惠麗麗

（中國石油天然氣股份有限公司大慶特種設(shè)備檢驗(yàn)中心 大慶 163453）

管道壓力對(duì)激光檢測天然氣管道泄漏影響分析

惠麗麗

（中國石油天然氣股份有限公司大慶特種設(shè)備檢驗(yàn)中心 大慶 163453）

在天然氣管道泄漏檢測中，激光檢測是常用的技術(shù)手段，然而激光檢測受天然氣擴(kuò)散過程的影響，會(huì)存在一定的偏差?；趯?duì)天然氣管道泄漏過程的分析，建立了架空天然氣高壓管道泄漏擴(kuò)散模型，在5p0、10p0、15p0三種管道壓力情況下，進(jìn)行了天然氣管道泄漏過程的數(shù)值分析，并探討壓力對(duì)激光檢測結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明：在三種不同的高壓管道內(nèi)，天然氣擴(kuò)散受壓力影響較小，且激光檢測結(jié)果受其影響微弱，幾乎無影響。

天然氣管道 激光檢測 管道壓力 數(shù)值模擬

管道作為輸送流體的主要方式，具有運(yùn)輸量大、能連續(xù)性運(yùn)輸、節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，然而由于管道材質(zhì)的限制及其他不可逆原因，在輸送流體的過程中會(huì)發(fā)生管道破裂而引起輸送流體的泄漏。以天然氣管道為例，管道易受細(xì)菌、電流腐蝕、外力破壞以及風(fēng)吹日曬雨淋等環(huán)境影響，都會(huì)對(duì)管道的安全運(yùn)行構(gòu)成隱患，由于管道泄漏發(fā)現(xiàn)不及時(shí)而引起的安全事故常有發(fā)生。天然氣管道泄漏擴(kuò)散是引起輸氣管道發(fā)生安全事故的根本原因[1，2]。建立滿足輸氣管道安全運(yùn)行模型，對(duì)研究天然氣擴(kuò)散特性減少事故發(fā)生有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3，4]。檢測管道泄漏方法較多[5，6]。近年來，由于激光檢測技術(shù)具有反應(yīng)快、靈敏度高、使用周期長等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于天然氣管道泄漏檢測領(lǐng)域[7，8]。Bushmeleva等[9]通過建立管道遙感裝置的計(jì)算機(jī)模型，確定出探測路徑和最優(yōu)設(shè)計(jì)值，獲得激光雷達(dá)參數(shù)。李靜等[10]以泄漏速度恒定的標(biāo)準(zhǔn)甲烷液化氣罐檢測為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并對(duì)紅外吸收法進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了天然氣泄漏的快速檢測。常岐海等[11]基于激光吸收光譜原理開發(fā)出可調(diào)諧激光光譜的站場和隧道用CH4/H2S泄漏激光檢測儀器，為天然氣管道泄漏檢測做出貢獻(xiàn)。上述研究結(jié)果表明：激光技術(shù)是檢測天然氣泄漏擴(kuò)散的一種有效手段，然而激光檢測結(jié)果受天然氣擴(kuò)散過程的影響存在一定的偏差。在不同泄漏速度、風(fēng)速、泄漏孔徑對(duì)天然氣管道泄漏的影響研究中，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，但是高壓管道下不同壓力對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散影響的研究鮮有報(bào)道。劉延雷等[12]基于高壓氫氣與天然氣的泄漏擴(kuò)散模型，數(shù)值模擬管道泄漏后氫氣與天然氣的不同泄漏擴(kuò)散特性，得出了障礙物對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響規(guī)律。董剛等[13]采用了CFD模型的方法對(duì)高壓管道內(nèi)天然氣泄漏和擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)擴(kuò)散過程的影響，研究結(jié)果表明較大的風(fēng)速使天然氣向下風(fēng)向擴(kuò)散的更遠(yuǎn)，爆炸危險(xiǎn)濃度的范圍更高。

本文的研究對(duì)象為不同高壓管道內(nèi)泄漏擴(kuò)散的天然氣氣體，建立了架空高壓天然氣管道泄漏擴(kuò)散和激光檢測模型，數(shù)值分析了高壓天然氣管道泄漏時(shí)氣體擴(kuò)散過程，并分析了不同壓力情況下，激光檢測結(jié)果受天然氣擴(kuò)散的影響規(guī)律。

1 理論模型

1.1 泄漏擴(kuò)散控制方程

天然氣管道泄漏過程中遵循流體三大守恒定律，即滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，其在環(huán)境中的流動(dòng)可看作自由射流。假定在管道泄漏中滿足以下模擬條件：無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，定常流動(dòng)，紊流、多種成分運(yùn)移模型、Realizable模型按照標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修正[14-16]。滿足以上假定模擬條件后，天然氣管道泄漏擴(kuò)散控制方程可按下式計(jì)算：

