周桂久，姜 明，馬文敏，王修武，宋鵬云

(昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

天然氣作為污染小、安全可靠的清潔能源，在全世界得到廣泛的應(yīng)用.然而，天然氣長距離輸送管道多處于地廣人稀的邊遠地區(qū)，如已建成西氣東輸、川氣東送、中亞、中緬和中俄東線等一系列天然氣長輸管道[1].管道在運行中隨著運營年限的增加會發(fā)生天然氣泄漏事故，主要原因有：第三方破壞、腐蝕、施工缺陷、材料故障、地災(zāi)等[2].在管輸過程中，管道的泄漏也會對當?shù)丨h(huán)境造成破壞、威脅生命安全.實時監(jiān)測管道泄漏并實現(xiàn)精準定位，能提供時間余量采取適當?shù)拇胧?，有效減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[3].

眾多學(xué)者針對天然氣輸送管道泄漏開展過相關(guān)研究，目前可用來檢測管道泄漏的方法有瞬態(tài)模型法、質(zhì)量/體積平衡法、負壓波檢測法、統(tǒng)計決策法、應(yīng)用統(tǒng)計法、聲波法和光纖法等，其中實際應(yīng)用評價較高的有聲波法和光纖法，因其有靈敏度高、準確性好、誤報率低、檢測時間短等諸多優(yōu)點，但也伴隨著成本較為昂貴、不易敷設(shè)等明顯缺點[4].國內(nèi)外在聲波法進行泄漏檢測方面開展了很多研究：有學(xué)者利用聲波發(fā)射技術(shù)，研究了聲波幅值在管道的傳播的衰減情況以及與傳輸時間的關(guān)系[5]；加拿大一些學(xué)者在聲波法對自來水管泄漏檢測方面開展了大量的研究，但這些研究集中在管道輸送液體介質(zhì)上[6].氣體長輸與液體長輸存在較大區(qū)別，由于氣體具有很大壓縮性使得管輸天然氣過程中實現(xiàn)實時泄漏檢測較為困難.

通常，聲波法實現(xiàn)天然氣管道泄漏檢測所使用的聲波傳感器是常規(guī)高精度壓力變送器，管道運行壓力與聲壓存在5～6個數(shù)量級的差別，要檢測出中高壓天然氣管道中的聲壓是極為困難的.輸氣管道泄漏是復(fù)雜的氣體噴流過程，本文針對中高壓天然氣管道泄漏時的噴流過程進行詳細的研究，明確管道泄漏時的聲源特性，從而進行數(shù)值模擬分析流場分布規(guī)律和聲場特性，以此為基礎(chǔ)，比選高精度差壓傳感器后實現(xiàn)中高壓管道運行壓力下泄漏時聲壓信號的捕獲，進而實現(xiàn)中高壓輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)的研發(fā).

1 長距離管道輸送基本特征

本文以昆明市實際天然氣管線為研究對象：管道外徑為 220 mm，管線設(shè)計壓力為 6.3 MPa，管道材質(zhì)為L415螺旋縫埋弧焊鋼管及直縫埋弧焊鋼管.管輸天然氣組分為89.5%甲烷、5%乙烷、2%氮、0.5%二氧化碳、3%丙烷.由于輸送的天然氣介質(zhì)黏度小，在高速流動下黏性力小于慣性力，可做假設(shè)：管道壓力局部恒定、管道局部溫度恒定、進出口無壓力損失.

2 管道泄漏聲源特征

2.1 構(gòu)建物理模型及劃分網(wǎng)格

基于實際天然氣管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及假設(shè)，數(shù)值模擬研究時幾何模型管道外徑為 220 mm，管壁厚度為 5 mm，管線長度為 60 mm，泄漏孔位于管道中間的正上方，網(wǎng)格劃分采用All-Quality方式，泄漏孔處加密處理，管道流體域網(wǎng)格尺寸為 2 mm.對泄漏孔處加密處理，網(wǎng)格尺寸達到 0.01 mm.輸氣管道泄漏模型與泄漏入口處半球流體域網(wǎng)如圖1所示.

圖1 輸氣管道泄漏模型與泄漏入口處半球流體域網(wǎng)格示意圖

為了能夠精確計算泄漏口處的流場參數(shù)，對泄漏口處進行網(wǎng)格加密，并進行了網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，兩種網(wǎng)格劃分結(jié)果如表1所示.

表1 模型參數(shù)

通過對比兩種網(wǎng)格尺寸下仿真結(jié)果中的壓力云圖、速度云圖及泄漏處的速度曲線圖(如圖2所示)，可以分析發(fā)現(xiàn)，兩種不同網(wǎng)格數(shù)不影響泄漏流場分析.為了節(jié)約計算機資源，選取較低的網(wǎng)格數(shù)進行分析研究.此處以一種模型的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗進行說明，其余模型與之類似.

