一種燃氣管網泄漏快速定位及泄漏量確定方法

邢琳琳， 解東來， 祁麗榮， 韓金麗

(1.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035； 2.美國環保協會，紐約10010)

1 概述

燃氣管網是城市的生命線，其安全運行關系到人民生命財產安全以及能源供給安全。城市燃氣管網所處環境復雜，在地下縱橫交錯，服役時間長、規模巨大。由于管道腐蝕老化、第三方破壞等原因引起的燃氣泄漏事故頻發，極大影響了人民群眾生命財產安全和城市能源供應[1]。甲烷泄漏不但關系到城市生命線的安全供應，造成資源浪費，也會對氣候變化產生不利影響。甲烷是具有快速增溫效應的短壽命強勢溫室氣體，其在大氣中壽命為12 a，在20年尺度下的全球增溫潛勢(GWP20)約為二氧化碳的84倍，在100年尺度下則為二氧化碳的28倍。甲烷排放在目前人為感知的溫室氣體全球變暖中的貢獻率達到了25%。政府間氣候變化專門委員會IPCC發布的特別報告明確指出，甲烷等非二氧化碳溫室氣體的深度減排是將全球升溫控制在1.5 ℃以下的必要條件[2]。

傳統的燃氣管道泄漏檢測普遍采用各種精度的甲烷濃度檢測儀，對管道沿線進行甲烷體積分數檢測，檢測平臺不同，泄漏定位的速度會不同，汽車、摩托車等機動平臺檢測速度相對較快，而人工巡線則較慢。同時，甲烷濃度檢測儀精度不同，所能探測到的泄漏量大小會不同。美國科羅拉多礦業學院的Ulrich等人對地下管道泄漏的實驗研究表明，當地下管道的泄漏率是0.52 kg/h，地面風速為2 m/s時，泄漏出地面10 cm范圍內的甲烷體積分數迅速降低到0.01 %以下，甲烷濃度檢測儀的精度需達到10×10-6以上才能探測到埋地燃氣管道泄漏[3]。目前泄漏檢測的另一個技術瓶頸是只能探測甲烷體積分數，開放式激光檢測儀只能探測甲烷柱濃度，不能量化泄漏率，從而無法估算甲烷排放量。

為解決以上傳統燃氣泄漏檢測的不足，美國科羅拉多州立大學(CSU)Von Fisher教授團隊在美國環保協會的資助下，研發了一種利用車載高精度甲烷濃度檢測儀及地理位置定位系統確定燃氣輸配系統泄漏點位置及泄漏率的快速方法[4-5]，在美國加利福尼亞州4個城市進行了量化驗證[6]，并在美國其他多個城市和地區進行了應用[7]，北京市燃氣集團有限責任公司目前也在對該方法進行實測驗證。本文對該方法及其研發過程、驗證情況進行介紹，并提出了一些改進建議，希望該方法可在中國應用，并得到改進，以提高我國城市燃氣輸配運營水平。

2 方法介紹

2.1 設備

這種快速檢測方法主要有3個核心設備，包括高精度甲烷濃度分析儀、地理位置定位(GPS)系統、車輛平臺。CSU團隊在方法研究過程中采用谷歌街景(GSV)汽車3輛；GPS系統是Hemispheres A100 GPS，安裝在車輛頂部，采樣頻率是1 Hz，定位精度為m級；甲烷濃度分析儀是PicarroG2301高精度CH4分析儀，采樣頻率是2 Hz，精度為8.6×10-9。為了驗證風速對測試結果的影響，在研發測試中配備了Climatronics 102779 二維風速儀，在車頂安裝，但在所研發的泄漏量化公式中并未采用風速作為量化指標。

