吳國忠 李茜 王玉石 李棟 齊晗兵 王秋實(shí)

摘 要： 天然氣管道泄漏易造成環(huán)境污染、爆炸等事故，目前檢測天然氣管道泄漏方法眾多，而光譜檢測技術(shù)具有非接觸、快速、可高空測量等優(yōu)點(diǎn)受到行業(yè)人士的關(guān)注。首先分析了天然氣管道光譜檢測技術(shù)特點(diǎn)，然后綜述了天然氣管道光譜檢測技術(shù)涉及到的天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性和天然氣光譜性質(zhì)，論述了現(xiàn)有研究的不足以及發(fā)展趨勢。

關(guān) 鍵 詞：天然氣管道；泄漏；擴(kuò)散特性；光譜檢測

中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1721-04

Research Progress of Spectra Detection Technology of

Diffusion Cloud in Natural Gas Pipeline Leakage

WU Guo-zhong1，LI Qian1，WANG Yu-shi2，LI Dong1，QI Han-bing1，WANG Qiu-shi1

（1. School of Civil Engineer and Architecture， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；

2. Experiment and Detection Research Institute， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000，China）

Abstract： Natural gas pipeline leakage is easy to cause environmental pollution， explosion and other accidents， and now many methods can detect pipeline leakage， and spectrum detection technology has the advantages of non-contact， rapid and high altitude measurement. In this paper， characteristics of the spectrum detection technology was analyzed， and then gas diffusion characteristics of pipeline leak and gas optical properties were summarized， and the deficiency of existing research and development trend were discussed.

Key words： natural gas pipeline； leakage； diffusion characteristics； spectra detection

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣作為一種清潔、高效、便宜的能源正越來越受到人們青睞。這不僅為人們的生活提供了便利，與此同時也帶來了相應(yīng)的風(fēng)險。天然氣的輸送主要通過管道輸送，國內(nèi)天然氣管道總長里程約5.5萬km[1]，敷設(shè)形式主要有兩種架空管道和埋地管道。由于管道自身以及外界因素的影響，管壁很容易老化變薄，最終可能造成管道泄漏事故的發(fā)生。管道泄漏影響正常輸送，容易發(fā)生著火、爆炸，造成重大的人員傷亡，嚴(yán)重威脅周邊人們的身體健康以及經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)安全。

天然氣管道泄漏的檢測方法有很多，如生物檢測[2]、聲波檢測法[3]、負(fù)壓波法[4]以及光譜檢測法[5]等。每種檢測方法都有各自的利弊，其中光譜檢測法屬于非接觸測量方法，具有可高空測量、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，因此光譜檢測技術(shù)在天然氣管道泄漏檢測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。天然氣管道泄漏擴(kuò)散云團(tuán)光譜特性是天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。天然氣管道泄漏擴(kuò)散云團(tuán)光譜特性涉及天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性和天然氣光譜性質(zhì)，其中近年來有關(guān)天然氣管道泄漏擴(kuò)散研究很多，然而對天然氣光譜性質(zhì)研究較少。

本文首先分析了天然氣管道光譜檢測技術(shù)特點(diǎn)，然后綜述了天然氣管道光譜檢測技術(shù)涉及到的天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性和天然氣光譜性質(zhì)，論述了現(xiàn)有研究的不足以及發(fā)展趨勢。

1 天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)

天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)主要包括激光檢測技術(shù)、光纖檢測技術(shù)、紅外檢測技術(shù)。

1.1 激光檢測技術(shù)

激光檢測技術(shù)是目前應(yīng)用較多的一項(xiàng)光譜檢測技術(shù)，其原理如圖1所示。該技術(shù)利用氣體對光譜選擇吸收的特性，當(dāng)激光掃過泄漏點(diǎn)時，一部分激光能量被氣體云團(tuán)吸收，另一部分氣體通過反射被探測器吸收，根據(jù)回波功率和初始功率利用朗博比爾定律反演氣體濃度，基本公式如[6]

（1）

式中：P — 激光的回波功率；

k — 光學(xué)接收效率；

P0 — 初始功率；

S — 吸收光程；

ν — 激光頻率；

CR — 甲烷氣體的路徑積分濃度。

圖1 激光檢測試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖[7]

Fig.1 The principle diagram of the laser test system[7]

目前對天然氣管道泄漏的檢測，主要采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)。例如，張帥等[8]采用波長為1.65 μm可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器對天然氣管道泄漏進(jìn)行了測試，并通過進(jìn)行了天然氣泄漏模擬實(shí)驗(yàn)，針對遙測回波吸收光譜特性，提出了改進(jìn)軟閾值小波去噪法，提高了移動遙測靈敏度，可達(dá)80×10-6。