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗對照圖

2.2 參數(shù)設(shè)置

數(shù)值求解穩(wěn)態(tài)采用的k-ε模型，k-ε模型是由Launder和Spalding提出的雙方程模型，是最簡單的完整湍流模型，是進行工程上流場計算的重要工具.模型的優(yōu)點是適用范圍廣、經(jīng)濟并且有合理的精度，屬于半經(jīng)驗公式[7].工程上流場計算的瞬態(tài)采用的湍流模型為LES大渦模擬模型，常用于計算聲波傳播方程的噪聲源[8].根據(jù)實際管道的輸送特點，在Fluent中選擇以下邊界條件：入口為pressure-inlet、出口為pressure-outlet[9].管道壓力共設(shè)置 3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa 四種工況，泄漏孔徑共設(shè)置 0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 三種工況.

輸氣管道泄漏過程是一非定常流動，在計算過程中，仿真時間步長設(shè)置為 0.001 s，時間步數(shù)設(shè)置為100步，每10步進行數(shù)據(jù)記錄，仿真時間為 0.1 s.

2.3 泄漏特性分析

2.3.1 不同泄漏孔徑

分析特定管道運行壓力不同泄漏孔徑下泄漏時泄漏處速度變化，結(jié)果如圖3～圖5.

圖3 0.3 mm泄漏孔徑速度云圖 圖4 0.4 mm泄漏孔徑速度云圖

圖5 0.5 mm泄漏孔徑速度云圖

可以發(fā)現(xiàn)，在泄漏孔進口處流體流速相對于管道內(nèi)部的流體流速明顯增大，并且在泄漏孔入口處的流體流速的矢量發(fā)生變化，流動方向變得紊亂.在流體流入泄漏孔后，流動方向逐漸趨向一致，沿著泄漏孔軸向方向流向泄漏孔出口處.沿著漏孔軸向流體流速逐漸增大，在出口處達到最大值.

2.3.2 不同管道壓力

分析特定泄漏孔徑不同管道運行壓力下泄漏時泄漏處流程變化，結(jié)果如圖6～圖13.分析發(fā)現(xiàn)，主管道壓力和速度變化不明顯，泄漏口處壓力與速度急劇變化，隨著管道壓力的增大，管道泄漏口處的速度變化越烈(圖名中OP代表Operating Pressure).

圖6 運行壓力為3 MPa時壓力云圖 圖7 運行壓力為3 MPa時速度云圖

3 仿真結(jié)果解析驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，將模擬結(jié)果與計算結(jié)果相比較，通過解析計算出氣體在管道內(nèi)的速度和仿真模擬中的速度進行對比，明確仿真建模及模擬的準確性.

3.1 泄漏孔出口速度

泄漏孔口處泄漏率的大小取決于泄漏孔處的流動狀態(tài)，其判別標準為臨界壓力比[10].

氣體的臨界壓力比為：

(1)

式中：vcr為氣體臨界壓比；Pcr為氣體臨界壓力，Pa.

圖8 運行壓力為4 MPa時壓力云圖 圖9 運行壓力為4 MPa時速度云圖

圖10 運行壓力為5 MPa時壓力云圖 圖11 運行壓力為5 MPa時速度云圖

圖12 運行壓力為6 MPa時壓力云圖 圖13 運行壓力為6 MPa時速度云圖

3.2 泄漏孔處流速解析計算方法

天然氣聲速計算中壓縮因子的計算采用美國天然氣協(xié)會于1992年制定的標準，該方法是通過天然氣的摩爾組分、工況壓力和工況溫度等參數(shù)，計算天然氣的壓縮因子、摩爾密度、對比密度等值[11-12].

天然氣壓縮因子[13]：

(2)

式中：P為工況壓力，單位為Pa；R氣體常數(shù)，單位為J/(mol·K)；T為工況溫度，單位為℃；ρm為氣體摩爾密度.求解壓縮因子Ζ，可以轉(zhuǎn)化為求解摩爾密度ρm.

通過氣體狀態(tài)方程可以計算摩爾密度ρm：

(3)

聲速的基本關(guān)系式可表示為[15]：

(4)

式中：Cp和Cv是定容和定壓條件下氣體的熱容，單位為J/(mol·K)；Mr是天然氣摩爾質(zhì)量，單位為g/mol.

3.3 仿真結(jié)果與解析計算對比

以管道運行壓力為 3 MPa、溫度為 300 K 的工況條件為例，通過解析計算的理論聲速為 394 m/s，與仿真模型泄漏出口的臨界流速 381 m/s 的相對誤差為3.299%，表明仿真物理模型及參數(shù)設(shè)置合理且準確，可作為聲場模擬仿真的基礎(chǔ).