式中：

ρ —— 氣態(tài)介質(zhì)密度，kg/m3；

uj—— j方向氣態(tài)介質(zhì)的速度大小，m/s；

xj—— j方向氣態(tài)介質(zhì)的傳輸長度，m。

式中：

xi—— i方向氣態(tài)介質(zhì)的傳輸長度，m；

ui—— i方向氣態(tài)介質(zhì)的速度大小，m/s；

uj—— j方向氣態(tài)介質(zhì)的速度大小，m/s；

p —— 壓力，Pa；

μt—— 湍流黏度，kg/(m·s)；

ρa(bǔ)—— 空氣密度，kg/m3；

gi—— 重力加速度在i方向分量，m/s2。

式中：

T —— 氣態(tài)介質(zhì)溫度，K；

σT—— 表面拉應(yīng)力，Pa；

cpv—— 氣態(tài)介質(zhì)定容比熱容，J/(kg·K)；

cpa—— 氣態(tài)介質(zhì)定壓比熱容，J/(kg·K)；

cp—— 混合氣體定壓比熱容，J/(kg·K)；

σc—— 表面壓應(yīng)力，Pa；

ω —— 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中：

k —— 湍動(dòng)能；

ε —— 湍流耗散項(xiàng)；

C1ε、C2ε、σk、σε——計(jì)算參數(shù)。

湍流粘性可由式（6）計(jì)算：

式中：

1.2 激光檢測模型

激光技術(shù)可應(yīng)用于天然氣管道泄漏的檢測是以氣體分子對(duì)光譜的選擇吸收特性為基礎(chǔ)。其物理背景為：當(dāng)激光掃過管道泄漏位置時(shí)，激光的部分能量被管道泄漏的天然氣吸收，根據(jù)初始功率和回波功率的變化情況，可以反推出天然氣管道是否泄漏及其泄漏濃度?；诶什?比爾（Lambert-Beer）定律，可計(jì)算管道泄漏天然氣吸收光能的情況，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為

式中：

A —— 吸光度；

k —— 光吸收比例系數(shù)，cm2/mol；

b —— 吸收層厚度，cm；

c —— 吸光物質(zhì)濃度，mol/cm3；

T ——透射比，即透射光與入射光的比值（I1/I0）。

然而，在管道泄漏過程中，由于受實(shí)際情況的影響，從管道中泄漏的天然氣在大氣環(huán)境中的分布是不均勻的，因此可采用積分形式對(duì)激光傳輸能量損失進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為

式中：

當(dāng)發(fā)射的激光落到地面時(shí)，會(huì)有一部分激光光束發(fā)生反射，而此部分反射的激光能量被探測器偵測到，根據(jù)探測器接收能量情況反推出整個(gè)過程天然氣的吸光度為

式中：

ρ —— 地面對(duì)天然氣的反射率。

1.3 模型驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[16]中的算例驗(yàn)證本文模型，該模型的幾何條件如下：模擬空間是邊長為100m的正方形，大氣環(huán)境溫度300K，環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，管道中心距地面0.8m，管道內(nèi)天然氣溫度300K，管道泄漏口直徑為0.1m，管道泄漏速度大小為100m/s。模擬空間的入口風(fēng)速位于正方形空間的左邊界，壓力出口邊界位于正方形空間的上和右邊界且不出現(xiàn)回流，風(fēng)速大小恒為5m/s，天然氣管道非泄漏方向的壁面和大地表面都設(shè)為壁面邊界。利用Fluent模擬軟件求解此模型，計(jì)算模型結(jié)果與參考文獻(xiàn)[16]對(duì)比，如圖1所示。

圖1 天然氣管道泄漏擴(kuò)散結(jié)果

由圖1可以明顯看出，該模型計(jì)算得到的天然氣泄漏擴(kuò)散云團(tuán)與參照文獻(xiàn)[16]模擬得到的結(jié)果吻合度較好，從而說明本文建立的模型及求解方法的適用性及正確性。

2 數(shù)值結(jié)果分析

模擬工況參數(shù)分別為：120m×110m矩形空間，天然氣管道直徑為0.7m，管道中心距地面10m，泄漏口直徑為0.05m的圓孔。天然氣溫度為298.15K。大氣環(huán)境平均溫度288.15K，空氣密度為1.225 kg/m3，空氣粘度為1.789×10-5Pa·s，比熱比為1.3，風(fēng)速大小為0，大氣環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。重力加速度為9.81m/s2。由于甲烷的比例較大，所以為方便計(jì)算，將天然氣按甲烷氣體進(jìn)行理想簡化，甲烷的物性參數(shù)為：密度0.668kg/m3，定壓比熱容1.545J/(m3·K)，運(yùn)動(dòng)粘度14.5×10-6m2/s，動(dòng)力粘度10.87×10-6Pa·s，絕熱指數(shù)1.309。矩形空間的上、左和右邊界都設(shè)為壓力出口，架空天然氣管道非泄漏方向的壁面和大地表面都設(shè)為無滑移壁面。架空天然氣管道位于地勢(shì)平坦且沒有障礙物的空曠地帶，大地表面對(duì)天然氣的反射率為0.4且不發(fā)生吸收現(xiàn)象。

