劉 瑤，李勝國，高 岷，陳濤濤，錢 迪，趙 欣

(北京市燃氣集團有限責(zé)任公司，北京 100035)

0 引言

甲烷的排放貫穿于燃氣供應(yīng)的全過程，漏排現(xiàn)象已引起高度重視。城鎮(zhèn)燃氣輸配過程中，造成甲烷對空排放主要來源于3個方面：生產(chǎn)作業(yè)過程中為保障運行安全的主動降壓放散；埋地管線的孔泄漏；管線投運和搶修通氣前的置換放散。對于主動降壓放散，可以通過安裝在泄壓閥前后的合適計量裝置進行準確計量[1]。埋地管道泄漏以及置換放散過程造成的甲烷排放量，目前無精確的測算方法，本文對此進行了研究。

1 燃氣管道泄漏影響因素分析

1.1 管道條件

管道條件主要包括管道埋深、燃氣壓力、泄漏孔徑、泄漏孔形狀、泄漏孔位置。

夏軍寶等[2]在特定土壤箱中進行實驗研究，通過對9種不同中壓工況測定，得出結(jié)論：在管道埋深較淺時，豎直方向上泄漏燃氣的擴散速率大于水平方向的擴散速率; 否則，水平方向上泄漏燃氣的擴散速率大于豎直方向上的擴散速率；燃氣壓力越高，泄漏的甲烷體積分數(shù)越高。

根據(jù)泄漏孔徑的大小，一般可以分為小孔泄漏、管道泄漏及小孔-管道泄漏[3]。韓光潔[4]利用CFD軟件模擬了不同泄漏孔徑在一定時間的甲烷濃度分布。從模擬結(jié)論來看，天然氣泄漏的影響范圍與泄漏孔徑大小成正比。

實際工程中，管道穿孔的形狀不同，泄漏孔位置多方位。王向陽等[5]借助CFD軟件模擬比較了泄漏孔分別為圓形、三角形和正方形時的泄漏量，得出結(jié)論：三角形泄漏孔的泄漏量最大，圓形泄漏孔的泄漏量最小，但數(shù)值差較小。杜美萍[6]對泄漏孔形狀的影響研究得出了一致的結(jié)論。

1.2 測點條件

泄漏范圍內(nèi)不同監(jiān)測點的壓力、位置、與泄漏口的距離不同，因此測點的選取對濃度變化規(guī)律的影響有研究意義。

謝昱姝等[7]的實驗研究成果表明，同一工況條件下，天然氣擴散至檢測點的時間與檢測點與泄漏口的距離近似成冪指數(shù)關(guān)系，泄漏壓力和泄漏量是決定性因素。周苗[8]對埋地泄漏土壤中不同監(jiān)測點濃度的變化進行了研究，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點與泄漏口水平距離和垂直距離都會影響甲烷濃度，水平距離影響更大。

1.3 土壤條件

土壤條件一般包括土壤孔隙率、含水率以及土壤的構(gòu)成特性，是影響燃氣擴散速率與范圍的關(guān)鍵因素。王向陽等[5]關(guān)于土壤因素的模擬研究表明，泄漏量隨著土壤孔隙率增加而增加。孫立國等[9]提出的穿透性土壤環(huán)境燃氣擴散的實驗研究中，對不同土壤含水率、不同土壤特性工況下的泄漏規(guī)律給出了對應(yīng)的結(jié)論:雨天使穿透性土壤含水率增大, 密實度增強而穿透性減弱, 從而使燃氣擴散范圍縮??；有水泥(或瀝青)的土壤覆蓋面燃氣泄漏擴散范圍更大。

1.4 其他因素

以上關(guān)于影響因素的研究都結(jié)合了較典型的相關(guān)研究成果來分析。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對埋地管徑、多點泄漏、土壤分層的相關(guān)研究不足。

管道直徑對于泄漏量的影響，有不同的結(jié)論。杜美萍[6]通過CFD軟件模擬了3種不同管徑下的泄漏，得出泄漏量和擴散范圍與管徑無關(guān)的結(jié)論。Ebrahimi-Moghadam等[10]利用模擬軟件得出管徑與泄漏量的關(guān)系，管徑與管道的泄漏量成反比關(guān)系。

國內(nèi)外學(xué)者對埋地管道小孔泄漏中單孔泄漏工況的研究更多。實際工程中的管道穿孔經(jīng)常是多點多發(fā)的，各點泄漏的燃氣在土壤中的疊加效應(yīng)成果不足。

已有考慮土壤的研究一般設(shè)定為均質(zhì)土壤。而實際土壤多存在分層現(xiàn)象，需要考慮每層土壤可能有不同的質(zhì)地、坡度、孔隙率、含水率等。Bezaatpour等[11]建立了分層土壤的模型，利用COMSOL Multiphysics模擬軟件開展研究。結(jié)果表明，土壤力學(xué)和水力特性的不同對擴散規(guī)律有顯著影響，比如因分層土壤的含水率不同，造成的土壤慣性阻力存在差異，直接影響天然氣的泄漏分布。

2 燃氣管道置換放散分析

關(guān)于天然氣管線置換放散過程中甲烷排放量的研究，國內(nèi)針對經(jīng)驗性施工階段的投入較多，一般都是對某管線置換方法的選擇和研究，以及施工步驟的總結(jié)?，F(xiàn)場燃氣置換過程存在一定的誤差，造成資源設(shè)備、材料和人力的浪費。

