埋地供熱管道周圍的土壤溫濕度特征研究

劉宜霖 杜聰 劉聯(lián)勝 王曉雪

摘要 以承德某地下熱力管道為研究對象，結(jié)合實際參數(shù)，建立多孔介質(zhì)中的供熱管道的三維CFD模型，對管道及周圍土壤的溫濕度特征進行研究。研究結(jié)果表明：模擬與實測結(jié)果基本吻合，數(shù)理模型可靠;完好管道和故障管道均對土壤原有溫濕度場產(chǎn)生影響，且不同工況形成的地表局部溫度特征、土壤溫濕度沿深度的分布特征和隨時間的分布特征均不同;管道發(fā)生泄漏時，當(dāng)泄漏孔徑由5 mm增加到10 mm，則泄漏量增至2.9倍、土壤相對濕度增量提高12%。根據(jù)土壤溫濕度特征的差異，可定位管道、判斷管道是否發(fā)生故障、判定故障類型并評估泄漏情況;結(jié)合流量在線監(jiān)測等方式，可進行管道故障快速排查及檢修，以期避免長期泄漏事故。

關(guān) 鍵 詞 供熱管道;溫濕度;多孔介質(zhì);數(shù)值模擬;管道故障

Abstract Taking Chengde underground heating pipeline as research object， based on the actual parameters， a three-dimensional CFD model of heating pipeline in porous medium is established， and the characteristics of temperature and humidity of pipeline and surrounding soil are studied. The results show that the numerical simulation results are agreeable with the actual measurement results， so the mathematical model is reliable. The intact pipeline and the broken-down pipeline have influence on the original temperature and humidity field of soil. The local ground temperature characteristics， the distribution characteristics of soil temperature and humidity with depth and time are discrepant under different pipeline conditions. When the leakage pore diameter increased from 5 mm to 10 mm， the leakage increased by 2.9 times and the soil relative humidity increased by 12%. According to the difference of soil temperature and humidity characteristics， the pipeline can be located， the breakdown and its type can be judged， and the leakage can be evaluated. Combined with on-line flow monitoring， pipeline breakdown detection and maintenance can be carried out quickly in order to avoid long-term leakage accidents.

Key words heating pipeline; temperature and humidity; porous medium; numerical simulation; pipeline breakdown

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，集中供熱成為保障居民冬季取暖的主要方式[1]，供熱管道故障頻發(fā)造成的經(jīng)濟損失和引發(fā)的安全問題不容小覷。研究埋地管道故障特征，對故障檢測、定位故障位置及故障預(yù)判等工作具有指導(dǎo)意義[2]。針對埋地輸油管道，周鵬等[3]建立了埋地輸油管道的純導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型，通過理論計算，得出埋地管道上方地表溫度分布狀況;趙煜[4]建立了埋地輸油管道泄漏的數(shù)理模型，通過數(shù)值模擬，得到了不同條件下的埋地輸油管道泄漏的泄漏速度場和擴散范圍，給出泄漏上方地表溫度異常分布。針對埋地輸氣管道泄漏，周忠欣等[5]通過理論計算，驗證了土壤對泄漏流體的抑制作用;沈瑩[6]通過數(shù)值模擬，給出了土壤含水率及管道埋深對泄漏的影響。針對埋地供熱管道，朱前[7]建立地下熱力管道三維簡化模型，通過數(shù)值計算，得出正常運行的埋地?zé)崃艿缹ν寥罍囟葓龅挠绊?申金波等[8]、龐鑫峰[9]分別建立了地下熱力管道泄漏的二維、三維簡化模型，模擬了管道泄漏對土壤溫度場的影響，得到正常管道下和管道發(fā)生泄漏后的大地溫度場間的差異。Manekiya等[10]使用紅外熱像儀拍攝泄漏管道上方地表，得到泄漏發(fā)生后不同時刻的地表溫度分布，驗證管道泄漏會造成地表溫度分布異常。Atef等[11]利用紅外熱像技術(shù)進行現(xiàn)場拍攝，研究泄漏管道對溫度場造成的影響，將其與探底雷達相結(jié)合，得出一套關(guān)于泄漏管道的診斷及定位方法。

