埋地天然氣管道泄漏激光檢測(cè)影響分析

沈書(shū)乾，李海三，沈晶，王莉莉，李棟*，李茜

（1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院，廣東 茂名 525000；2. 大慶油田采油二廠(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，黑龍江 大慶 163318； 3. 東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

埋地天然氣管道泄漏激光檢測(cè)影響分析

沈書(shū)乾1，李海三1，沈晶2，王莉莉3，李棟*3，李茜3

（1. 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院，廣東 茂名 525000；2. 大慶油田采油二廠(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所，黑龍江 大慶 163318； 3. 東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

激光技術(shù)是天然氣管道泄漏檢測(cè)的重要手段，而泄漏擴(kuò)散過(guò)程對(duì)其檢測(cè)過(guò)程存在一定影響。通過(guò)建立埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，模擬得到了泄漏天然氣擴(kuò)散特性，計(jì)算了天然氣擴(kuò)散光譜檢測(cè)值，分析了不同檢測(cè)高度、不同泄漏口大小以及不同風(fēng)速對(duì)天然氣擴(kuò)散光譜特性的影響。研究表明：泄漏口越大，測(cè)得的光譜檢測(cè)曲線(xiàn)越低，降低幅度在距泄漏口40 m內(nèi)最為明顯；有風(fēng)速影響時(shí)，光譜檢測(cè)曲線(xiàn)最低點(diǎn)均向下風(fēng)向偏移，在距泄漏口6 m左右時(shí)光譜檢測(cè)值最小。研究結(jié)果可為合理有效地進(jìn)行激光檢測(cè)提供參考。

天然氣管道；激光檢測(cè)；檢測(cè)高度；泄漏孔徑；數(shù)值模擬

天然氣是一種新型的能源。管道是天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。但天然氣管線(xiàn)易受到人和自然因素的影響，管道泄漏頻頻發(fā)生[1-4]，且管道泄漏極大的影響著能源輸送的安全，可造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞[5-7]。由此，管道泄漏檢測(cè)是保障管道安全運(yùn)行的必要手段，研究不同因素對(duì)天然氣管道泄漏激光檢測(cè)的影響對(duì)于管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與完善至關(guān)重要。

目前，天然氣管道泄漏的檢測(cè)方法有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]、聲波檢測(cè)法[9]、負(fù)壓波法[10]、生物檢測(cè)法[11]和激光檢測(cè)法等。其中，激光具有靈敏度高、響應(yīng)快、可遙測(cè)等特點(diǎn)[12,13]。李克等[14]在采用機(jī)載激光甲烷探測(cè)儀在1.65 μm的波長(zhǎng)下進(jìn)行空中探測(cè)，對(duì)長(zhǎng)輸管線(xiàn)小泄漏直升機(jī)激光檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)飛行高度低于90 m范圍內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到要求。張帥等[15]采用波長(zhǎng)為1.65 μm可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)天然氣管道泄漏進(jìn)行了測(cè)試，提出了軟閾值小波去噪法，提高了移動(dòng)遙測(cè)靈敏度，可達(dá)80 ppm。Gao等[16]利用功率為10 mW、波長(zhǎng)為1.65 μm的DFB激光器通過(guò)地面反射來(lái)檢測(cè)天然氣的泄漏，并利用比檢測(cè)技術(shù)消除地形散射的影響，測(cè)靈敏度可達(dá)50 ppm。

本文建立了埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散和激光檢測(cè)過(guò)程模型，分析了不同泄漏條件下氣體擴(kuò)散的濃度和速度變化過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)，分析了其對(duì)激光檢測(cè)的影響。以期為天然氣管道泄漏的激光檢測(cè)提供一定參考。

1 理論模型

1.1 控制方程

土壤屬于多孔介質(zhì)，表征參數(shù)主要有孔隙率和滲透率。流體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西滲流定律，流體在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)介質(zhì)的體積與其流過(guò)的截面積和起止壓差成正比。本模型考慮氣體由管道泄漏擴(kuò)散到地面，在時(shí)間和空間上濃度的分布。

