摻氫天然氣管道泄漏危險介質激光檢測掃描方案研究

摘 要 為提高摻氫天然氣管道危險介質檢測效率，以流體力學為基礎，進行不同工況下危險介質激光檢測路徑設置分析，并在不同環境風速下對危險介質流體力學進行仿真研究。研究結果表明：隨著風速的不斷增大，泄漏口與激光器間隔距離變寬，激光距離5 m時的掃描策略優勢更明顯。

關鍵詞 激光檢測 路徑平均濃度 危險介質 掃描策略

中圖分類號 TN249"" 文獻標志碼 A"" 文章編號 1000-3932（2024）05-0830-07

氫能作為二次能源，具有清潔、高能量及零排放等優點［1］，一定量的氫氣摻入天然氣，有利于氫氣的長距離運輸，同時節省了大量的管道建設成本。摻氫天然氣門站作為摻氫天然氣遠距離傳輸的中轉站［2］，存在大量的易燃易爆危險介質。摻氫天然氣的泄漏將對長距離摻氫天然氣的傳輸造成巨大影響，因此對摻氫天然氣危險介質泄漏進行研究，基于其規律構建合理的泄漏檢測策略，對摻氫天然氣的安全傳輸具有重要意義［1，2］。

當前，各學者對危險介質泄漏檢測的研究主要分為兩類方法：光學方法和非光學方法。當前的非光學檢測技術手段中包括傳統的催化燃燒檢測技術、半導體及電化學型氣敏傳感器和質譜法，但催化燃燒檢測技術設備體積較大，實時性差；半導體及電化學型氣敏傳感器氣體選擇性差，靈敏度較低［3］；質譜法操作較為復雜，氣體檢測的實時性較差，且上述檢測方法需要檢測器與氣體進行物理接觸獲得待測氣體的濃度數據［4］，裝備靈活性不夠。光學檢測技術中的可調諧半導體激光吸收光譜技術（TDLAS）［5，6］具有靈敏度高、氣體選擇性好、分辨率高及抗干擾性強等優點［7］。TDLAS技術中激光以光束形式穿過待測氣體區域，獲得待測氣團在光束路徑上的平均濃度值（PAG）。趙靜和張東將TDLAS探測器應用于礦井下，結合軟件工具對采集的數據進行處理實現了動態監控的用戶使用界面，可以對礦井內甲烷可燃氣體的濃度進行精確監控［8］。徐俊等提出了基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遙測系統，其設計結果表明：在0～0.002 m以內，設計系統精確誤差在3.66%以內，最小誤差可以達到0.23%，該系統可廣泛應用于天然氣管網等環境中［9］。劉杰等以滿足城市管網維護中甲烷泄漏檢測為目的，研制了便攜吸入式甲烷探測儀，其系統誤差在3.05%以內，最小探測極限可以達到0.88ppm，表明該設備完全滿足管網檢測的需求，也證明了以TDLAS技術為基礎的激光檢測設備完全具有應用于管網環境的巨大潛力［10］。BAILEY D等采用非合作目標的TDLAS探測器對100 m處的二氧化碳氣團進行濃度檢測，觀測以日為時間單位的二氧化碳平均濃度變化情況，研究結果表明所設計的探測器在路徑平均濃度檢測上具有極高的精確度［11］。基于現有檢測設備精確度不夠的缺點，錢濟人等將GIS平臺與TDLAS技術相結合，基于濃度場反演算法，對整個監測場站的濃度動態分布圖進行輸出，結果表明：該方法可以實現泄漏點的判斷和報警聯動，但是該方法耗資較大，使用便捷性不夠［12］。

綜上，TDLAS技術在氣體泄漏檢測方面具有巨大潛力，但是單線式氣體檢測方法如果沒有準確的路徑規劃研究，容易在檢測時出現盲區，但是多線檢測時，又會造成較多的物質資源浪費，因此筆者在進行摻氫天然氣泄漏規律模擬的基礎上，進行激光檢測策略優化，實現精確的泄漏位置判斷與泄漏報警。筆者以路徑平均濃度為出發點，采用數值模擬軟件進行危險介質泄漏分布規律分析，然后在其分布規律上進行檢測策略研究，以TDLAS探測器檢測下限為評價標準，分別對不同檢測策略進行評價，從而降低危險介質泄漏報警時間，為激光探測器的檢測策略提供理論支撐。