1.2 光纖檢測技術(shù)

光纖檢測技術(shù)是一種新興的檢測技術(shù)，主要基于干涉的光纖傳感檢測技術(shù)，其原理是泄漏氣體使光纖內(nèi)兩束光的相位發(fā)生變化，從而檢測管道泄漏。光纖檢測可以快速檢測管道泄漏并定位泄漏位置，但需要接觸測量。周琰等人[9]基于Mach-Zehnder干涉原理，利用半導(dǎo)體激光器（LD）光源以及光纖作為傳感器，在管徑159 mm和長100 m的壓縮空氣管道進(jìn)行檢測試驗(yàn)，通過分析管道沿途的振動信號，實(shí)現(xiàn)管道泄漏檢測，其定位相對誤差為0.41%。

1.3 紅外成像檢測技術(shù)

紅外成像檢測技術(shù)[10-11]主要是通過紅外成像系統(tǒng)探測到泄漏氣體云團(tuán)與背景的輻射差，或氣體泄漏前后溫度場的差異，實(shí)現(xiàn)管道氣體泄漏檢測，屬于非接觸式檢測方法。李家琨[12]等采用非制冷焦平面探測器設(shè)計了一套寬波段氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)，利用子波段切換方式，實(shí)現(xiàn)在3～12 μm紅外波段大多種氣體高靈敏度檢測。

2 天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性

2.1 架空天然氣管道

影響架空天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性的因素有大氣溫度、環(huán)境風(fēng)速、日光、管道泄漏條件等。目前研究架空天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性的方法主要分為實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真研究。

氣體泄漏擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，是研究氣體擴(kuò)散特性的基本方法，可以在不需要任何假設(shè)的情況下，獲得實(shí)際情況下的氣體擴(kuò)散特性，得到的數(shù)據(jù)更加可靠。國外關(guān)于氣體或液化氣體泄漏擴(kuò)散特性的實(shí)驗(yàn)研究，從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在一直很活躍，試驗(yàn)介質(zhì)包括液化天然氣、液化石油氣、二氧化硫、液氨及氟化氫等，多利用相似原理進(jìn)行分析和野外風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[13]，已經(jīng)提出了一系列擴(kuò)散模型，而且分析了風(fēng)速等外界環(huán)境的影響。例如肖淑衡[14]等人利用1.2 m×0.6 m×0.6 m的有機(jī)玻璃罩模擬擴(kuò)散區(qū)域，風(fēng)機(jī)送風(fēng)控制風(fēng)向和風(fēng)速，采用高度為20 cm的儲罐進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，在10個不同位置設(shè)置探針取樣，對大氣邊界層天然氣泄漏擴(kuò)散過程及影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，泄漏方向和風(fēng)速對擴(kuò)散濃度影響較大，靜風(fēng)時空間點(diǎn)的氣體濃度隨泄漏時間逐漸增大，風(fēng)速越大，空間點(diǎn)的氣體濃度值下降越大。

數(shù)值仿真在天然氣泄漏擴(kuò)散中應(yīng)用比較廣泛，現(xiàn)在常用的氣體擴(kuò)散模型主要采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，組分模型采用不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)輸模型，選用耦合隱式求解，一階迎風(fēng)控制離散格式。李振林等人[15]利用FLUENT采用耦合隱式解法，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型及不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)輸模型，對高含硫天然氣管道破裂泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，天然氣總能到達(dá)計算區(qū)域上邊界，低空受風(fēng)速影響較小，高度越高，風(fēng)速影響越大。

從多數(shù)學(xué)者的研究可以看出，影響天然氣擴(kuò)散特性的因素主要有溫度、風(fēng)速以及泄漏條件等。天然氣的溫度對其擴(kuò)散影響很大，而天然氣具有光譜選擇性氣體，由此可見，分析天然氣光譜特性對其擴(kuò)散的影響也是今后的研究內(nèi)容之一。