滲流運(yùn)動(dòng)方程：

滲流過(guò)程遵循質(zhì)量守恒定律，多孔介質(zhì)中滿(mǎn)足連續(xù)性方程：

式中:φ為多孔介質(zhì)孔隙率。

通過(guò)以上方程可得到廣義方程：

由于天然氣泄漏過(guò)程屬于湍流流動(dòng)，壓力梯度和流速之間為非線(xiàn)性關(guān)系，達(dá)西定律可寫(xiě)成：

式中:β為非線(xiàn)性達(dá)西系數(shù)，m-1；ρ為天然氣密度，kg/m3。

天然氣在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散，其組分傳輸方程：

式中:ic為溶于液體中天然氣的濃度，mol/m3；Pc為固體顆粒的吸收量，mol/kg；θ為多孔介質(zhì)液體體積分?jǐn)?shù)；bρ為多孔介質(zhì)容重，為氣體體積分?jǐn)?shù)，v-a ε θ= ；Pρ為固相密度，kg/m3；φ為多孔介質(zhì)孔隙率。在方程右邊，第一項(xiàng)表示混合物擴(kuò)散的組分分布，DD 和eD分別表示張量（m2/s）和有效擴(kuò)散（m2/s）。

激光檢測(cè)天然氣管道泄漏時(shí)，當(dāng)激光掃過(guò)天然氣管道泄漏點(diǎn)，部分激光被天然氣所吸收，其原理基于氣體分子對(duì)光譜的選擇吸收特性。通過(guò)初始功率和回波功率反演泄漏點(diǎn)處天然氣濃度。

朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律分析吸收光能情況：

式中:T為透射比，A為吸光度；b為吸收層厚度，cm；k為光吸收比例系數(shù)，100 cm2/g·mol；c為吸光物質(zhì)濃度，mol/L。

由于天然氣管道泄漏時(shí)，泄漏的天然氣分布不均勻，激光傳輸能量損失計(jì)算公式為：

探測(cè)器檢測(cè)反射光束，從而確定天然氣吸光度：

式中:ρ為天然氣的反射率。

本文利用 FLUENT軟件求解天然氣的二維非穩(wěn)態(tài)泄漏擴(kuò)散問(wèn)題，采用SIMPLE算法求解，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，采用標(biāo)準(zhǔn)k ε- 湍流模型，殘差精度為10-5。

1.2 計(jì)算參數(shù)

模擬空間為120 m×115 m，泄漏口為速度入口，管道為無(wú)滑移壁面，靜風(fēng)時(shí)模擬空間上、左、右邊均采用壓力出口，有風(fēng)速時(shí)空間上、右面為壓力出口，左面為速度入口。初始天然氣的濃度和速度均為零。模型建立及計(jì)算過(guò)程均采用甲烷氣體。

某天然氣埋地管道Φ=700 mm，管道埋深1 m，泄漏口為圓孔，天然氣溫度為298.15 K，大氣穩(wěn)定性較好。管道所在大氣壓為 1.013×105Pa，粘度為1.789×10-5Pa·s，空氣密度為1.225 kg/m3，比熱比為1.3，環(huán)境平均溫度 288.15 K。重力加速度為 9.81 m2/s。管道所在地勢(shì)平坦，土壤密度為1500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)，比熱為2200 J/(kg·K)，孔隙度0.45；粘性阻力系數(shù)為4.72×109，慣性阻力系數(shù)為2.1×105。土壤對(duì)天然氣不吸收，對(duì)光的反射率為0.4。

2 結(jié)果分析

（1）泄漏口大小的影響

模擬參數(shù)主要為：泄漏速度v=626.1 m/s，泄漏時(shí)間t=240 s，周?chē)h(huán)境風(fēng)速為零，測(cè)量高度H=110 m，泄漏孔徑分別為50、66、82和100 mm。其模擬結(jié)果如圖1。

圖1 不同泄漏口大小天然氣濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)Fig.1 Natural gas concentration field and velocity field with different leakage apertures

圖1為此工況條件下不同泄漏口大小的天然氣的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)。由圖可知，在計(jì)算區(qū)域頂部，泄漏口垂直方向上四種泄漏口對(duì)應(yīng)的濃度場(chǎng)值分別為0.07、0.08、0.01和0.11，速度場(chǎng)分別為值為7.49、7.88、9.57和10.67。通過(guò)對(duì)比可知，相同條件下，隨著泄漏口的增大，天然氣的擴(kuò)散范圍越大，天然氣的擴(kuò)散速度越大，空氣回流也越明顯。