關(guān)于埋地供熱管道的研究中，目前常見關(guān)注于土壤溫度場變化，利用溫度場變化進行泄漏定位，而對土壤濕度場變化的研究較少見，本文將同時研究埋地供熱管道周圍的土壤溫度場、濕度場的變化，即對流動傳熱的耦合過程進行模擬。

1 埋地供熱管道模型

1.1 物理模型

以承德市某供熱一次網(wǎng)分支管道為例，管道埋深1.2 m，管道直徑100 mm，管壁厚4 mm，管道內(nèi)的供熱工質(zhì)為水，管道外包厚度為20 mm的聚氨酯保溫層。

埋地管道對周圍土壤溫度場產(chǎn)生影響，在管道埋深方向，對比埋管土壤和同深度的自然土壤，差值小于1 ℃時，設(shè)定為土壤恒溫層;在土壤水平方向，溫度梯度變化小于0.5 ℃/m時，設(shè)定為土壤絕熱層[12]。依據(jù)該埋地?zé)峁苷＿\行下的土壤溫度場，選定地下深10 m處為恒溫層，水平距管道軸心±5 m處為絕熱層，建立如圖1的埋地管道模型。

1.2 數(shù)學(xué)模型

泄漏工質(zhì)在土壤中遷移，是多孔介質(zhì)中的多相滲流過程，使用VOF模型和多孔介質(zhì)模型進行描述;計算管道內(nèi)的流動參數(shù)，可判定工質(zhì)在管道中的流動狀態(tài)是湍流，使用Realizable k-ε模型進行描述。推導(dǎo)得到數(shù)值計算中涉及的控制方程組如下：

1.3 模擬假設(shè)

基于Fluent中多孔介質(zhì)模型和多相流模型的特點，埋地供熱管道模型的簡化過程建立在以下假設(shè)基礎(chǔ)上：土壤各向同性，孔隙分布均勻，固相骨架非變形;非飽和土壤中，液相和氣相均連續(xù)且不互溶，不考慮工質(zhì)相變;泄漏工質(zhì)進入多孔介質(zhì)后的流動為層流;多孔介質(zhì)內(nèi)各相處于熱力平衡狀態(tài);土壤與埋管接觸良好，無接觸熱阻。

1.4 邊界條件及初始條件

土壤計算域上邊界為地表，模擬工況在供暖末期，根據(jù)承德市當(dāng)?shù)貧夂驐l件，設(shè)置地表邊界溫度為[TS=272]K，對流換熱系數(shù)為15 W/（m2?K）;土壤計算域下邊界為恒溫層，溫度為[TC=285]K;土壤兩側(cè)邊界為絕熱層，溫度、壓力隨土壤深度的變化發(fā)生改變，通過UDF編程，定義絕熱層邊界條件函數(shù)T = T（y），P = P（y）。

管道內(nèi)供水溫度[TW=363]K，供水壓力[TW=0.42]MPa。

1.5 計算條件

經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，三維計算域網(wǎng)格數(shù)量約為110萬;經(jīng)時間步長無關(guān)性驗證，選定時間步長0.01 s。

對承德土壤進行取樣測量和計算[8]，多孔介質(zhì)孔隙率為γ = 0.4，黏性阻力系數(shù)為9.36 × 108，慣性阻力系數(shù)為12 750。表1給出添加的固體材料物性參數(shù)，流體材料選擇默認的空氣、液相水。土壤初始相對濕度約為15%。