2.2 泄漏檢測及定位方法

車載檢測系統行駛速度在70 km/h以內，每條路巡查2次及以上，高精度甲烷濃度分析儀采集檢測點的甲烷體積分數，GPS系統記錄檢測點的位置信息。當檢測到的甲烷體積分數有2次及以上超過背景體積分數(背景體積分數指在沒有明顯的甲烷源或雖有甲烷源而不排放污染物的條件下，由環境風從其他地區輸送過來的甲烷體積分數)10%時，即可判斷有泄漏發生，并利用GPS系統記錄泄漏點的坐標。由于空氣從采樣口進入到甲烷濃度分析儀有約5 s的時間延遲，需要對在給定位置吸入氣體與分析儀報告CH4體積分數之間的滯后時間進行校正，以確保泄漏源的精準位置。同時，GPS定位系統和高精度甲烷濃度分析儀的采樣頻率分別是1 Hz和2 Hz，兩次GPS定位之間的甲烷體積分數分析的地理位置需要進行插值計算[4-5]。當甲烷體積分數數據測試發生以下幾種情況時，判斷為未泄漏，但作為異常數據進行報告：

① 車速大于70 km/h；

② 甲烷體積分數升高的距離超過160 m以上；

③ 甲烷平均背景體積分數大于2.8×10-6；

④ GPS 坐標發生漂移；

⑤ 空氣從采樣口進入到甲烷濃度分析儀的時間延遲超過5 s。

2.3 泄漏量化方法及分級

如前所述，在泄漏檢測過程中，GPS系統記錄了每個甲烷體積分數對應的地理信息，即可測算相鄰兩次甲烷體積分數測試點的距離。一個典型的泄漏點甲烷體積分數測試結果見圖1，圖1中最大甲烷體積分數增量是點A與甲烷背景體積分數(圖1中虛線對應的甲烷體積分數)的差。甲烷體積分數曲線與甲烷背景體積分數線組成的圖形面積為甲烷體積分數增量對距離的積分，記為甲烷線濃度。通過大量的測試，CSU團隊初步發現甲烷泄漏率可以用公式(1)來擬合：

圖1 典型的泄漏點甲烷體積分數 測試結果隨車行駛距離的分布

lgqV=0.117 8+0.082 67φmax-0.005 175B+

0.086 26d

(1)

式中qV——甲烷泄漏率，L/min

φmax——最大甲烷體積分數增量，即實測甲烷體積分數減去甲烷背景體積分數

B——甲烷線濃度，即甲烷體積分數增量對距離的積分，m

d——甲烷線濃度與最大甲烷體積分數增量的比值，m

在后續的實際測試中，發現公式(1)估算的泄漏率比實測結果偏高，尤其是在小泄漏率的情況下，偏差較大。CSU團隊又提出了一個相對簡單且與實際泄漏率更加符合的公式：

lnφmax=-0.988+0.817lnqV

(2)

燃氣泄漏率的大小，即泄漏率的分級，對于確定維修、搶修優先級更有意義。在該方法的研發階段，CSU團隊將泄漏率分為低中高3級，分別為低泄漏率(小于3.9 g/min)、中泄漏率(3.9～26 g/min)、高泄漏率(>26 g/min)。后期在方法驗證階段，將低泄漏率分級調整為小于1.6 g/min，相應的中泄漏率調整為1.6～26 g/min，高泄漏率范圍不變。這個新的分級參考了美國華盛頓州立大學Lamb教授團隊在美國城市燃氣管道泄漏采樣計劃中使用地面集氣法和示蹤劑比例法兩種方法測得的泄漏率[8]。

3 方法研發過程

CSU團隊的泄漏定位方法是通過試驗驗證，并通過統計學理論估算在相同地點、不同測試次數的準確度。泄漏量化方法是通過試驗數據，用統計學理論確定泄漏率的3個重要特征參數：最大甲烷體積分數增量、甲烷線濃度、甲烷線濃度與最大甲烷體積分數增量的比值(實際應是兩個獨立變量，文獻[4]中描寫為3個參數)，并用最小二乘法擬合出泄漏率與上述3個變量的經驗公式。

文獻[4]所述的試驗驗證分為兩個階段。階段1是在CSU團隊所在城市Fort Collins的一個廢棄飛機場進行的開闊空間的校準試驗，試驗數據用于擬合經驗公式(1)。階段2是在Fort Collins市區進行，在城市條件下對公式(1)進行了驗證。兩個階段的試驗，共進行了276次車載測試，捕獲了51個受控條件(日期、位置、釋放速率、車輛ID和駕駛速度等)。試驗中的甲烷釋放速率為1～45 L/min，涵蓋了城市管網中常規泄漏量的范圍。詳細的試驗條件見表1。