總體來說，目前對燃氣管道置換過程的仿真研究，缺少有關(guān)管內(nèi)氣體流動規(guī)律的深入分析；研究的影響因素不夠全面。

2.1 工程分析

工程中多采用分級置換的方法，以保證置換安全。置換原因一般有降壓作業(yè)需求、新管道投入運行、舊管道的維修等。通氣開始之前通常要有一定的準備工作，包括工況準備階段，作業(yè)現(xiàn)場準備，設(shè)備及工器具準備，通訊準備等。還要相關(guān)工作配合以及作業(yè)前的危險評估和應(yīng)對措施。置換通氣過程，常借助相應(yīng)管徑的跨接，多憑借日常經(jīng)驗和施工規(guī)范控制調(diào)節(jié)燃氣置換的速度和壓力。在置換放散口時隔15～30 min進行連續(xù)監(jiān)測，當出口燃氣濃度達到90%～95%時，即判定置換合格。

圖1屬于建成后未接線通氣，需要通過此次作業(yè)完成2段管線的通氣。管線總長約2.8 km，次高壓管線管徑均為DN500。

圖1 北京市某路段次高壓A線接線通氣作業(yè)示意圖

經(jīng)過跟蹤調(diào)研，操作步驟包括：

(1)前期準備工作。

(2)開平衡孔，置換檢測。通氣借助相應(yīng)管徑的跨接，技術(shù)人員控制置換的速度和壓力，濃度檢測過程中連續(xù)取樣了3次，每次間隔5 min，使用XP3140檢測甲烷濃度達到90%為合格。新線置換合格后，還需要注意對焊接口進行嚴密檢測，修補各焊口至合格。

(3)升壓檢測。在作業(yè)坑開孔機處進行壓力觀測，壓力分別升至規(guī)定值，技術(shù)工人對接線作業(yè)坑內(nèi)各設(shè)備法蘭接口逐級測漏檢查，發(fā)現(xiàn)漏點及時處理，無漏點繼續(xù)升壓，直至升壓完畢。

(4)對接線點管件作防腐處理，恢復(fù)作業(yè)坑。

圖2置換長度較短，目的是系統(tǒng)及進出站管線置換通氣、升壓、調(diào)試。作業(yè)步驟包括：

圖2 北京某高校窯爐系統(tǒng)復(fù)氣方案作業(yè)示意圖

(1)拆除高壓A閘1主閥門后盲板。

(2)開啟高壓A閘1跨接旁通閥。

(3)開啟高壓B站處放散閥，并在放散口取樣檢測，連續(xù)檢測3次,間隔5 min，直至濃度達到90%為合格。

(4)觀測進口壓力表，對系統(tǒng)進行泄漏檢查，無漏點繼續(xù)升壓。確認無漏氣后，開啟高壓B站次高壓主閥。

(5)由調(diào)壓設(shè)備廠家對調(diào)壓支路進行調(diào)壓試驗，確定調(diào)壓器良好。

(6)確認合格后，進行中壓置換作業(yè)，同樣需要控制置換壓力和速度。

(7)確認供氣需求、出口壓力。

在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)：對于置換過程流速和壓力等的調(diào)節(jié)具有一定的誤差，缺少理論計算支撐；跨接管道的使用不方便，增加了工作量；對于置換放散的甲烷總量沒有精確的計算方法。為了簡化施工步驟，應(yīng)使用移動計量臺架進行監(jiān)測，另外為了降低甲烷放散量并更好地測算，有必要利用仿真模擬給出較精確的計算方法。

2.2 置換放散量的測算方法

為了確定置換工藝參數(shù)，精確測算和減少置換過程中甲烷排放量，應(yīng)在流動分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD仿真對氮氣置換過程進行“數(shù)字孿生”，并通過工程實驗驗證，不斷提高模型在各種工況下的適應(yīng)性。

研究內(nèi)容應(yīng)包含：

(1)建立過程仿真模型，通過研究各參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)合工程實際，建立數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)替代現(xiàn)場測量的目的。

(2)形成可行的控制、測量方案，分成計量區(qū)、置換區(qū)、放散檢測區(qū)，逐區(qū)研究，分兩路管路分別實現(xiàn)對次高壓放散及中壓放散的計量。建立工程計量檢測平臺，通過實驗測試不同工況下燃氣置換、吹掃等作業(yè)時的天然氣放散量，以此不斷完善工程數(shù)據(jù)庫。

(3)應(yīng)用數(shù)字孿生和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，不斷提高模型預(yù)測精度。實現(xiàn)通過模型研究，為工程置換方案的優(yōu)化提供參考，精細管控置換過程以降低燃氣的排放量。

3 結(jié)束語

(1)不同于架空管道等直接泄漏到大氣的情況，埋地管道孔泄漏的影響因素較多，土壤因素的影響較復(fù)雜。本文對影響管道泄漏的影響因素進行了分析，并介紹現(xiàn)有研究存在欠缺的領(lǐng)域，相關(guān)研究應(yīng)更加深入和完善。

(2)城鎮(zhèn)燃氣管道置換的工程操作，在精細化方面還需完善，造成了大量甲烷對空的無效排放，且不能計量。應(yīng)重視此方面的漏排，并結(jié)合先進的數(shù)值仿真和數(shù)字孿生等技術(shù)進行研究。