2.2 埋地天然氣管道

在埋地管道泄漏擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)方面，多數(shù)學(xué)者做了有關(guān)氣體滲流的實(shí)驗(yàn)，從而研究氣體在土壤中的擴(kuò)散過程。熊兆紅等人[16]以泄漏孔徑為20 mm的埋地管道為研究對象，利用0.5 m×0.5 m×0.5 m的土箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，土箱側(cè)面鉆有測壓孔，在測壓孔處連有壓力傳感器，通過測得的壓力值研究天然氣在土壤中的擴(kuò)散規(guī)律，得到了非達(dá)西滲流系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。謝昱姝等[17]在實(shí)驗(yàn)坑（4 m×4 m×2 m）中布置泄漏口為2 mm的管道，泄漏口在坑正中央，泄漏口周圍埋有濃度傳感器，并通過GasClam系統(tǒng)每隔3 min自動檢測土壤溫度、壓力及大氣壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)散時間與距泄漏口距離呈近似冪指數(shù)關(guān)系，泄漏量和泄漏壓力直接影響泄漏過程。

埋地管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬方面，張鵬和程淑娟[27]建立燃?xì)庠谕寥乐行孤┑挠嬎隳Ｐ秃蛿U(kuò)散模型，通過量綱分析方法進(jìn)行求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力一定條件下，泄漏孔徑越大，泄漏量越大，擴(kuò)散速率越大，同時發(fā)現(xiàn)土壤屬性是影響擴(kuò)散的關(guān)鍵因素。Qin等人[18]基于單相滲流和高速非達(dá)西滲流理論，研究了埋管道小泄漏的擴(kuò)散規(guī)則，建立了滲流的數(shù)學(xué)模型用FVM求解控制方程，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

從上述文獻(xiàn)可以看出，現(xiàn)在常用的埋地管道泄漏氣體擴(kuò)散研究方法主要是通過非達(dá)西定律理論建立擴(kuò)散模型，利用CFD模擬采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型和多組分模型并用FVM求解，影響因素中土壤的屬性天然氣擴(kuò)散距離和擴(kuò)散濃度影響較大。

3 天然氣光譜特性

天然氣光譜特性是指天然氣的吸光度、透射率以及光學(xué)常數(shù)等光學(xué)物性隨波長的變化情況。光譜學(xué)測量技術(shù)是測量天然氣光譜特性的主要方式，包括傅立葉紅外光譜技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)、差分光學(xué)吸收光譜技術(shù)和聲光聲譜法。

3.1 傅里葉紅外光譜技術(shù)

傅里葉紅外光譜技術(shù)是基于邁克爾遜干涉原理，利用傅里葉變換光譜儀測得物質(zhì)的原始光譜圖，然后計算機(jī)對原始光譜圖進(jìn)行快速傅里葉變換計算，從而得到波數(shù)或波長的函數(shù)光譜圖。此方法具有靈敏度高、控制系統(tǒng)簡單、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

陳淑星[19]采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)研究了甲烷的光譜特性，通過實(shí)驗(yàn)得到甲烷主次吸收峰（主吸收峰 3 017 cm-1，次吸收峰1 305 cm-1）附近波數(shù)光譜，通過光譜數(shù)據(jù)建立偏最小二乘法（PLS）預(yù)測模型，分析了溫度和壓強(qiáng)對甲烷紅外光譜的影響。其結(jié)果表明，壓強(qiáng)范圍為20～205 kPa，溫度范圍為28.5～140 ℃時，甲烷紅外光譜的譜帶吸收強(qiáng)度和寬度均隨溫度和壓強(qiáng)的升高而增大，吸收峰面積與溫度和壓強(qiáng)變量之間均近似成線性關(guān)系，預(yù)測模型相對誤差不超過2.79%。

3.2 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是利用氣體紅外吸收的性質(zhì)，把近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器和基于波長或頻率調(diào)制的探測技術(shù)相結(jié)合，得到被測氣體在特征吸收光譜范圍內(nèi)的吸收譜線，通過分析求出待測氣體的濃度。半導(dǎo)體激光器因其快速調(diào)諧和單色性高的特性，在對目標(biāo)氣體測量過程中能夠有效地避免干擾氣體的影響?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的原理也是朗博比爾定律，波長調(diào)制過程是通過把一個正弦分量疊加到激光器注入電流來實(shí)現(xiàn)。

夏慧等[20]基于TDLAS技術(shù)采用分布反饋式砷化鎵半導(dǎo)體激光器掃描甲烷在1 653.72 nm波長附近吸收峰，通過對不同溫度和不同濃度兩種條件的測量表明，370 K和500 K時最小探測限分別為100×10-6和245×10-6。

3.3 差分吸收光譜技術(shù)