1 積分濃度求解及仿真模型建立

1.1 朗伯-比爾定律

1.3 光路掃描方案

筆者以實際的摻氫天然氣站場為藍本進行建模，模型的寬度為17 m、高度為5 m。在實際運行中，摻氫天然氣管線出現危險介質泄漏的位置是隨機的，因此進行模型仿真研究時，選擇3個不同的泄漏位置進行研究，但是在進行危險介質泄漏仿真研究時，只有一個泄漏口出現危險介質泄漏。依據文獻［16］的研究，摻氫天然氣管線出現危險介質泄漏的主要泄漏口大小在1～10 mm之間，筆者主要研究危險介質管線的逸散泄漏規律，所以，泄漏口大小設置為1 mm，設定泄漏口1與左側進風口水平距離為3.5 m、泄漏口2與左側進風口水平距離為8.5 m、泄漏口3與右側自由出流水平距離為3.5 m，具體如圖2所示。在環境風速分別為1、3、5 m/s時進行危險介質泄漏有限元分析研究。

針對基于TDLAS的危險介質遙測設備檢測策略，筆者采用3種檢測策略進行對比研究，提出的每一種策略中激光器檢測時間間隔為1 s，本研究忽略探測器進行掃描路徑變換之間的時間消耗，激光器的開始位置為其正下方，直至激光器所發射激光掃描到規定的最后路徑。掃描一個周期之后，激光遙測裝置將重復上述操作。

當掃描點距離較?。ㄐ∮? m）時，一輪掃描所用時間過長，容易導致出現大量泄漏但是激光器并未掃描到該位置，危險介質濃度堆積的情況，這樣不能實現危險介質泄漏發現與及時報警的目標。但是當掃描點距離較大（大于5 m）時，激光光束所經過的區域過少，容易出現大量掃描盲區，難以及時進行危險介質泄漏檢測，對于長距離的危險介質管線傳輸造成巨大影響。綜上所述，針對泄漏口1筆者采用如下掃描策略（圖2）：

a. 策略一，激光掃描點的距離為2 m，最后掃描點位是模型最右側17 m位置；

b. 策略二，激光掃描點的距離為3 m，最后掃描點位是模型最右側17 m位置；

c. 策略三，激光掃描點的距離為為5 m，最后掃描點位是模型最右側17 m位置。

對于另外兩個泄漏口采用相同的設定要求，與泄漏口1只有泄漏位置存在差異，工作工況等條件完全一致。在不同工況下研究3種掃描策略的數值變化規律，以當前使用的激光器檢測的最低檢測下限作為評價標準。

1.4 建立數學模型

危險介質泄漏過程中需要滿足下列方程。

2 結果與討論

2.1 泄漏口1結果分析

觀察圖3可以看出，氣體在泄漏位置的下風向形成了聚集氣團，其氣體物質的量分數為0.5，隨著檢測位置與泄漏口位置之間距離不斷增大，從云圖中可以看出氣體濃度不斷降低，其原因在于危險介質具有一定的噴射初速度，形成氣體射流，又因為風的存在，造成氣體會在風力的作用下向下風向移動，隨著風速的不斷增大，危險介質的泄漏氣團垂直高度不斷減小，水平方向上危險介質的堆積不斷增加。從圖3可以看出，在較低風速時，危險介質濃度在距離泄漏口較遠的區域沒有形成明顯的氣流拖尾現象，因為風速較低導致豎直方向上升較多，隨著風速的不斷增大，拖尾現象加劇，這是因為風速的增大，導致氣體被不斷裹挾離開測試區域。