2 模擬工況

分別對該供熱一次網(wǎng)分支管道的完好工況、保溫層破損工況、管道泄漏工況進行模擬：

1）完好工況：管壁、保溫層均完好。

2）保溫層破損工況：管壁完好、保溫層破損。對應(yīng)工程現(xiàn)場開挖結(jié)果，在保溫層正上部作橢圓形切除，破損直徑約為20 mm。

3）管道泄漏工況：管壁泄漏，默認保溫層也被泄漏工質(zhì)沖破。對應(yīng)工程現(xiàn)場開挖結(jié)果，同時在保溫層、管壁正上部作圓形切除，泄漏直徑約為5 mm。

對比模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際拍攝、測量結(jié)果，現(xiàn)場實測使用FLIR ThermaCAMTM S65便攜式紅外熱像儀和OSC-1型土壤溫濕度檢測儀。

3 結(jié)果及分析

3.1 不同工況下的地表溫度場

發(fā)現(xiàn)管道故障并進行現(xiàn)場拍攝時，無法確定故障已經(jīng)發(fā)生的實際時間，對照實測和模擬的地表最高溫度，選取模擬計算中保溫層破損第90 min、管道泄漏第35 min的結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖2、圖3和圖4分別是完好工況、保溫層破損工況和管道泄漏工況下的地表溫度場，圖5是以地表溫度最高值為中心，沿管道軸向、徑向的地表溫度分布。不同工況下，模擬結(jié)果和實測結(jié)果的地表溫度特征均基本吻合，驗證了數(shù)理模型的可靠性。

圖2完好工況下，管道正上方的地表溫度略高于周圍地表溫度，沿管道軸向形成一條等值亮線，隨著與管道距離的增加，地表溫度沿管道徑向遞減。表明管道的存在對周圍土壤的溫度有影響，土壤溫度升高，但由于存在保溫層，且管道的埋深較深，地表的溫升并不明顯。

圖3保溫層破損后，破損位置上方的地表出現(xiàn)高溫異常，異常區(qū)形狀與破損形狀對應(yīng)，呈橢圓形且溫度由中心向四周遞減;余下地表的溫度特征與完好工況類似，形成溫度高于周圍的亮線。表明在保溫層破損部位，高溫管道直接與周圍土壤換熱，換熱擴散至地表，在對應(yīng)位置形成局部高溫區(qū)域。

圖4管道泄漏后，泄漏位置上方的地表出現(xiàn)高溫異常，異常區(qū)形狀與泄漏形狀對應(yīng)，呈圓形且溫度由中心向四周遞減;余下地表的溫度變化尚不明顯，是因為泄漏時間較短，正常管道對周圍土壤溫度的影響尚未傳至地表。表明在管道泄漏部位，高溫供熱工質(zhì)直接進入土壤中，與土壤發(fā)生劇烈換熱，換熱擴散至地表，且到達地表所需的時間更短，在對應(yīng)位置形成局部高溫區(qū)域。

圖5的地表溫度場分布均呈現(xiàn)軸對稱，其中模擬結(jié)果更均勻，主要原因是模擬時假設(shè)土壤分布均勻且各向同性，而實際土壤并非均勻分布。不同工況下發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程不同，造成地表溫度分布特征存在明顯差異，可用于埋地?zé)崃艿拦收系某醪皆\斷。

3.2 不同工況下的土壤濕度

在管道故障現(xiàn)場開挖的過程中，對土壤相對濕度進行測量，自地表高溫中心開始，沿埋深向下，每隔0.1 m記錄一次數(shù)據(jù)。圖6仍選取保溫層破損第90 min、管道泄漏第35 min的模擬結(jié)果，與實測結(jié)果進行對比驗證，變化趨勢基本吻合。

