馬 瑩，劉佳慶，孫 曄，郭大凱，王廣輝，梁昌晶

1.中國(guó)石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

2.中國(guó)石油華北油田公司，河北任丘 062552

根據(jù)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，天然氣在能源轉(zhuǎn)型中的作用不斷凸顯，我國(guó)興建了一批互聯(lián)互通、貫通南北、覆蓋全國(guó)的輸氣管道，但管道完整性一直是關(guān)注的重點(diǎn)[1]。由于管網(wǎng)建設(shè)時(shí)間、管材規(guī)格、設(shè)計(jì)壓力和沿程地區(qū)等級(jí)的不同，埋地管道的泄漏檢測(cè)定位難度較大。從檢測(cè)參數(shù)角度而言常用技術(shù)手段有直接法和間接法，但這些方法受天然氣性質(zhì)和環(huán)境的影響，定位準(zhǔn)確度較低，且對(duì)于運(yùn)行人員的可操作性較差[2-4]。

隨著智慧管網(wǎng)和數(shù)字孿生體的應(yīng)用，管道沿程溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)可從SCADA系統(tǒng)中輕松獲取，如能從其中挖掘管道泄漏信息并進(jìn)行定位，將極大節(jié)省人力、物力和財(cái)力。張紅兵等[5]基于流體力學(xué)和熱力學(xué)建立了氣體流動(dòng)方程，并采用顯式特征差分法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算，但模型只適用于干氣管道；張靜等[6]將定位問題轉(zhuǎn)化為尋優(yōu)問題，通過智能算法對(duì)龍格庫(kù)塔進(jìn)行改進(jìn)，極大節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，但模型的重復(fù)性有待論證；靳新迪等[7]對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行多工況泄漏檢測(cè)，參照指紋相似特征將泄漏圖形進(jìn)行分類處理，但文中管道長(zhǎng)度較短，運(yùn)行壓力也較低，與實(shí)際工況有一定差距。以上研究也未對(duì)泄漏引起的沿程壓力變化進(jìn)行分析，同時(shí)未涉及多點(diǎn)泄漏造成的參數(shù)影響?；谏鲜鼍窒扌?，從管道特征方程出發(fā)，分析單點(diǎn)泄漏和多點(diǎn)泄漏下管道沿程壓力分布情況，并利用TGNET軟件建立輸氣管道模型[8-9]，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，根據(jù)壓差幅值與泄漏時(shí)間、泄漏位置、泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系進(jìn)行定位。研究結(jié)果可為基于管道瞬態(tài)模型的泄漏檢測(cè)提供實(shí)際參考。

1 特性方程

1.1 單點(diǎn)泄漏管道沿程壓力分布情況

單點(diǎn)泄漏模型示意見圖1。

圖1 單點(diǎn)泄漏模型示意

根據(jù)管道壓降與流量的關(guān)系[10-11]，泄漏點(diǎn)x之前的管道特性方程如下：

式中：Ps、Ps′分別為泄漏前、后的起點(diǎn)壓力，kPa；分別為泄漏前、后距離起點(diǎn)x1位置處的壓力，kPa；C為管道特性參數(shù)；Q為泄漏前介質(zhì)體積流量，m3/h；Q′為x處泄漏導(dǎo)致的上游流量，m3/h。

將式 （1） -式 （2），令 ΔPs=Ps-Ps′，，得：

泄漏后，泄漏點(diǎn)之前的流量會(huì)增大，大于原來(lái)的正常流量，泄漏點(diǎn)之后的流量會(huì)減小，且泄漏點(diǎn)流量越大，這種趨勢(shì)越明顯，有Q′＞Q。此時(shí)公式（3）中等號(hào)左邊視為定值，故泄漏后沿程壓力均下降，x1越大，泄漏前后的壓差ΔPx1越大。泄漏點(diǎn)x之后的管道特性方程如下：

式中：Pe、Pe′分別為泄漏前、后的末點(diǎn)壓力，kPa；分別為為泄漏前、后距離末點(diǎn)x2位置處的壓力，kPa；Q＂為x處泄漏導(dǎo)致的下游流量，m3/h。