表1 驗證試驗的試驗條件

對于在Fort Collins廢棄機場的兩次校準試驗，CH4釋放速率分別為2、10、20、40 L/min，車載測試甲烷體積分數的過程中，檢測車行駛路線與釋放點的垂直距離分別為5、10、20和40 m，每種條件重復5次測試。

在Fort Collins市區的3次驗證試驗，選擇的路段分別是主干道、中等流量車道、安靜的社區3種情況，CH4釋放速率分別是 0.5、1、10、25、45和50 L/min；釋放點距車道邊緣50 cm，檢測車行駛路線到釋放點的垂直距離為5～21 m不等，車輛行駛速度為15～40 km/h。每種條件重復4～6次測試。

校準試驗的主要發現如下：甲烷背景體積分數為(1.97 ± 0.09)×10-6。在所有的甲烷釋放速率 (2～40 L/min)下，當車輛行駛路線距離釋放點垂直距離≤20 m時，車載設備檢測到的甲烷體積分數都會超過背景體積分數10%以上。當車輛行駛路線距離釋放點垂直距離40 m時，車載設備有時會檢測到甲烷體積分數超過背景體積分數10%以上，有時不會。通過統計學中的方差分析發現，甲烷釋放速率與測得的甲烷體積分數增量、甲烷線濃度、甲烷線濃度與最大甲烷體積分數增量的比值密切相關，而與行駛路線、與釋放點的垂直距離、車輛沒有關系。通過最小二乘法擬合，可以得到甲烷釋放速率與上述3個變量的關系，用公式(1)描述。

4 方法驗證

車載式快速泄漏檢測及量化方法明確后，CSU團隊先在美國波士頓、伯靈頓、福蒙特州、史坦頓島、雪城等7個城市進行了泄漏實測[7]，后在加利福尼亞州4個城市的燃氣公司進行了定位準確度和量化準確度的實測驗證。

4.1 城市實測

以在美國波士頓的一次實測為例，2013年3月12日7:50—8:53，檢測車檢測了7 363 個數據點，檢測到大氣中甲烷體積分數最小值為1.87×10-6，平均值為2.01×10-6。用于判斷天然氣泄漏的甲烷體積分數閾值中位數為2.16×10-6。在這63 min的測試中，發現17處甲烷體積分數超高。

在波士頓的測量中，CSU團隊研究了風速對檢測結果有無影響。在波士頓市GSV車輛識別出了8 207次泄漏，在測得泄漏率的同時，車載風速儀也測得了當時的風速。通過統計分析發現，風速變化對泄漏率估值幾乎沒有影響，或者影響很小。詳細的統計學分析參見文獻[4]。在史坦頓島的實測中，研究人員測試了泄漏測量的可重復性。從2013年11月到2014年3月，研究人員14次駕車檢測某一特定地點，其中7次測得了泄漏。盡管每次測得的最高CH4體積分數不同，但體積分數隨空間的變化形態明顯符合天然氣泄漏的特點。

研究者在美國一個城市進行了長達9個月的摸排工作。在這9個月的檢測中，共發現138個泄漏點，平均每個泄漏點進行了20次檢測，其中，發現泄漏的平均次數是7次，平均有36%的泄漏點能夠在第一次檢測中被發現。對于不同級別的泄漏，研究者發現，對于小于3.9 g/min的泄漏，一次檢出的概率為35%；對于3.9～26 g/min的泄漏，一次檢出的概率為63%；超過26 g/min的泄漏一次檢出的概率為74%。統計學分析表明，如果要檢測到一個城市90%以上的泄漏點，需要進行8～9次檢測。

4.2 泄漏定位和量化的實測驗證

文獻[6]描述了CSU團隊在加利福尼亞州4個燃氣公司進行的泄漏定位及量化的實測驗證。驗證過程如下：CSU團隊先進行車載泄漏檢測，將測得的泄漏點位置報告給燃氣公司，燃氣公司派人對報告的泄漏點進行驗證，最后燃氣公司與CSU團隊共同到現場進行泄漏點存在與否的驗證，并用地面集氣法[8]和示蹤劑比例法[8]驗證泄漏率。

