陳傳勝 李 俊 吳瑤晗 翟福超

（中國石化川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

積級探索高效的長輸天然氣管道泄漏檢測系統(tǒng)、研究相應(yīng)的泄漏檢測技術(shù)，能及時發(fā)現(xiàn)泄漏并定位泄漏點，準(zhǔn)確計算泄漏量，對預(yù)測事故后果的影響范圍和程度具有重要的生產(chǎn)意義[1-3]。根據(jù)對我國四川地區(qū)輸氣管道1969-2003年的事故統(tǒng)計分析[4]，四川地區(qū)12條輸氣管道每千公里年事故率平均為4.3次，管道的內(nèi)外腐蝕是四川地區(qū)輸氣管道泄漏失效的主要原因，占事故原因比例的39.5%，外部影響和材料缺陷因素占比分別為15.8%和10.9%。未來10～20年我國天然氣管道建設(shè)將會迎來快速發(fā)展[5-7]，天然氣管道安全運行面臨的主要問題將主要是腐蝕、外部影響和材料缺陷等引起的管道小泄漏或微小泄漏。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有多種長輸天然氣管道泄漏檢測和定位的方法[8-11]，其中聲波泄漏檢測技術(shù)在國內(nèi)外的管道上雖有應(yīng)用案例，但對于管道上發(fā)生的微小泄漏難以檢測并且容易受外界噪音干擾產(chǎn)生誤報或漏報的問題[12-13]，而實時瞬態(tài)模型法[14]適用于檢測管道上發(fā)生的小泄漏或微小泄漏，可以計算泄漏量且誤報率低，是目前國際上被廣泛研究并且應(yīng)用最多的泄漏檢測方法。由于其在小泄漏或微小泄漏檢測方面的優(yōu)勢預(yù)計將會是我國管道檢測技術(shù)發(fā)展的重要方向，因此有必要對該技術(shù)進行總結(jié)并進行現(xiàn)場應(yīng)用測試分析確認其適用性。

1 實時瞬態(tài)模型法泄漏檢測技術(shù)

實時瞬態(tài)模型法是指基于管道的物理數(shù)據(jù)建立一個精確的管道流體力學(xué)實時瞬態(tài)模型，通過SCADA系統(tǒng)實時采集管道系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、地溫、介質(zhì)組分等參數(shù)驅(qū)動模型運行，將由數(shù)理模型產(chǎn)生的計算值與管道的實際測量值進行比較，通過體積或質(zhì)量平衡結(jié)果比對確認管道是否出現(xiàn)泄漏，對泄漏點進行定位并準(zhǔn)確計算出泄漏的速度和累計的泄漏量。該方法是目前國際上被廣泛研究并且運用最多的管道泄漏檢測方法，不僅能夠檢測到管道運行中較小的氣體泄漏，而且具有定位精度高、誤報率低的優(yōu)點。

1.1 輸氣管段流動過程的基本方程

根據(jù)物質(zhì)、動量、能量守恒定律，輸氣管道里的氣體運動遵從三維空間的物質(zhì)、動量、能量守恒方程[15]。由于輸氣管道的長度遠遠大于管道直徑，將這些方程通過漸近分析方法（僅考慮平面應(yīng)變問題）簡化描述為以下方程組。

式中，p為氣體的絕對壓力，kPa；T為氣體的絕對溫度，K；ρ為氣體密度，kg／m3；w為氣體流速，m／s；A為管道橫截面積，m2；u為單位質(zhì)量氣體的內(nèi)能，J／kg；h為單位質(zhì)量氣體的熱焓，J／kg；x為距管段起點的距離，m；τ為描述流動過程的時間，s；s為管段上各橫截面處的高程，m；g為重力加速度，m／s2；λ為管段的水力摩阻系數(shù)；Q為在[0，x]管段上管內(nèi)氣流向周圍環(huán)境的散熱流量，m3／s。

以上6個方程剛好包括 p、T、ρ、w、u、h這 6個未知函數(shù)，因此從求微分方程通解的角度看，這個方程組是封閉的，通常稱為流體管流的基本微分方程組。在實際求解時，相應(yīng)的邊界條件一般是通過確定壓力或者流量的邊界值。針對以上方程組和相應(yīng)的邊界條件，可以采用數(shù)值解的方法來求解管道任一斷面x在任一時間τ的氣體流動參數(shù)p、T、ρ、w、u、h的變化規(guī)律。