將式 （3） -式 （4），令 ΔPe=Pe-Pe′，，得：

根據(jù)Q＞Q＂，泄漏后沿程壓力均下降，x2越大，泄漏前后的壓差ΔPx2越大。

1.2 多點(diǎn)泄漏管道沿程壓力分布情況

多點(diǎn)泄漏模型示意見圖2。

圖2 多點(diǎn)泄漏模型示意

多點(diǎn)泄漏沿程壓力分布情況與單點(diǎn)泄漏類似，此時(shí)可將不同泄漏點(diǎn)之間的距離最小化，視為同一個(gè)泄漏點(diǎn)，故不再分析泄漏點(diǎn)前和泄漏點(diǎn)后的壓力分布情況，只分析兩個(gè)泄漏點(diǎn)之間的壓力分布情況，特性方程如下：

式中：P1、P1′分別為泄漏前、后泄漏點(diǎn)1的壓力，kPa；Px3、Px3′分別為泄漏前、后距離泄漏點(diǎn)1下游x3處的壓力，kPa；Q1-為泄漏點(diǎn)1的下游流量，m3/h；Q2+為泄漏點(diǎn)2的上游流量，m3/h。

將式 （7） -式 （8），令 ΔP1=P1-P1′，，得：

泄漏后，Q＞Q1-+Q2+，且P1＞P1′，ΔPx3＞ΔPx3′，有ΔP1＜ΔPx3，則x3處的壓差介于泄漏點(diǎn)1和泄漏點(diǎn)2之間，且x3越大，x3處泄漏前后的壓差ΔPx3越大。

1.3 泄漏點(diǎn)處壓力情況

對(duì)圖2多點(diǎn)泄漏進(jìn)行分析，當(dāng)兩點(diǎn)同時(shí)泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)1和泄漏點(diǎn)2距離起點(diǎn)分別為x4、x5，此時(shí)泄漏點(diǎn)2的特性方程如下：

將式（10）-式（11），得：

泄漏后，Q1+＞Q＞Q1-，Q2+＞Q＞Q2-，此時(shí)x4、x5之間的距離無(wú)法彌補(bǔ)泄漏點(diǎn)1上游的流量增加，則ΔPs＜ΔP2，同理根據(jù)泄漏點(diǎn)1的特性方程可以得到ΔPs＜ΔP1，即泄漏點(diǎn)處的壓差幅值大于管道其余位置，距離泄漏點(diǎn)越近，泄漏前后的壓差幅值越大。

當(dāng)x4-x5=0時(shí)，兩個(gè)泄漏點(diǎn)變?yōu)?個(gè)泄漏點(diǎn)，結(jié)果與多點(diǎn)泄漏一致，泄漏點(diǎn)距離起點(diǎn)或末點(diǎn)越遠(yuǎn)，泄漏前、后的壓差幅值越大。另外，泄漏孔徑的增加會(huì)使泄漏點(diǎn)的上游流量不斷增加、下游流量不斷減少，則泄漏處的壓差也不斷增大。

2 模擬分析

2.1 模型建立

利用Pipeline Studio中的TGNET模塊建立輸氣管道模型，包括氣源、負(fù)荷和管道。管道總長(zhǎng)為100 km，均分為10段（A～J），管徑719 mm，壁厚9 mm，絕對(duì)當(dāng)量粗糙度0.025 mm；不考慮管道高程變化，關(guān)閉傳熱和組分跟蹤模型，在每段管道之間設(shè)置節(jié)點(diǎn)1～9進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 模擬管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 參數(shù)設(shè)定

氣源組分見表1，氣體狀態(tài)方程選用BWRS，摩阻計(jì)算選用Colerook公式，初始條件為“控制-約束”邏輯，起點(diǎn)最大流量300 km3/h，末點(diǎn)最小壓力4 MPa，初始泄漏孔徑10 mm。

表1 氣源組分摩爾分?jǐn)?shù) 單位：%

模擬過程為動(dòng)態(tài)，總時(shí)長(zhǎng)300 s，前60 s為正常工況，61～300 s為泄漏工況，迭代步長(zhǎng)為5 s。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 單點(diǎn)泄漏壓差分布