圖2為此工況條件下不同泄漏口大小的天然氣擴(kuò)散光譜檢測(cè)對(duì)比圖。由圖可知，由于泄漏口上方天然氣濃度最高，四種泄漏口時(shí)均在泄漏口垂直方向上取得光譜最小值，分別為0.025、0.019、0.009和0.005，后隨著距離的增大而逐漸增大，不同泄漏口時(shí)光譜檢測(cè)曲線(xiàn)差別較大，泄漏口越大，光譜 檢測(cè)曲線(xiàn)越低，在達(dá)到距離泄漏口水平距離為40 m左右時(shí)，四種泄漏口對(duì)應(yīng)下測(cè)得的天然氣云團(tuán)光譜檢測(cè)值相差不多，在40～50 m范圍內(nèi)光譜檢測(cè)曲線(xiàn)幾乎重合，說(shuō)明此時(shí)天然氣濃度分別較為接近。通過(guò)對(duì)比可知，不同泄漏口大小對(duì)距泄漏口0～40 m范圍內(nèi)的天然氣泄漏擴(kuò)散光譜檢測(cè)影響較大。

圖2 不同泄漏口大小天然氣擴(kuò)散光譜檢測(cè)對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of natural gas diffusion spectrum detection with different leakage apertures

（2）風(fēng)速的影響

模擬參數(shù)主要為：泄漏速度v=626.1 m/s，泄漏孔徑d=50 mm，泄漏時(shí)間t=240 s，測(cè)量高度H=110 m，周?chē)h(huán)境風(fēng)速為0、4、8和12 m/s。其模擬結(jié)果如圖3。

圖3 不同風(fēng)速天然氣濃度場(chǎng)與速度場(chǎng)Fig.3 Natural gas concentration field and velocity field with different wind speeds

圖4為此工況條件下不同風(fēng)速的天然氣擴(kuò)散光譜檢測(cè)對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)風(fēng)速為零時(shí)，光譜檢測(cè)曲線(xiàn)以泄漏口垂直方向?yàn)橹行膶?duì)稱(chēng)，在泄漏口垂直方向上光譜檢測(cè)值最低，為0.025，之后光譜檢測(cè)曲線(xiàn)隨著距離的增大逐漸上升，到距泄漏口 50 m左右時(shí)光譜檢測(cè)值接近0.4，為地面的反射值；當(dāng)風(fēng)速不為零時(shí)，所得的光譜曲線(xiàn)最低點(diǎn)均向下風(fēng)向偏移，在距泄漏口水平距離6 m左右時(shí)光譜檢測(cè)值最小，分別為0.236、0.289和0.307。在上風(fēng)向當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，探測(cè)器在距泄漏口水平距離超過(guò)40 m左右時(shí)光譜檢測(cè)曲線(xiàn)開(kāi)始保持穩(wěn)定，值為0.4，當(dāng)風(fēng)速為8和12 m/s時(shí)，探測(cè)器在距泄漏口水平距離超過(guò)20 m左右時(shí)光譜檢測(cè)曲線(xiàn)開(kāi)始保持穩(wěn)定，值為0.4。上升，在距離泄漏口水平距離為50 m時(shí)，三個(gè)風(fēng)速下光譜檢測(cè)值分別為0.330、0.317和0.344。通過(guò)對(duì)光譜檢測(cè)值最低點(diǎn)下風(fēng)向曲線(xiàn)隨著距離的增大逐漸比可知，風(fēng)速對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散光譜檢測(cè)影響較大。

圖4 不同風(fēng)速下天然氣擴(kuò)散光譜檢測(cè)對(duì)比圖Fig.4 Contrast diagram of natural gas diffusion spectrum detection with different wind speeds

3 結(jié) 論

本文主要通過(guò)建立不同條件下埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散的二維模型，采用CFD計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算求解，得到各條件下的天然氣管道泄漏擴(kuò)散云圖及濃度分布數(shù)據(jù)，利用朗伯-比爾定律計(jì)算天然氣泄漏擴(kuò)散的光譜檢測(cè)曲線(xiàn)，并分析天然氣云團(tuán)光譜特性的影響因素。結(jié)論如下：

（1）泄漏口越大，測(cè)得的光譜檢測(cè)曲線(xiàn)越低，降低幅度在距泄漏口40 m內(nèi)最為明顯；

（2）有風(fēng)速影響時(shí)，光譜檢測(cè)曲線(xiàn)最低點(diǎn)均向下風(fēng)向偏移，在距泄漏口6 m左右時(shí)光譜檢測(cè)值最小。

［1］Kirti Bhushan Mishra, Klaus-Dieter Wehrstedt. Underground gas pipeline explosion and fire: CFD based assessment of foreseeability[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2015,24:526-542.

［2］單廣斌,劉小輝,亓婧,等. 天然氣管道開(kāi)裂失效分析[J]. 壓力容器,2013,11:47-51.