4 中高壓輸氣管道泄漏時聲源特性分析

分析相同壓力、不同泄漏孔徑的聲波在傳播中能量與距離的變化情況，以明確噪聲的聲壓級隨泄漏孔徑的變化，為室內(nèi)實驗以及輸氣管道泄漏定位采集系統(tǒng)提供泄漏的判斷依據(jù)以及泄漏定位的方法.

4.1 泄漏時聲場物理模型及模擬原理

由Lighthill波動方程[16]可知，輸氣管道的聲源是由流場密度、流體質(zhì)量流量和流速等因素決定，當輸氣管道發(fā)生泄漏時，泄漏處管內(nèi)與外界存在著很大的壓差，管內(nèi)氣體從泄漏孔噴出.在噴出的瞬間，由于管內(nèi)外氣體速度不一樣，使兩種氣體瞬間混合在一起，在邊界層形成湍流產(chǎn)生很強湍流噪聲；一部分的強湍流噪聲產(chǎn)生于噴注氣體本身，由于噴注氣體本身因速度大，會產(chǎn)生大量的漩渦而形成湍流；有一部分的強湍流噪聲來源于泄漏口附近產(chǎn)生的速度梯度區(qū)[17-18].輸氣管道泄漏聲場仿真模型如圖14所示.

圖14 輸氣管道泄漏聲場仿真模型

總體上，聲源區(qū)域包括兩部分：泄漏噴注區(qū)和泄漏口附近區(qū)，管道內(nèi)部區(qū)域為聲傳播部分，泄露時產(chǎn)生的聲源噪聲類似氣動噪聲.目前計算氣動噪聲的模型有三種：FW-H模型、寬頻噪聲模型(Broadband Noise Source Model)及直接計算氣動聲學(xué)模型(Computation Aeroacoustics簡稱CAA模型)[19].FW-H聲學(xué)模型是用面積分計算泄漏位置的噪聲，使用的是時域積分的方法，較之于其他兩種模型具有良好的優(yōu)點，因此采用FW-H聲學(xué)模型實現(xiàn)泄漏聲場的模擬分析.

FW-H方程[20]如下所示：

(5)

(6)

(7)

在式(5)中，右邊分別表示單極子聲源、偶極子聲源、四極子聲源.由于FW-H可以很好地解決高、亞氣動噪聲問題，能夠選擇多個生源面和接收位置，且在處理瞬態(tài)求解時可以執(zhí)行聲噪計算，因此可以結(jié)合流體仿真軟件處理泄漏流場信息得到噪聲圖.采用數(shù)值模擬的方法在噪聲源周圍精確計算瞬態(tài)流場，以此為基礎(chǔ)，求解波動方程獲得從聲源處到接收點的噪聲傳播信息.

4.2 輸氣管道泄漏時聲源模擬分析

聲源模擬分析了泄漏孔徑相同、不同管道壓力(3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa)，以及相同管道壓力、不同泄漏孔徑(0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)的工況，對比研究聲波頻率圖.

管道壓力分別取 3 MPa、4 MPa、5 MPa、6 MPa 時接收點處的頻譜分析圖如圖15～圖18所示，管道發(fā)生泄漏后管道中心點產(chǎn)生的聲壓級也可以清楚顯示(圖名中PP代表Pipeline Pressure).

圖15 管道壓力為3 MPa時接收點處頻譜分析 圖16 管道壓力為4 MPa時接收點處頻譜分析

圖17 管道壓力為5 MPa時接收點處頻譜分析 圖18 管道壓力為6 MPa時接收點處頻譜分析

泄漏孔徑分別取0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm時接收點處的頻譜分析圖(圖名中LA代表Leakage Aperture)，如圖19～圖21.

圖19 0.1 mm泄漏孔徑接收點處頻譜分析 圖20 0.2 mm泄漏孔徑接收點處頻譜分析

圖21 0.3 mm泄漏孔徑接收點處頻譜分析

通過分析不難發(fā)現(xiàn)：

1)由圖15～圖21可知，在輸氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏處將產(chǎn)生寬頻域的聲波，可被上下游設(shè)置的聲波接收點接收，表明在實際輸氣管道中，若發(fā)生泄漏可在上下游設(shè)置相應(yīng)的聲波接收器，采集聲波信號進而判斷輸氣管道是否發(fā)生泄漏，可為輸氣管道聲波泄漏檢測提供科學(xué)依據(jù).

2)輸氣管道發(fā)生泄漏后，泄漏處將產(chǎn)生寬頻域的聲波，沿著管內(nèi)介質(zhì)傳播，由圖15～圖21分析發(fā)現(xiàn)，頻率為0～50 Hz 的聲波在管內(nèi)傳輸?shù)倪^程中衰減最慢，能量越高，聲壓級隨著聲波頻率的增加而降低，頻率越高的聲波衰減得越快，表明在輸氣管道泄漏檢測中，可檢測次聲波信號作為長距離輸氣管道泄漏特征信號.

