中壓燃氣管道泄漏工況下流量擾動幅度模擬分析*

王 溈，玉建軍，于長春，孫 博，李 軍

(1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300380; 2.承德新奧燃氣有限公司，河北 承德 067000)

0 引言

隨燃氣管道使用年限增長，我國燃氣管道進入高度老齡化[1]。管道使用年限較長，防腐層剝落，管道表面被腐蝕，管壁厚度不斷減小，最終導(dǎo)致管道腐蝕穿孔與斷裂；管道使用年限較短，受第三方施工、自然災(zāi)害、周圍管網(wǎng)系統(tǒng)破損等因素影響，易引發(fā)管道防腐層意外脫落、高壓沖蝕性穿孔及管道斷裂等事故。燃氣管道泄漏會造成人員傷亡、資源浪費以及環(huán)境污染等問題。如何精準(zhǔn)定位與檢測燃氣管道泄漏，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點課題。

目前，國內(nèi)外燃氣管道泄漏檢測與定位技術(shù)主要包括直接檢測法和間接檢測法2類[2]。直接檢測法包括人工巡檢法[3]、紅外成像法、光纖傳感器檢測法、管道機器人法等；間接檢測法包括壓力梯度法、負壓波法、質(zhì)量流量平衡法和統(tǒng)計分析法等。直接檢測法檢測與定位精確度高，但需額外投入昂貴的人力物力；負壓波法在氣相傳播過程中衰減速度過快[4]，不利于泄漏定位與檢測；統(tǒng)計分析法依賴大量歷史數(shù)據(jù)[5]，且定位精準(zhǔn)度存在一定隨機誤差；質(zhì)量流量平衡法與壓力梯度法需構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型。采用單一方法進行泄漏檢測與定位效果不佳：Murvay等[6]指出應(yīng)根據(jù)實際情況，結(jié)合多種檢測與定位方法形成混合檢測定位系統(tǒng)；Morteza等[7]通過對比單一泄漏與融合泄漏檢測方法發(fā)現(xiàn)，融合統(tǒng)計特征和小波特征檢測法更穩(wěn)定；Yang等[8]使用無人機搭載甲烷探測儀，實現(xiàn)探測結(jié)果實時傳送，通過制定最佳光柵掃描策略，可有效提升無人機巡檢效率。

泄漏特征中用戶端壓力機流量數(shù)據(jù)比較容易獲取。目前，通過將流量擾動幅度與其他檢測技術(shù)結(jié)合進行燃氣管道泄漏定位與檢測研究較少?；谛孤┨庂|(zhì)量計算公式與管道水力計算公式，研究流量類數(shù)據(jù)法主要影響因素發(fā)現(xiàn)，利用流量擾動幅度進行管道泄漏檢測與定位效果更好；基于中壓燃氣管網(wǎng)敷設(shè)圖，利用Pipeline Studio構(gòu)建等效管道模型，并根據(jù)泄漏工況進行動態(tài)模擬，繪制不同泄漏位置用戶端瞬時流量變化與供氣壓力、流量、泄漏孔徑、泄漏形式、粗糙度關(guān)系曲線，確定流量擾動幅度與泄漏位置關(guān)系。研究結(jié)果為用戶端流量擾動幅度法進行燃氣管道泄漏檢測與定位提供理論依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 理論公式

燃氣管道發(fā)生泄漏時，泄漏處理論流量取決于泄漏點內(nèi)外壓差和泄漏孔形式。壓力容器泄漏等同于容器內(nèi)介質(zhì)由一個壓力條件流向另一個壓力條件，另一個壓力條件一般為環(huán)境大氣壓，因此泄漏處燃氣質(zhì)量流量公式如式(1)所示[9]：

(1)

式中：Qm為泄漏處燃氣質(zhì)量流量，kg/s；Ae為泄漏孔實際過流面積，m2；P0，P2分別為環(huán)境壓力和泄漏處管內(nèi)壓力，kPa；k為比熱比；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/mol·K；T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度，T0=273.15 K。

我國高壓、中壓燃氣管道水力計算公式采用《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)[10]推薦公式，經(jīng)推理演變，得到通用計算公式如(2)所示：

(2)

式中：P1為管道首端壓力，kPa；L為管道計算長度，km；λ為管道摩擦阻力系數(shù)；ρ為燃氣密度，kg/m3；D為管道內(nèi)徑，mm；Q為管道內(nèi)燃氣流量，m3/h；Tf為燃氣溫度，K；Z為壓縮因子。

聯(lián)立式(1)與式(2)，燃氣管道泄漏位置不同，P2不同，Qm不同。因此，可通過已知Qm，反推泄漏點P2，進而得到L的值，實現(xiàn)利用流量類數(shù)據(jù)方法進行泄漏檢測與定位。