1.2 泄漏檢測原理

在理想的條件下，單位時間內(nèi)進入管道的流量減去流出管道的流量等于該段時間內(nèi)管道內(nèi)管存的變化值。將一定時間內(nèi)管道產(chǎn)品體積的變化值稱為管存率，在管道穩(wěn)定運行的情況下，管道內(nèi)產(chǎn)品的凈流量應(yīng)守恒，管存率也為零，即保證管道的容量守恒。設(shè)管存率為PR，凈流量為FB，容量守恒率為VB，那么三者之間的關(guān)系如式（2）所示。

式中，F(xiàn)B是管道入口流量與出口流量的差值，即FB＝Qin-Qout（Qin為進入管道的流量，Qout為流出管道的流量，兩者均通過SCADA實時獲取）。

在系統(tǒng)運行時，使用管道首末實際測量值，如壓力、流量等作為邊界輸入條件，通過數(shù)值方法求解流體方程組，計算管道相應(yīng)的壓力、流量值，將容量守恒率（VB）與泄漏判斷閾值（TV）進行比較。當(dāng)容量守恒率持續(xù)超越閾值時，表明有泄漏發(fā)生，此時系統(tǒng)發(fā)出報警，并通過計算確定泄漏位置，同時計算管道泄漏量。

1.3 定位泄漏原理

實時瞬態(tài)模型法中的泄漏定位采用的不是單一方法，而是將流量和壓力相結(jié)合的判定方法。首先管道發(fā)生泄漏后會引起全線壓力的變化，利用首端邊界條件對管道進行從前到后的仿真得到管線壓力分布，同樣以管道終點運行參數(shù)為邊界條件對管線進行從后到前的仿真，確定泄漏點位置（圖1）。另外還會利用管道模型中獨立模型段之間的流量不平衡來進行泄漏定位。模型段之間的邊界上存在流量不平衡，管道水力模型的自動調(diào)節(jié)功能（特別是壓降調(diào)節(jié)）可以將這些流量不平衡推向零，因此，在一個調(diào)整良好、水力模型精度高的系統(tǒng)中，這些流量不平衡將接近于零。利用這一特點，當(dāng)管道發(fā)生泄漏后所造成模型段的流量不平衡，根據(jù)不平衡的相對大小，沿著模型段成比例地定位泄漏（圖1）。

圖1 泄漏檢測定位示意圖

2 模型的建立調(diào)試與現(xiàn)場測試

2.1 測試管段基本情況

南京支線是從川氣東送管道主干線上分出的1條支線，起點為安徽省宣城市境內(nèi)的十字鎮(zhèn)輸氣站，終點為江蘇南京的揚子石化輸氣站。支線全長逾254 km，沿線設(shè)有金壇、上黨、龍?zhí)丁⒛暇┑?座分輸站以及1座金壇儲氣庫。使用實時瞬態(tài)模型法對川氣東送天然氣管道南京支線段進行建模和測試，以驗證實時瞬態(tài)模型法用于長輸天然氣管道泄漏檢測的適應(yīng)性和效果。

2.2 建立實時瞬態(tài)模型及測試

實時瞬態(tài)模型的建立需要考慮管道、閥門、天然氣組分、地溫等各類相關(guān)參數(shù)及各類壓力表、流量計、溫度計的位置及參數(shù)。在物質(zhì)狀態(tài)方程上采用BWRS狀態(tài)方程從而達到更精確地描述天然氣物態(tài)的目的，如圖2所示。