采用三角形形式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，臨近天然氣管道泄漏口處采取加密處理，根據(jù)實(shí)際工程要求和計(jì)算繁簡程度，對(duì)該三角形網(wǎng)格進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)闹饾u疏化。利用Fluent軟件模擬3種不同管道壓力下的天然氣泄漏情況，并獲得其擴(kuò)散濃度分布圖，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別為管道壓力p=5p0，p=10p0和p=15p0時(shí)的天然氣管道泄漏擴(kuò)散濃度分布圖。在三種不同高管道壓力下，天然氣擴(kuò)散均能分布到該模擬空間上部。由圖2可以明顯看出，在水平方向上，天然氣泄漏的擴(kuò)散距離基本上不隨管道壓力的增大而變化。即使在某一定高度，天然氣泄漏擴(kuò)散濃度的變化也不會(huì)隨著管道壓力的增大而大幅度增大。由于管道處于高壓狀態(tài)下，管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏時(shí)的噴射速度很大，三種高壓力下的管道對(duì)泄露速度的影響不明顯，所以天然氣管道泄漏擴(kuò)散濃度的變化不顯著。

圖2 不同管道壓力下的天然氣擴(kuò)散濃度圖

在激光巡檢泄漏點(diǎn)過程中，采樣點(diǎn)位于距管道兩旁50m位置、激光檢測維持在110m高度，且以恒定速度巡檢管道泄漏位置，三種不同高管道壓力下管道泄漏的天然氣激光檢測信號(hào)強(qiáng)度模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同管道壓力下激光檢測信號(hào)強(qiáng)度

圖3為三種不同高管道壓力下激光檢測信號(hào)強(qiáng)度圖。由圖3可以看到，在三種不同壓力的管道泄漏孔豎直方向上，其激光檢測得到的信號(hào)強(qiáng)度最弱，表明在該處天然氣對(duì)光的吸收程度最大，同時(shí)也表明在泄漏孔豎直方向上天然氣擴(kuò)散濃度最大。在-30m＜x ＜30m范圍內(nèi)激光檢測信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生改變。具體表現(xiàn)如下：激光檢測強(qiáng)度信號(hào)在-10m＜x＜10m范圍內(nèi)變化趨勢(shì)最為劇烈，且從兩端到泄漏口處弱化明顯，激光檢測信號(hào)強(qiáng)度在管道泄漏口處最小，表明在此處天然氣擴(kuò)散濃度最大。在-30m＜x＜-10m和10m ＜x＜30m這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，激光檢測信號(hào)強(qiáng)度弱化趨緩，天然氣濃度變化不明顯。通過對(duì)比模擬結(jié)果分析三種不同高管道壓力可以獲知：在不同天然氣管道泄漏壓力下，激光檢測信號(hào)強(qiáng)度不隨泄漏壓力的變化而有明顯的影響。

3 結(jié)論

本文利用激光檢測手段，建立了有關(guān)架空高壓天然氣管道泄漏擴(kuò)散和激光檢測過程模型，采用Fluent軟件模擬分析了激光檢測在不同天然氣管道泄漏壓力下對(duì)其檢測結(jié)果及氣體擴(kuò)散的影響。研究表明由于天然氣管道處于高壓狀態(tài)下，管道泄漏口處噴射速度較大。不同管道壓力下，天然氣擴(kuò)散濃度隨著管道壓力不同有所變化，但變化趨勢(shì)不明顯；同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同管道壓力下對(duì)激光檢測信號(hào)強(qiáng)度幾乎不影響，即激光檢測天然氣管道泄漏不受管道壓力的影響。

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Investigation of the Effect of Pipeline Pressure on Laser Detection for Natural Gas Pipeline Leakage

Hui Lili
(Daqing special equipment inspection center of PetroChina Co., Ltd. Daqing 163453)

In the natural gas pipeline leakage detection, laser detection is a commonly used technical means. However, the laser detection under the effect of natural gas diffusion process, will be some deviation. Based on established overhead high pressure natural gas pipeline leakage diffusion model, in 5p0, 10p0, 15p0three kinds of pipeline pressure, numerical analysis of natural gas pipeline leakage process is proceeded, and effect evaluate on the laser detection is discussed. The results show that the diffusion of natural gas is less affected by three kinds of high pressure pipelines, and has little influence on the laser detection results.

Natural gas pipeline Laser detection Pipeline pressure Numerical simulation

X924

B

1673-257X(2017)04-0019-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.004

惠麗麗(1982～)，女，本科，中級(jí)工程師，從事壓力管道的定期檢驗(yàn)工作。

2016-12-20）