1.2 理論公式限制

1)計量設(shè)備限制

采用理論公式進行泄漏檢測與定位，重點在于獲取精確的壓力與流量數(shù)據(jù)。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，允許計量設(shè)備存在1%～3%[11]的計量誤差，并且隨管道使用年限增長，儀表結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，計量誤差進一步擴大，影響理論公式精確度。

2)泄漏條件限制

常見燃氣管道泄漏形式包括單孔泄漏、多點泄漏、縫隙泄漏，泄漏形式影響Ae取值。當(dāng)利用理論公式進行檢測與定位時，默認(rèn)泄漏形式為單孔泄漏，會降低理論公式精確度。

3)埋地限制

我國室外燃氣管道以埋地敷設(shè)為主，架空管道數(shù)量相對較少。埋地敷設(shè)燃氣管道必須考慮土壤孔隙泄漏率[12]。土壤孔隙泄漏率由當(dāng)?shù)亟涤炅?、地質(zhì)環(huán)境和土壤微生物構(gòu)成共同決定。為簡化理論公式，默認(rèn)架空管道，土壤孔隙泄漏率σ取1[13]，與實際埋地工況存在一定誤差。

1.3 流量擾動幅度優(yōu)勢

王硙等[14]發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃氣管道發(fā)生泄漏時，無論泄漏孔徑多大，從開始泄漏到泄漏達到穩(wěn)定狀態(tài)需要8 s，主要原因是流量計測量遲滯性。本文通過軟件模擬，排除流量計測量遲滯性影響，認(rèn)為8 s流量擾動時域?qū)儆谛孤┨卣鞫峭饨缬绊懸蛩貙?dǎo)致。因此，通過將流量擾動幅度與其他檢測技術(shù)相結(jié)合進行泄漏檢測和定位具有可行性。

2 軟件模擬

2.1 建立模型

1)用戶、管道與結(jié)點

軟件模擬采用中壓燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)及運行數(shù)據(jù)。模型中包括氣源用戶1、負荷用戶2和泄漏處3；管道A為直管，管長500 m，將管道A等分為20段；管道共包含B～T19個結(jié)點，結(jié)點用來放置泄漏處3，模擬不同泄漏位置，管網(wǎng)模型如圖1所示。由圖1可知，泄漏處3位于管道A-5與A-6間結(jié)點F處。管道與結(jié)點參數(shù)及編號見表1。

表1 管道與結(jié)點參數(shù)及編號Table 1 Parameters and numbers of pipelines and nodes

圖1 管網(wǎng)模型Fig.1 Model of pipeline network

2)氣源

利用氣相色譜對管道A所用氣源氣體進行分析，得到氣源組分及燃氣密度，氣源氣體組分見表2。燃氣密度為0.718 8 kg/m3，燃氣出站溫度283 K，忽略燃氣溫度變化[15]。

表2 氣源氣體組分Table 2 Gas composition of gas source %

3)參數(shù)設(shè)定

Pipeline Studio軟件中氣體狀態(tài)方程包括Sarem、Peng和BWRS。其中，BWRS氣體狀態(tài)方程適用范圍廣，計算精度較高[16]。因此，模擬選用BWRS氣體狀態(tài)方程。溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，關(guān)閉組分追蹤功能，并關(guān)閉軟件傳熱計算功能，維持燃氣流動過程中溫度恒定。

2.2 泄漏工況

結(jié)合實際提出6組不同泄漏工況，每組泄漏工況均需將泄漏處3置于結(jié)點B至結(jié)點T各模擬1次，每組泄漏工況需模擬19次。當(dāng)未發(fā)生泄漏時，控制氣源用戶1供氣量、供氣壓力為定值；發(fā)生泄漏后，保持負荷用戶2的運行壓力恒定；氣源用戶1供氣參數(shù)根據(jù)實際情況改變，實現(xiàn)用戶端穩(wěn)壓狀態(tài)下泄漏模擬。泄漏工況見表3。

表3 泄漏工況Table 3 Summary of leakage conditions

2.3 邊界條件及模擬過程

氣源用戶1邊界條件為最大流量和最大壓力，確保供氣量為定值,且供氣壓力不超過400 kPa；負荷用戶2邊界條件為最小壓力，負荷用戶2正常運行，同時確保氣源用戶1供氣壓力為定值；泄漏處3無邊界條件限制。模擬前泄漏孔徑為0 mm、泄漏系數(shù)為1、外界壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