3)噪聲的聲壓級會隨泄漏孔徑、管道運行壓力的增大而增大.

5 中高壓輸氣管道次聲波泄漏定位系統(tǒng)

5.1 泄漏檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)室內(nèi)管道實際運行條件和比選的高精度壓差傳感器，優(yōu)選采集卡、電源以及網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，使用Labview設(shè)計了高速采集系統(tǒng)捕獲輸氣管道發(fā)生泄漏時的聲波信號，研發(fā)了包含小波去噪模塊、首末兩端波形顯示模塊、互相關(guān)模塊的Labview整體程序，程序設(shè)計框圖如圖22.將高速采集到的泄漏信號輸入設(shè)計的Labview管道泄漏檢測系統(tǒng)中進行分析，確定了奇異點，最后實現(xiàn)輸氣管道泄漏檢測定位(如圖23為小波降噪后波形顯示圖).

圖22 檢測系統(tǒng)程序設(shè)計圖 圖23 小波降噪后波形顯示圖

5.2 泄漏檢測系統(tǒng)組成

在管道首末兩端安裝次聲波傳感器實時采集信號，對管道進行實時監(jiān)測，并將兩端傳感器采集的信號實時傳輸給軟件，從而實現(xiàn)了輸氣管道的泄漏檢測[21].

輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)的核心在于捕獲到管道的次聲波信號，關(guān)鍵在于中高壓環(huán)境中實現(xiàn)超低頻次聲波信號的識別.常規(guī)高精度壓力變送器已無法滿足實際需求，本文比選高精度差壓變送器，在中高壓環(huán)境中能夠有效捕獲收集超低頻聲壓信號.目前常見的差壓變送器探頭種類有很多，如動圈式、駐極體式、電容式等，其中電容式傳感器靈敏度為8～30 mV/Pa，次聲波泄漏監(jiān)測系統(tǒng)傳感器要求的靈敏度為10～50 mV/Pa，因此，電容式差壓變送器可用作泄漏檢測系統(tǒng)的傳感器[20].

泄漏定位系統(tǒng)的準確性往往要求次聲波傳感器高精度、高采集速率、抗干擾和較好的穩(wěn)定性.本系統(tǒng)采用比選的智能型差壓變送器，具有超強的抗干擾性能，電池供電使用時間長、精度高、穩(wěn)定性好和可靠性強，可以檢測、捕獲到由泄漏產(chǎn)生造成的微小壓力波動.

5.3 室內(nèi)檢驗

為了明確輸氣管道次聲波泄漏定位的可行性，對室內(nèi)輸氣管道及城市燃氣配輸實驗裝置進行完善.實驗溫度為室溫，管線為不銹鋼材質(zhì)，沿線共設(shè)有3個泄漏點，分別距起點差壓傳感器 5 m、6.82 m、7.68 m，泄漏點由連接頭和球閥構(gòu)成，通過打開球閥及開度來模擬泄漏發(fā)生及泄漏量的大小.

管道發(fā)生泄漏時捕獲的信號如圖24，小波變換后信號如圖25所示.通過小波變換去噪、互相關(guān)算法處理后，時間差為 3.6 ms、9.6 ms、12.6 ms 時泄漏點位置分別為距離首端差壓傳感器 4.398 8 m、6.603 2 m、7.104 2 m 處，而實際泄漏點位置為距離首端差壓傳感器 5 m、6.82 m、7.68 m 處，表明泄漏定位準確、設(shè)計的泄漏定位系統(tǒng)可靠.

圖24 管道發(fā)生泄漏時信號 圖25 小波變換后信號

6 結(jié)論及建議

本文通過對中高壓輸氣管道泄漏聲場進行分析以及對檢測系統(tǒng)的開發(fā)，得出以下結(jié)論：

1)泄漏時會產(chǎn)生不同頻率的聲波信號，頻率越低的聲波信號在傳輸過程中能量損失越少,傳播越遠，可作為管道發(fā)生泄漏時的檢測特征信號，判斷管道是否發(fā)生泄漏及泄漏定位.

2)在輸氣管道中，利用高精度的差壓變送器能準確有效檢測到管道泄漏產(chǎn)生的微小壓力波動，自研的輸氣管道檢測系統(tǒng)能顯著地提高定位精度且具有準確性高、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢，有較高的工程應(yīng)用價值.

實際的輸氣管道運營環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境存在一定差距，且現(xiàn)場影響因素眾多，建議輸氣管道檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場進行多位置檢驗以加強其實際應(yīng)用效果.