以泄漏點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)5、泄漏孔徑10 mm為例，模擬不同節(jié)點(diǎn)壓差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，見圖4。在前60 s未泄漏時(shí)，節(jié)點(diǎn)壓差均為0；泄漏后，各節(jié)點(diǎn)壓差先迅速增加后緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。不同節(jié)點(diǎn)壓差的上升幅度有所不同，節(jié)點(diǎn)5在泄漏90 s后，壓差達(dá)到穩(wěn)定；而節(jié)點(diǎn)1在泄漏70 s后，壓差達(dá)到穩(wěn)定。可見距離泄漏點(diǎn)越近，受到的流量擾動(dòng)越大，管內(nèi)壓力達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)壓差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)（單點(diǎn)泄漏）

模擬不同時(shí)間下的沿程壓差分布情況，見圖5，節(jié)點(diǎn)5的壓差幅值最大，其次為節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)8最小，可見在泄漏點(diǎn)處壓差幅值達(dá)到峰值。此外，相同泄漏時(shí)間下，下游節(jié)點(diǎn)壓差大于上游節(jié)點(diǎn)，這是由于氣源采用最大流量模式，泄漏時(shí)流量對(duì)下游的影響遠(yuǎn)大于上游。

圖5 不同時(shí)間下的沿程壓差分布（單點(diǎn)泄漏）

2.3.2 多點(diǎn)泄漏壓差分布

以泄漏點(diǎn)分別位于節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5、泄漏孔徑10 mm為例，模擬不同節(jié)點(diǎn)壓差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，見圖6。此時(shí)節(jié)點(diǎn)4、5的壓差幅值最大，遠(yuǎn)大于單點(diǎn)泄漏時(shí)節(jié)點(diǎn)5的壓差，節(jié)點(diǎn)3、7距離最近泄漏點(diǎn)的距離不一樣，但由于泄漏對(duì)下游的影響較大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)7的壓差在穩(wěn)定階段上升至與節(jié)點(diǎn)3一致。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)壓差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)（多點(diǎn)泄漏）

模擬不同時(shí)間下的沿程壓差分布情況，見圖7。多點(diǎn)泄漏壓差變化與單點(diǎn)泄漏類似，只是隨著時(shí)間延長(zhǎng)，兩個(gè)泄漏點(diǎn)的壓差幅值相差越來(lái)越明顯，管道中點(diǎn)附近的泄漏壓差最大。

圖7 不同時(shí)間下的沿程壓差分布（多點(diǎn)泄漏）

2.3.3 泄漏點(diǎn)位置對(duì)壓差分布影響

模擬單點(diǎn)泄漏不同泄漏位置下壓差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，見圖8。

圖8 不同泄漏位置壓差隨時(shí)間的變化趨勢(shì)（單點(diǎn)泄漏）

節(jié)點(diǎn)5泄漏前、后的壓差最大，圍繞節(jié)點(diǎn)5呈對(duì)稱分布的上、下游節(jié)點(diǎn)壓差分布基本一致，泄漏點(diǎn)距離起點(diǎn)或末點(diǎn)越近，泄漏前、后的壓差幅值越小。

模擬穩(wěn)態(tài)300 s時(shí)單點(diǎn)泄漏情況下不同泄漏位置對(duì)應(yīng)的沿程壓差分布情況，見圖9。壓差最大位置與泄漏點(diǎn)位置一一對(duì)應(yīng)，且對(duì)于同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于泄漏點(diǎn)之前時(shí)，泄漏點(diǎn)距離起點(diǎn)越近，壓差幅值越大；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于泄漏點(diǎn)之后時(shí)，泄漏點(diǎn)距離起點(diǎn)越近，壓差幅值越小。

圖9 不同泄漏位置對(duì)應(yīng)的沿程壓差分布（單點(diǎn)泄漏）

模擬多點(diǎn)泄漏情況下，不同泄漏位置對(duì)應(yīng)的沿程壓差分布，見圖10。當(dāng)泄漏點(diǎn)間距保持不變時(shí)，靠近起點(diǎn)，壓差曲線向左下方移動(dòng)；當(dāng)泄漏點(diǎn)間距加大時(shí)，壓差曲線整體向下方偏移，但泄漏點(diǎn)前后的壓差變化不大。