模擬過程為動態(tài)模擬，單次模擬時長180 s，每秒輸出1次結(jié)果，模擬結(jié)束共生成180組結(jié)果，并生成1份模擬報告。模擬時間為0～60 s，為非泄漏正常供氣工況；模擬時間為61～180 s，為泄漏工況；將第61 s作為泄漏時間t的第1 s。根據(jù)泄漏工況，改變泄漏處3的泄漏孔徑、泄漏系數(shù)，并保持泄漏狀態(tài)直至模擬結(jié)束。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果

根據(jù)泄漏工況及模擬結(jié)果，選取泄漏時間t為1～28 s用戶端流量監(jiān)測值，繪制不同工況條件下不同泄漏位置用戶端流量變化，如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

由圖2可知，當(dāng)燃氣管道任意位置發(fā)生泄漏，改變泄漏工況，用戶端瞬時流量由非穩(wěn)定狀態(tài)達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間介于6～14 s之間，分別為6,14，5,8,8,6 s，并出現(xiàn)6～14 s流量擾動時間域。

圖2 不同工況下不同泄漏位置用戶端瞬時流量Fig.2 Variation flow rate of client in different leakage position under different working conditions

由圖2(a)～(e)可知，工況2與工況5由非穩(wěn)定泄漏狀態(tài)達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間大于工況1，說明供氣量與供氣壓力越大，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間越長，三角孔泄漏比圓孔泄漏達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間更長；工況3達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)時間小于工況1，說明泄漏孔徑越大，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間越短。

由圖2(a)與(f)可知，工況1與工況6達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間相同，說明當(dāng)泄漏孔徑、供氣量、供氣壓力、泄漏形式相同，僅改變供氣形式時，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間不變，均為6 s。

此外，通過對比圖2任意子圖中曲線B與曲線T發(fā)現(xiàn)，泄漏位置距離氣源越近，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間越長。

由圖2可知，供氣壓力越小、供氣量越大、泄漏孔徑越小，不同泄漏位置穩(wěn)定泄漏狀態(tài)下瞬時流量差異性更加顯著。

3.3 流量擾動幅度

由3.2可知，不同工況下不同泄漏位置用戶端瞬時流量達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)平均時間為7.5 s，因此，選取近似時間8 s研究流量擾動幅度。對泄漏時間段0～8 s用戶端瞬時流量進行擬合，繪制不同泄漏位置用戶端流量擾動幅度曲線如圖3所示。流量擾動幅度定義如式(3)所示：

(3)

式中：Q1為某泄漏位置處t1時間瞬時流量值，m3/h；Q2為某泄漏位置處t2時間瞬時流量值，m3/h；t1，t2分別為某泄漏位置處泄漏時間，s，t2-t1=1 s。

圖3 不同泄漏位置用戶端流量擾動幅度Fig.3 Flow disturbance amplitude second by second at used end when leakage occurred at different nodes after fitting

由圖3可知，當(dāng)泄漏處3位于結(jié)點B～I時，流量擾動幅度曲線先增加后減小；當(dāng)泄漏處3處于結(jié)點J～T時，流量擾動幅度曲線持續(xù)下降。結(jié)果表明：泄漏處3距離用戶端越近，流量擾動幅度越大，距離用戶端越遠，流量擾動幅度越小。

為進一步驗證上述結(jié)論可靠性，將管長由500 m分別調(diào)整為1 000 m和200 m，并繪制用戶端流量擾動曲線如圖4 所示。由圖4(a)可知，管長增加，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間顯著增長，用戶端流量擾動幅度先增大后減??；由圖4(b)可知，管長減小，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間顯著縮短，且流量擾動幅度單調(diào)遞減。

圖4 不同管長在不同泄漏位置用戶端流量擾動幅度Fig.4 Flow disturbance amplitude second by second at used end when leakage occurred at different nodes with different pipeline length(1 000 m and 200 m)

4 結(jié)論

1)中壓燃氣管道任意位置發(fā)生泄漏，用戶端出現(xiàn)流量擾動現(xiàn)象；供氣壓力、供氣量及泄漏孔徑影響流量擾動持續(xù)時長；供氣壓力越高、供氣量越大、泄漏孔徑越小，流量擾動持續(xù)時間越長，有利于進行泄漏檢測和定位。

2)流量擾動幅度呈現(xiàn)2種變化趨勢：先增后減和單調(diào)遞減。管道長度越短，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間顯著縮短，流量擾動幅度單調(diào)遞減；管道長度越長，達到穩(wěn)定泄漏狀態(tài)所需時間顯著增長，用戶端流量擾動幅度先增后減小。

3)泄漏位置距離用戶端越近，流量擾動幅度越大，反之越小。因此，可以依據(jù)流量擾動幅度下降情況判斷泄漏位置。流量擾動幅度與泄漏位置關(guān)系的提出，為燃氣管道泄漏檢測與定位提供理論支撐。