（kg·℃）；T1為起點(diǎn)介質(zhì)溫度，℃；T2為終點(diǎn)介質(zhì)溫度，℃；T0為管道環(huán)境溫度，℃；M 為實(shí)驗(yàn)管道運(yùn)輸量，m3／h。

埋地管K取值1.5 ～5 W／（m2·K）；D取值0.14 m；壓縮空氣的定壓熱容比cp＝1.4 kJ／（kg·℃）；管線起點(diǎn)介質(zhì)溫度T1取值20 ～40 ℃，埋地管道環(huán)境溫度T0＝20 ℃，鋼管、PE管道實(shí)驗(yàn)流速0.5 ～15 m／s，代入式（7）可得，埋地管道沿程溫降最小值為0.01 ℃，沿程溫降最大值為0.67 ℃。地上架空管總傳熱系數(shù)K取5 ～10 W／（m2·K），架空管道環(huán)境溫度T0為20℃，架空管道沿程溫降最大值0.71 ℃，沿程溫降最小值0.51 ℃。因?yàn)楸ＷC溫度測量的準(zhǔn)確性，要選擇精確度比較高的溫度變送器。

2.6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)儀表選型

依據(jù)實(shí)驗(yàn)管道流速設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)壓力要求，選用上海德蒙壓縮機(jī)械有限公司生產(chǎn)的空壓機(jī)DM-75G-30，額定排氣量為10 m3／min，額定排氣壓力3.0 MPa；為了去除壓縮氣體中的水蒸氣，使壓縮氣體中的水含量在合理范圍內(nèi)，平臺(tái)采用冷凍式干燥機(jī)；依據(jù)系統(tǒng)水利計(jì)算表，壓力變送器選用北京星儀傳感器制造有限公司生產(chǎn)的CYYZ11，量程為0 ～2.5 MPa，精度等級(jí)為0.25%；正常情況下，氣體的起點(diǎn)壓力較小、流量較大時(shí)或閥門開度較小時(shí)，閥門兩端壓降較大，差壓變送器型號(hào)選用北京星儀傳感器制作有限公司生產(chǎn)的CYYZ3051，測量范圍0 ～200 kPa；依據(jù)表3 所計(jì)算最大流量662.7 m3／h，渦輪流量計(jì)型號(hào)選用江蘇榮豐自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的RF-LWQ-C-125 和RF-LWQC-25，RF-LWQ-C-125 測量范圍18 ～800 m3／h，耐壓1.6 MPa，RF-LWQ-C-25 測量范圍1.5 ～15 m3／h，耐壓4 MPa，準(zhǔn)確度達(dá)±0.5%級(jí)；依據(jù)熱力計(jì)算，溫度變送器型號(hào)選用北京星儀傳感器制造有限公司生產(chǎn)的CWDZ11，量程－50 ～100 ℃，插入管道深度為30 mm，精準(zhǔn)等級(jí)達(dá)±0.5 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相似性分析

模型實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)重要方法之一，相似理論是進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)的重要理論基礎(chǔ)，也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、初始條件與邊界條件相似。在恒定流、管徑相等、時(shí)間相似情況下，滿足兩流動(dòng)動(dòng)力相似。依據(jù)力多邊形相似理論，滿足雷諾準(zhǔn)則與佛勞德準(zhǔn)則，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力相似。實(shí)際上兩個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足較為困難，兩流動(dòng)很難做到完全相似，只能近似相似，保證對(duì)流體起主要作用的力相似，忽略次要作用力［14］。氣體在管道流動(dòng)時(shí)，黏性力起主導(dǎo)作用。

城市輸配系統(tǒng)管道多處于水力光滑區(qū)，若要兩流動(dòng)動(dòng)力相似，只需滿足雷諾準(zhǔn)則，即實(shí)驗(yàn)管道與實(shí)際管道中氣體流態(tài)同處于水力光滑區(qū)。使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流態(tài)判斷雷諾數(shù)［15］：

根據(jù)雷諾公式，其他條件保持不變的情況下，流速越大時(shí)，雷諾數(shù)越大。如果實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大流速下，氣體的流態(tài)處于水力光滑區(qū)，那么該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所有流速下氣體流態(tài)都將處于水力光滑區(qū)［16］。由表3 可知Re ＜Re1，系統(tǒng)氣體流態(tài)處于水力光滑區(qū)，兩流流動(dòng)動(dòng)力相似，滿足相似準(zhǔn)則，模型具有實(shí)際意義。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖4 所示，變送器組實(shí)時(shí)檢測管道信號(hào)，高速采集卡實(shí)時(shí)采集壓降與壓力信號(hào)，經(jīng)參數(shù)調(diào)整后發(fā)送到工控機(jī)；渦輪流量計(jì)、溫度變送器直接與工控機(jī)進(jìn)行串口通信；工控機(jī)的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、顯示、查詢等功能，并將采集數(shù)據(jù)保存到SQL 數(shù)據(jù)庫。當(dāng)工控機(jī)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值，工控機(jī)向PLC發(fā)送控制指令，控制現(xiàn)場閥門的開度。PLC 與上位機(jī)采用自由口通信。

圖4 數(shù)據(jù)采集與控制流程圖

4.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件部分由變送器組、PLC、高速采集卡等組成。高速數(shù)據(jù)采集卡選用北京思邁科華技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USB-3200 系列，分辨率16 bit，采樣率125 kSa／s，24 模擬輸入通道，4 數(shù)字輸入通道，4 數(shù)字輸出通道。PLC 選用三菱Fx3U，內(nèi)置16 入／16 出（繼電器），運(yùn)算處理速度：每一基本指令0.065 μs，每一應(yīng)用指令0.642 ～100 μs。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度變送器、渦輪流量計(jì)通過串口直接與LabVIEW通信，選用LabVIEW VISA功能模塊；高速采集卡采集壓力、差壓信號(hào)，然后發(fā)送給LabVIEW，選過LabVIEW 的DAQ、動(dòng)態(tài)鏈接庫等功能模塊；PLC 與LabVIEW采用自由口通訊，選用LabVIEW 的OPC 功能模塊。LabVIEW 對(duì)采集的值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示［17］，通過Database模塊將數(shù)據(jù)保存至My SQL 數(shù)據(jù)庫，設(shè)置參數(shù)閾值和測試流量閾值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷管道是否泄漏，當(dāng)管道泄漏時(shí)，報(bào)警記錄并控制閥門開度。LabVIEW功能模塊如圖5 所示。

圖5 軟件功能模塊

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了城市燃?xì)廨斉涔艿老到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)管道包含深地與架空兩種管道敷設(shè)方式、PE管和鋼管兩種管道材質(zhì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了介紹，依據(jù)規(guī)范確定了鋼管設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，PE管設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa；對(duì)DN125 的鋼管、PE管直管段和彎管段壁厚進(jìn)行計(jì)算，PE 管道壁厚11.4 mm、鋼管直管段壁厚5 mm，鋼管彎管段壁厚5.5 mm；對(duì)管道進(jìn)行水力計(jì)算和熱力計(jì)算，確定不同運(yùn)行工況下，管道的壓降和溫降；根據(jù)壓差、設(shè)計(jì)壓力、溫降等參數(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)的氣源部分、變送器組進(jìn)行選型；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，采用基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)保存到My SQL 數(shù)據(jù)庫。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，可得出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)際管道都處于水力光滑區(qū)，系統(tǒng)滿足雷諾準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推廣。