保溫層破損后，土壤濕度變化范圍較小，隨著土壤深度的增加，濕度略有下降;管道發(fā)生泄漏后，土壤濕度變化范圍較大，土壤濕度隨著深度的增加而增加，即越靠近泄漏位置，土壤濕度越大。表明保溫層破損時，管道周圍土壤的溫濕遷移，是以破損點為固定熱源的驅(qū)動過程，非飽和土壤中原有的水分隨傳熱過程發(fā)生熱濕耦合遷移，靠近破損位置的土壤水分向熱量擴散的方向擴散;而管道發(fā)生泄漏時，管道周圍土壤的熱濕遷移，是泄漏工質(zhì)引起的有源流動作為遷移驅(qū)動力，泄漏工質(zhì)進入土壤，靠近泄漏位置的土壤濕度增加，且隨著泄漏時間的增加，工質(zhì)在土壤中遷移擴散直至地表。

因此，保溫層破損故障和管道泄漏故障形成的地表高溫區(qū)下方的土壤，在沿埋深方向的濕度變化的規(guī)律不同?？山Y(jié)合地表溫度分布和土壤濕度分布，進一步診斷管道故障類型。

3.3 泄漏工質(zhì)遷移過程

3.3.1 泄漏工質(zhì)遷移相圖

根據(jù)泄漏工質(zhì)的遷移分布特點，圖7是截取泄漏位置周圍及上方的泄漏工質(zhì)體積相圖。泄漏工質(zhì)自管道進入土壤，在自身重力、慣性力、土壤阻力、毛細壓力等力的共同作用下，驅(qū)替多孔介質(zhì)土壤孔隙中原有的空氣相;隨時間的推移，泄漏工質(zhì)完全占據(jù)部分孔隙，且向附近孔隙推進，即泄漏工質(zhì)以泄漏口為擴散源，向四周擴散。

泄漏初期，工質(zhì)的橫向、縱向擴散呈現(xiàn)出近似相等的趨勢，隨著泄漏時間的增加，泄漏總量足夠大時，擴散不再均勻，縱向擴散更劇烈，驅(qū)替推進的橫向邊緣梯度大于縱向。這是因為泄漏流體受多孔介質(zhì)黏性阻力、慣性阻力作用，以及孔隙中原有流體的阻滯作用，主要向工質(zhì)泄漏出口速度方向擴散。

管道附近，軸向擴散的范圍大于徑向，且隨著泄漏時間的增加，軸向大于徑向的擴散特征更明顯。這是因為軸向擴散受到管道的阻礙，不發(fā)生垂向的擴散遷移。

泄漏位置位于管道上部，徑向相圖最初呈向上的扇形，隨著泄漏總量的增加，徑向相圖呈有缺口的類圓形。這是因為泄漏開口向上，泄漏初期，工質(zhì)因慣性保持原有運動狀態(tài)，即首先向上擴散遷移;缺口的存在是因為泄漏工質(zhì)在重力作用下，出現(xiàn)垂向擴散遷移，又由于土壤毛細壓力、土壤阻力的存在，向下擴散的速度減小，泄漏熱水的垂向遷移在一定距離下穩(wěn)定，不再繼續(xù)向下，在管道周圍形成繞流流場。

3.3.2 泄漏引起的土壤溫濕度變化

自地表高溫中心開始，沿埋深方向向下，圖8、圖9分別記錄土壤相對濕度、溫度隨泄漏時間和土壤深度的變化。

圖8a）中，土壤初始相對濕度均為15%，隨著泄漏時間的增加，任意深度的土壤的相對濕度均增加;約20 min后，各深度的土壤相對濕度均不再發(fā)生變化，達到相對穩(wěn)定，且不同深度的土壤相對濕度穩(wěn)定值不同。圖8b）中，在泄漏過程的任意時刻，土壤相對濕度均隨著深度的增加而增加，埋深1 m處的土壤在泄漏15 min后接近飽和。表明隨著泄漏的進行，工質(zhì)不斷遷移擴散到非飽和土壤中，驅(qū)替空氣相、填充土壤孔隙，直至泄漏工質(zhì)受力趨向平衡，管內(nèi)流體、泄漏流體及土壤孔隙流體形成穩(wěn)態(tài)流場;靠近泄漏位置的非飽和土壤孔隙完全被泄漏工質(zhì)填充，成為飽和土壤。