差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）是利用同一氣體或不同氣體對不同波段吸收不同的特性，通過分析某一波段的的吸收光譜，從而得到待測氣體的濃度。此方法具有工作效率高、測量范圍廣、濃度測量下限低等優(yōu)點(diǎn)，由于測量極限取決于差分吸收截面，可測得濃度低于1×103 mg/m3的氣體[21]。周斌等人[22]在利用差分吸收光譜技術(shù)對大氣污染物的研究中，并通過最小二乘法擬合光譜曲線，發(fā)現(xiàn)噪聲和其他氣體影響差分吸收光譜系統(tǒng)精度信噪比越小測量誤差越大，干擾氣體吸收截面與待測氣體越相似誤差越大，因此選擇合適的波段很重要。

3.4 光聲光譜法

光聲光譜法是利用紅外吸收的原理，一般采用半導(dǎo)體激光器作為光源，照射到光聲池，光聲池內(nèi)氣體吸收特定波長的光被激發(fā)，又通過受輻射躍遷回基態(tài)而引起溫度和壓強(qiáng)的變化，產(chǎn)生光聲信號，實(shí)現(xiàn)光、溫、聲的能量轉(zhuǎn)化，原理如圖2。

圖2 光聲光譜原理圖[23]

Fig.2 The principle diagram of the photoacoustic spectroscopy[23]

光聲光譜法具有選擇性好靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，對一氧化碳、瓦斯、乙炔等氣體的檢測都有較好的效果。例如，陳偉根[23]等人利用分布反饋式半導(dǎo)體激光器搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，研究26 ℃、0.1 MPa條件下，CO分子在近紅外1.567 μm光聲信號與紅外特性，及其與氣體濃度和激光功率的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體吸收不飽和時，光聲信號與氣體濃度和激光功率呈線性關(guān)系。

4 結(jié) 論

現(xiàn)有的關(guān)于天然氣管道泄漏擴(kuò)散云團(tuán)光譜性質(zhì)的研究，主要是對天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性和天然氣光譜性質(zhì)分別討論，但沒有擴(kuò)散云團(tuán)的光譜特性的研究。天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性多采用商業(yè)軟件進(jìn)行模擬，但大多數(shù)研究只考慮風(fēng)速、壓力等的影響，并沒有考慮天然氣溫度、粘度等物性和天然氣的光譜特性對其擴(kuò)散過程的影響。對于天然氣光譜特性的研究，天然氣光譜特性的數(shù)據(jù)仍不是很完善，特別是天然氣光譜特性與溫度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究不深入或研究范圍較窄，因此還有待更進(jìn)一步研究。天然氣管道泄漏擴(kuò)散云團(tuán)的光譜特性的研究，將更好地為激光檢測技術(shù)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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Freeport-McMoRan公司可能削減北美小型銅鉬礦產(chǎn)量

自由港麥克莫蘭（Freeport-McMoRan）在北美的小型銅礦和鉬礦可能減產(chǎn)，以幫助削減成本，此前該公司在大宗商品價格低迷之際對成本和支出進(jìn)行了評估。作為最大的美國上市銅生產(chǎn)商，自由港公司稱正在重新審視礦業(yè)及石油天然氣業(yè)務(wù)，以便額外大幅削減資本支出和運(yùn)營成本，因銅、鉬、石油和黃金價格疲軟。 今年該公司估價下跌一半，因擔(dān)心該公司沉重的債務(wù)負(fù)擔(dān)，且銅價跌至六年低位。倫敦金屬交易所（LME）三個月期銅周二收盤上漲2.2%至每噸5，300美元，周一收報5，188美元，且曾觸及六年低位5，164美元。

Morningstar的分析師Daniel Rohr表示，該公司可能減少旗下北美一些運(yùn)作的產(chǎn)量來削減成本，2008-09年度也曾如此。

鉬是一些銅礦生產(chǎn)的副產(chǎn)品。

自由港并未給出這些礦山的成本數(shù)據(jù)。在截至6月的三個月內(nèi)，北美礦場生產(chǎn)的凈現(xiàn)金成本為每磅1.74美元。而位于印尼礦廠生產(chǎn)銅的凈現(xiàn)金成本僅為每磅81美分，位于非洲的Tenke礦為1.07美元，而南美運(yùn)作為1.90美元。

福四通金屬分析師Ed Meir指出，減產(chǎn)將成為“明年多數(shù)商品市場的主題”。Jefferies的分析師Christopher LaFemina在一份給客戶的報告中稱，盡管減少成本和支出是正確的方向，投資者可能將繼續(xù)關(guān)注該公司高達(dá)209億美元的沉重債務(wù)負(fù)擔(dān)。