［3］ 戚元華,林偉國(guó),吳海燕. 基于時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征的天然氣管道泄漏檢測(cè)方法[J]. 石油學(xué)報(bào),2013,06:1195-1199.

［4］胡憶溈. 天然氣管道泄漏分析及動(dòng)態(tài)處理技術(shù)[J]. 天然氣工業(yè),200 1,04:98-100+1-0.

［5］馬世海. 城區(qū)天然氣管道泄漏數(shù)值模擬與爆炸危害分析[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,07:26-30.

［6］魏立新,辛穎,余斌. 大慶油田天然氣管道泄漏事故后果模擬[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2008,06:41-43+15+62.

［7］馮文興,項(xiàng)小強(qiáng),閆嘯,李保吉,王兆芹. 高壓天然氣管道泄漏燃燒爆炸后果[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,12:903-904+928+875.

［8］Bingkun Gao, Guojun Shi, Qing Wang. Neural Network and Data Fusion in the Application Research of Natural Gas Pipeline Leakage Detection[J]. International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition, 2013, 6(6): 129-140.

［9］Hao J, Zhang L, Wei L, et al. Integrated leakage detection and localization model for gas pipelines based on the acoustic wave method[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 27(1):74-88.

［10］劉恩斌, 李長(zhǎng)俊, 彭善碧. 應(yīng)用負(fù)壓波法檢測(cè)輸油管道的泄漏事故[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 41(11): 285-287.

［11］Batzias F A, Siontorou C G, Spanidis P M P. Designing a reliable leak bio-detection system for natural gas pipelines[J]. Journal of hazardous materials, 2011, 186(1): 35-58.

［12］Bushmeleva K I, Plyusnin I I, Bushmelev P E, et al. Modeling the optimal parameters for a remote sensing device[J]. Measurement Techniques, 2011, 54(3):294-299.

［13］ 王莉莉,王夢(mèng)珠,呂妍,齊晗兵,李棟. 泄漏位置對(duì)激光檢測(cè)天然氣管道泄漏影響分析[J]. 壓力容器,2016,08:60-64+74.

［14］ 李克, 李振林,宮敬, 等. 天然氣管道小泄漏高空激光檢測(cè)試驗(yàn)[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 34(1): 129-133.

［15］張帥, 劉文清, 張玉鈞, 等. 基于激光吸收光譜技術(shù)天然氣管道泄漏定量遙測(cè)方法的研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(5): 50701-050701.

［16］Gao X, Fan H, Huang T, et al. Natural gas pipeline leak detector based on NIR diode laser absorption spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part A Molecular & Biomolecular Spectroscopy, 2006, 65(1):133-138.

Analysis on the Influence Factors of Laser Detection of Buried Natural Gas Pipeline Leakage

SHEN Shu-qian1,LI Hai-san1,SHEN Jing2,WANG Li-li3,LI Dong*3,Li Qian3

（1. Maoming Inspection Institute, Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and Research, Guangdong Maoming525000，China；2. Daqing Oilfield Company the Second Oil Recovery Plant Planning Design Institute, Heilongjiang Daqing 163318，China; 3. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Laser technology is an important means of natural gas pipeline leak detection, and the leak diffusion process has a certain impact on the detection process. Through the establishment of buried gas pipeline leakage diffusion model, the leakage of natural gas was simulated to gain natural gas diffusion characteristics, and then the gas diffusion spectrum detection value was calculated, and the effect of different detection height, leak hole size and wind speed on the gas diffusion spectrum characteristics were analyzed. The research shows that, the larger the leakage hole size, the lower the measured spectral detection curve, decreasing range in 40 meters from leaking hole is obvious; under the effect of wind velocity, the lowest detection curve of spectrum shifts to downwind direction, spectral leakage detection value is the minimum at a distance of about 6 m. The results of this study can provide reference for reasonable and effective laser detection.

Natural gas pipeline;Laser detection; Detection height; Leakage aperture; Numerical simulation

TH49；TQ055.8；TQ050.7

B

1671-0460（2017）04-0693-04

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：216CT12，國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：22016qk143。

2016-11-28

沈書(shū)乾（1979-），男，江西省九江市人，高級(jí)工程師，碩士，2006年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工機(jī)械專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事安全檢測(cè)技術(shù)研究工作。

李棟（1979-），男，副教授，博士，研究方向：管道泄漏光學(xué)檢測(cè)研究工作。E-mail：lidonglvyan@126.com。