圖9a）中，土壤初始溫度均勻，與環(huán)境溫度一致，隨著泄漏時間的增加，各深度的土壤溫度均增加;如圖9b）所示，泄漏后任意時刻，土壤溫度均隨深度的增加而增加。表明越靠近泄漏位置的土壤，溫度變化發(fā)生的越早，且升溫趨勢越明顯;泄漏后期，土壤整體升溫趨勢變緩，溫度變化也趨于相對穩(wěn)定。

對比圖8a）和圖9a），相同深度的土壤，溫度和濕度曲線開始變化的時間不同，且在泄漏后第20 min時，濕度均達到相對穩(wěn)定，溫度仍在變化，與濕度變化相比，溫度變化體現(xiàn)出滯后性。這是因為工質(zhì)泄漏至地表的過程中不斷和周圍土壤換熱，土壤不斷和地表環(huán)境換熱，最初到達地表的泄漏工質(zhì)的溫度已經(jīng)遠低于泄漏初始溫度;此外，最初換熱發(fā)生在工質(zhì)和地表土壤間，在泄漏工質(zhì)達到地表后，還會發(fā)生不同溫度的泄漏工質(zhì)之間的換熱，換熱情況愈加復(fù)雜且強烈。

對比圖8b）和圖9b），泄漏后任意時刻，隨著土壤深度的增加，溫度、相對濕度均增加，體現(xiàn)了非飽和土壤中以有源流動為遷移驅(qū)動力的熱濕耦合遷移特征。表明熱量的擴散傳遞與泄漏工質(zhì)的擴散遷移過程基本吻合，均以泄漏口為擴散源，不斷擴散到土壤中，即泄漏工質(zhì)在擴散的過程中，不斷與土壤換熱，隨著泄漏時間的增加，工質(zhì)和熱量均擴散至地表。因此在圖4中，地表與自然土壤溫度相比，會出現(xiàn)與泄漏形狀對應(yīng)的高溫區(qū)。泄漏后期，由于工質(zhì)泄漏速率穩(wěn)定，即對土壤的熱量輸入速率固定，泄漏工質(zhì)與土壤進行換熱，隨著熱影響區(qū)的增大，地表溫度升高，地表與大氣環(huán)境換熱增強，土壤的熱量耗散速率增加，與最初在泄漏口附近的小范圍升溫速率相比，土壤整體溫度的增速變緩。

3.3.3 泄漏結(jié)果的影響因素

保持管道泄漏故障模擬的其他參數(shù)不變，增大泄漏孔徑，即由原泄漏孔直徑5 mm，改為10 mm，研究泄漏結(jié)果的變化。

圖10為兩種不同泄漏孔徑下，土壤深度均為0.7 m處的土壤溫濕度隨泄漏時間的變化曲線。隨著泄漏時間的增加，兩種泄漏孔徑下，土壤溫濕度均有不同程度的增加，且最終維持在不同的穩(wěn)定值。泄漏孔徑為5 mm時，泄漏出口的質(zhì)量流量為0.227 kg/s，土壤相對濕度穩(wěn)定值約為19%，相對于初始值提高了4%;泄漏孔徑為10 mm時，泄漏出口的質(zhì)量流量為0.661 kg/s，土壤相對濕度穩(wěn)定值約為41%，相對于初始值提高了16%。結(jié)果表明，泄漏孔徑增大至2倍時，泄漏質(zhì)量流量增大至約2.9倍，土壤相對濕度增加12%。

工質(zhì)泄漏量取決于內(nèi)外壓力差、泄漏孔徑和流量系數(shù)，模擬中不改變管道運行參數(shù)、土壤參數(shù)及環(huán)境參數(shù)，即不改變流量系數(shù)和壓力差，則泄漏量僅取決于泄漏孔徑，泄漏量隨泄漏孔徑的增加而增加。不同泄漏孔徑下，同一深度的土壤的溫度和相對濕度均體現(xiàn)出差異，其中相對濕度的差異更顯著，據(jù)此，可結(jié)合地表溫度特征及淺層開挖中測得的土壤溫濕度特征判斷泄漏情況。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實測參數(shù)建立了埋地供熱管道的數(shù)理模型，對不同工況下的管道及周圍土壤的溫濕度場進行模擬。主要結(jié)論如下：