驗證過程中發現，在CSU團隊在城市A和城市B檢測到的泄漏點中，當地燃氣公司派出巡查人員現場檢測后，有超過80%的泄漏點未能被燃氣公司的巡查人員發現，詳情見表2。

表2 燃氣公司對車載檢測泄漏點的驗證情況

隨后，CSU團隊與當地燃氣公司組成聯合驗證組到現場，對那些燃氣公司巡線人員未發現的泄漏點(城市A有32處，城市B有31處)重新進行驗證，驗證結果見表3。由表3可以看出，車載檢測探測到的燃氣泄漏，總體是準確的，但燃氣公司的巡線人員卻發現不了這些泄漏。原因應該是，燃氣公司巡線人員所采用的甲烷體積分數檢測設備的靈敏度為(3～5)×10-6，而CSU團隊采用的設備是10-9級別的。對于探測到的城市A的18處需要修復的天然氣泄漏，當地燃氣公司采用手持式甲烷泄漏遙測儀有一半還是檢測不到。

表3 聯合驗證組對燃氣公司 未發現的泄漏點的重新驗證結果

在城市C和D，對泄漏點定位的誤差進行了研究。實測發現，對于泄漏點位置，車載檢測所指示的位置與實際泄漏位置之間的平均距離誤差為31 m。

在城市C和D，對用公式(1)估算的泄漏率與地面集氣法測得的泄漏率進行了比較；在城市D，對用公式(1)估算的泄漏率與示蹤劑比例法測得的泄漏率進行了比較。從比較結果得知，用公式(1)估算的泄漏率比實測結果偏高，尤其是在小泄漏率的情況下，偏差較大。因此在后續的研究中，研發人員提出了采用公式(2)量化泄漏率，精度得到了提高[5]。

5 在中國應用的改進建議及前景分析

5.1 該方法的改進建議

① 目前該方法對泄漏點的定位屬于盲測，純粹基于車載設備測量大氣中的甲烷體積分數及相應的地理位置信息。目前許多燃氣公司都建立了地理信息系統，如果在定位分析中結合燃氣管位信息，對預測的泄漏點位置進行修正，定位精度會大大提高。

② 美國大部分城市人口密度低，街道、道路較窄。中國城市人口密度高，街道、道路較寬。在我國應用此方法時，尤其是在沿較寬的道路進行檢測時，建議將道路一分為二，不同行駛方向各作為一條道路，有望提高定位精度。

③ 量化方法從公式(1)到公式(2)，研究團隊也一直在改進完善。未來中國的應用可以對泄漏率量化經驗公式進行進一步的驗證和完善。

5.2 在中國應用的前景分析

① 車載式快速泄漏檢測可為城市燃氣管網泄漏和安全管理提供支撐?？稍谳^短時間內，快速掌握管網泄漏情況，大大提升巡檢效率，有效降低人工運行成本?？蓱糜谌細夤艿赖娜粘Ｑ矙z、隱患排查、燃氣泄漏監測、城市燃氣管網泄漏評估以及重大政治任務、大型活動和重點區域的燃氣管道保駕等場景。

② 車載式快速泄漏檢測和量化方法為我國城市燃氣行業及時掌握天然氣泄漏率提供了參考和依據。該方法提供了一種簡單的測試和計算模型，及時掌握管網泄漏率，從而為科學制定城市燃氣管網修復計劃提供依據，確保城市公共安全，減少事故發生。

③ 該方法為我國城市摸清節能減排工作提供探索路徑，通過優先修復風險高、泄漏率大的管道，能夠掌握不同城市、不同區域的甲烷排放情況，有效降低較大城市、區域的天然氣輸配和運行環節的甲烷排放量，氣候和環保效益顯著。

致謝：本文撰寫過程中遇到的技術問題，得到了科羅拉多州立大學 (CSU)Von Fisher和Weller教授的熱心解答。