圖2 測試管段模型圖

當(dāng)模型建立后，通過利用管線已有SCADA歷史數(shù)據(jù)進行管道運行模擬，從而進一步微調(diào)模型參數(shù)，達到數(shù)值模擬模型在管線正常運行時不論是在穩(wěn)態(tài)運行還是瞬態(tài)變化運行的情形下其數(shù)值解均能夠精準(zhǔn)地描述管道內(nèi)氣體的運動情況。閾值的確定是取得好的檢測結(jié)果的關(guān)鍵。在選取影響閾值的組分方面，根據(jù)管線的具體情況，須考慮容積平衡變化的平均方差、最大流量平衡、最大管存率、平均凈流量的變化、管線運行狀態(tài)、管存率的絕對值以及由溫度造成的管存率的絕對變化等多種因素。在實際系統(tǒng)運行時，針對上面描述的各種因素的影響大小計算加權(quán)平均值作為系統(tǒng)報警閾值，此閾值在管道的運行過程中會自動合理調(diào)節(jié)大小，達到減少誤報警的目的。

將測試地點選在服務(wù)對象為間歇性分輸用戶的龍?zhí)斗州斦?，按分輸站正常分輸操作模擬管道泄漏發(fā)生，通過控制閥門模擬泄漏大小。配置好的泄漏檢測系統(tǒng)可以通過容積守恒趨勢圖對管道上發(fā)生的泄漏進行判斷和發(fā)出報警，如圖3所示。當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故后，根據(jù)之前介紹的實時瞬態(tài)模型法泄漏檢測原理，管存率（PR）會下降，因補充管道中的壓力損失凈流量（FB）會略微上升，容量守恒率（VB）會上升并持續(xù)直到穿越閾值（TV）引起泄漏檢測系統(tǒng)發(fā)出報警并定位。

圖3 測試管段趨勢圖

現(xiàn)場進行6次泄漏測試，再將測試結(jié)果進行匯總和比對以分析所建立的管道實時泄漏檢測系統(tǒng)的性能指標(biāo)情況。第一次測試（表3），泄漏量為管道輸量的11.7%，系統(tǒng)警告時間為開閥后12′19″，系統(tǒng)報警時間為14′49″，系統(tǒng)定位誤差為0 km，泄漏量計算準(zhǔn)確率為95%以上；第二次測試（表4），泄漏量為管道輸量的4.5%，系統(tǒng)警告時間為開閥后21′33″，系統(tǒng)報警時間為30′3″，系統(tǒng)定位誤差為0.35 km，泄漏量計算準(zhǔn)確率為95%以上。最后，將6次測試數(shù)據(jù)進行匯總分析，測試過程中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無漏報、誤報記錄，最小檢測出的泄漏為2.2%，系統(tǒng)警告時間為開閥后29′34″，系統(tǒng)報警時間為開閥后38′34″。

表3 第1次現(xiàn)場測試記錄表

表4 第2次現(xiàn)場測試記錄表

測試結(jié)果顯示：實時瞬態(tài)模型泄漏檢測法能夠準(zhǔn)確、快速地檢測出泄漏，尤其對微小泄漏量的檢測優(yōu)勢明顯；模型運用流量、壓力等參數(shù)可以計算出泄漏點的位置，實時計算泄漏速度和累計泄漏量。

3 結(jié)論

1）實時瞬態(tài)模型法泄漏檢測方法能夠準(zhǔn)確、快速檢測出天然氣管道泄漏并能對泄漏量大小進行準(zhǔn)確判斷；實時瞬態(tài)模型法的泄漏檢測原理決定了其誤報率低的特點，現(xiàn)場測試后的6個月內(nèi)誤報率少于1次／月。

2）當(dāng)泄漏速度為管道輸量的2.2%時泄漏點的壓降為0.008 79 MPa，由于測試泄漏點壓降很小，而目前的SCADA（管道數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）界面上的數(shù)值只顯示小數(shù)點后兩位，故無法通過SCADA查看數(shù)值壓降的變化判斷泄漏發(fā)生，而實時瞬態(tài)模型法則可以檢測到泄漏發(fā)生。

3）目前管道發(fā)生泄漏后采取的方式是泄漏點上下游管道的截止閥壓降達到0.15 MPa（只有爆管才會導(dǎo)致壓降達到這一標(biāo)準(zhǔn)）時關(guān)閉截止閥，而11.7%的泄漏速度下壓降也僅能達到0.02569 MPa，遠低于標(biāo)準(zhǔn)。實時瞬態(tài)模型法則可以很好地解決管道上目前通過截止閥判斷壓降自動關(guān)閉無法解決的微小泄漏檢測問題。