1）依據(jù)完好管道周圍的土壤溫度場，可確定發(fā)生故障的埋地供熱管道的模型尺寸。對比完好管道、保溫層破損的管道、泄漏管道的實測和模擬結(jié)果，均驗證了埋地供熱管道的數(shù)理模型的可靠性。

2）完好管道、保溫層破損的管道和發(fā)生泄漏的管道均對周圍及地表的土壤溫濕度分布產(chǎn)生影響，且溫濕度分布特征存在明顯差異。完好管道的地表溫度特征，可用于判斷埋地管道的位置;不同管道故障造成的地表溫度及土壤濕度分布特征的差異，可用于判斷故障是否發(fā)生、故障的類型并定位故障位置。

3）改變泄漏尺寸，形成的土壤溫濕度場的特征類似，但最終穩(wěn)態(tài)濕度結(jié)果不同，孔徑增大至2倍時，濕度增加12%。發(fā)生泄漏事故時，同一深度的土壤濕度差異，可用于評估泄漏情況。

4）長期泄漏但未進行修復(fù)的事故較為少見，長期泄漏會導(dǎo)致保溫層剝離，外護管、土壤局部塌陷，模型需要重構(gòu)。針對泄漏發(fā)生較短時間內(nèi)，保溫層、土壤尚未出現(xiàn)嚴重破壞的情況進行研究，利用土壤溫濕度場特征配合具有流量在線監(jiān)測、24 h定期巡檢制度的供熱管網(wǎng)進行故障排查，從而避免長期泄漏事故的存在。

參考文獻：

[1] 于春龍.幾種集中供熱方式的分析與比較[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28（1）： 40-42.

[2] 雷翠紅.供熱管網(wǎng)泄漏故障診斷的研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[3] 周鵬，王明時，陳書旺，等.用紅外成像法探測埋地輸油管道[J].石油學(xué)報，2006，27（5）： 127-130，134.

[4] 趙煜，呂孝飛，郭文敏，等.埋地原油管道穩(wěn)態(tài)泄漏數(shù)值模擬[J].石油機械，2019，47（6）： 114-120.

[5] 周忠欣，周健南，金豐年，等.埋地天然氣管道泄漏量計算與分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，18（3）： 243-248.

[6] 沈瑩.埋地低壓天然氣管道泄漏擴散數(shù)值模擬分析[D].北京： 北京建筑大學(xué)，2019.

[7] 朱前.埋地?zé)崃艿乐車寥罍囟葓鰯?shù)值模擬及應(yīng)用研究[D].西安： 西安石油大學(xué)，2017.

[8] 申金波，王松嶺，吳正人，等.考慮土壤耦合傳熱特性的地下供熱管道泄漏溫度場仿真分析研究[J].電力科學(xué)與工程，2012，28（1）： 37-41.

[9] 龐鑫峰.埋地供熱管道泄漏三維大地溫度場仿真計算[D].大慶： 大慶石油學(xué)院，2006.

[10] MANEKIYA M H，ARULMOZHIVARMAN P.Leakage detection and estimation using IR thermography[C]//2016 International Conference on Communication and Signal Processing （ICCSP）.April 6-8，2016，Melmaruvathur，India.IEEE，2016： 1516-1519.

[11] ATEF A，ZAYED T，HAWARI A，et al.Multi-tier method using infrared photography and GPR to detect and locate water leaks[J].Automation in Construction，2016，61（1）： 162-170.

[12] 吳國忠，張九龍，王英杰.埋地管道傳熱計算[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003：53-77.