圖10 不同泄漏位置下的沿程壓差分布（多點(diǎn)泄漏）

2.3.4 泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)壓差分布的影響

模擬穩(wěn)態(tài)300 s時(shí)不同泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)下的沿程壓差分布情況，見圖11。多點(diǎn)泄漏的壓差幅值遠(yuǎn)大于單點(diǎn)泄漏，且多點(diǎn)泄漏的壓差幅值不是單點(diǎn)泄漏幅值的簡(jiǎn)單疊加，而是略小于疊加幅值。此外，泄漏點(diǎn)越多，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓差幅值越大，多點(diǎn)泄漏與疊加幅值的差距也越大。

圖11 不同泄漏點(diǎn)個(gè)數(shù)下的沿程壓差分布

3 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述研究，無(wú)論是單點(diǎn)泄漏還是多點(diǎn)泄漏，其泄漏處均在壓差最大的位置，通過TGNET建立管道模型模擬正常狀態(tài)下的沿程壓力分布，將其與SCADA系統(tǒng)采集的沿程壓力分布進(jìn)行對(duì)比，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓差分布情況，進(jìn)行定位和監(jiān)測(cè)，對(duì)于單點(diǎn)泄漏的定位公式如下：

多點(diǎn)泄漏的定位需根據(jù)式（12）計(jì)算，但x4、x5均未知，因此只能根據(jù)單點(diǎn)定位公式進(jìn)行粗定位。根據(jù)輸氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范中不同地區(qū)等級(jí)的劃分，三級(jí)地區(qū)閥室間距不超過16 km，四級(jí)地區(qū)的閥室間距不超過8 km，壓力變送器應(yīng)設(shè)置在閥室、分氣點(diǎn)的上下游，故多點(diǎn)泄漏的間距不會(huì)太大，以粗定位結(jié)果為基礎(chǔ)，再采用ACVG、DCVG對(duì)防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，或通過紅外成像技術(shù)進(jìn)行細(xì)定位，可有效減少盲目搜索的范圍。

以華北油田永清東線SCADA系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，該輸氣線起點(diǎn)永清站、終點(diǎn)北京東郊門站，管徑219 mm×6 mm，全長(zhǎng)68 km，管材為20碳鋼，1985年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壓力4 MPa。因運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，時(shí)常出現(xiàn)漏點(diǎn)，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，也給北京供氣安全造成壓力。泄漏工況與分氣工況類似，利用分壓站處模擬單點(diǎn)泄漏，利用分壓站和10號(hào)閥室內(nèi)放空管道模擬多點(diǎn)泄漏，泄漏定位參數(shù)見表2。

表2 泄漏定位參數(shù)

單點(diǎn)泄漏定位結(jié)果為34.18 km，定位誤差為3.57%；多點(diǎn)泄漏定位結(jié)果為36.01 km，在兩個(gè)泄漏點(diǎn)之間且靠近分壓站，可能與分壓站分壓流量較大有關(guān)，與分壓站相比定位誤差為9.12%，與10號(hào)閥室相比定位誤差為19.97%。雖然多點(diǎn)泄漏的定位誤差較大，但定位結(jié)果可優(yōu)先確定大的泄漏孔徑，對(duì)于確定維搶修的地點(diǎn)具有實(shí)際意義。

4 結(jié)論

（1）對(duì)泄漏前后的管道特性方程進(jìn)行分析，并采用TGNET軟件建立管網(wǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：?jiǎn)吸c(diǎn)泄漏與多點(diǎn)泄漏的壓差規(guī)律類似，泄漏開始后，節(jié)點(diǎn)壓差先迅速增加后緩慢增加并趨于穩(wěn)定，距離泄漏點(diǎn)越近，管內(nèi)壓力達(dá)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

（2）泄漏處的壓差最大，泄漏位置對(duì)壓差影響較大，泄漏點(diǎn)距離起點(diǎn)或末點(diǎn)越近，泄漏前后的壓差越??；多點(diǎn)泄漏的壓差遠(yuǎn)大于單點(diǎn)泄漏，且多點(diǎn)泄漏不是單點(diǎn)泄漏壓差幅值的疊加。

（3）現(xiàn)場(chǎng)SCADA系統(tǒng)并不是在管道沿線所有點(diǎn)布置，故根據(jù)兩個(gè)壓力偏差較大的點(diǎn)可以估算管道泄漏位置，驗(yàn)證后單點(diǎn)泄漏的定位誤差為3.57%，多點(diǎn)泄漏的定位誤差為9.12%。