圖4為危險介質處于泄漏口1泄漏時在不同的掃描策略下，激光檢測器在其檢測路徑上的路徑平均濃度值變化規律，環境風速分別為1、3、

5 m/s。每種策略的數據在經過一次激光檢測后，呈現緩慢增加的趨勢。

觀察圖4可以看出，筆者所提出的檢測策略三分別在2、2、4 s就可以獲得泄漏氣體濃度值，實現危險介質泄漏報警。原因在于，相比于其他兩種策略，策略三掃描跨度較大，掃描反射點更接近于泄漏源，更容易發現泄漏狀況，且隨著風速增大，策略三與其他策略檢測到泄漏的時間差增大，表明在風速大的情況下，策略三相比于其他策略優勢更明顯。對比策略一與策略二，可以看出策略二比策略一均能提前1 s檢測到危險介質泄漏。策略一掃描點較多，雖然能夠避免盲區的出現，但其完成整個區域掃描的時間更長，與策略二相比接近到泄漏位置所用的時間更久。綜上所述，在不同的狀況下，策略三檢測到危險介質所用時間更短，優勢更為明顯；其次，策略二檢測時間比策略一所用時間較短。在近泄漏口位置，不同的風速條件下，為防止策略三出現盲區，導致未檢測出可泄漏介質，可以將策略二與策略三相結合實現區域內介質泄漏檢測。

2.2 泄漏口2結果分析

觀察圖5可以看出，在環境風速為1 m/s時，泄漏最遠處進行氣體濃度檢測，危險介質物質的量分數為0.14，且該位置危險介質的氣體云團高度達到了1.1 m。當環境風速提升到3、5 m/s時，最遠端處的氣體物質的量分數僅為0.08和0.05，且云團高度不斷降低，產生這種現象的原因為環境風速相較于浮力作用，此時占主導地位，使氣體云團未能完全上升，就在風速影響下離開了檢測區域。

觀察圖6可以看出，所提出的策略一在前5 s的檢測時間內，顯示器上沒有任何數值顯示，策略二在檢測的前3 s，在顯示屏中示值為0，產生這種現象的原因在于泄漏口2設定位置在模型的中心，但是策略一和策略二從上風向位置開始檢測，且相比于策略三，前兩種檢測策略檢測光束之間距離較近，光束經過泄漏位置所需要的時間更久，因此前兩種策略在前幾秒沒有數值顯示?？v向對比圖6a、b、c可以發現，在3種環境風速下，策略一與策略二在危險報警時間上相差只有2 s，在進行微泄漏或逸散檢測時不會有太大影響，但當出現大口的危險介質泄漏或管道泄漏時，會有較大影響。策略三相比于其他策略檢測時間能夠減少1～2 s。因此，綜合上所述，相比于其他檢測方案，策略三檢測所需時間更短，相同時間內能實現更大區域面積的掃描，優勢更為明顯。

2.3 泄漏口3結果分析

對比研究圖3a、圖5a、圖7a可以發現，在同樣

1 m/s的環境風速下，圖7a中危險介質泄漏氣團上升的垂直高度相比于其他兩圖中氣團上升的垂直高度更大，其原因在于與其他的泄漏口相比，泄漏口3所在的位置距離風速口更遠，風力作用所需要的時間更久，有更長的時間使危險介質氣團上升，因此，其垂直高度更高，但是其他兩個泄漏口危險介質泄漏時，危險介質初速度與風速進行了一定的動量交換導致難以上升，垂直高度較低。且對圖7a進行濃度檢測時，其在云團尾端物質的量分數僅為0.15。

對比圖8a、b、c，所提出的策略三在3種風速條件下都可在4 s檢測到危險介質泄漏狀況，相比于其他兩種檢測策略都更早，因為泄漏源與激光器位置較遠，策略三的掃描路徑之間距離更大，相同時間內，與其他兩種策略相比，策略三能夠掃描的區域更大，能夠更早地檢測到危險介質泄漏。在6～8 s內，策略三檢測值為0，完成既定路徑掃描只需要5 s，因此完成一輪掃描后，激光器從初始位置重新進行掃描，隨著時間的積累，在第

9 s相同檢測位置處檢測到積分濃度值更高，而圖8a中策略一在第8 s的檢測值更高，是因為策略一檢測位置更接近于泄漏點，且在策略一檢測到該掃描點時，在該位置已經積累了較多的危險介質。綜上所述，在泄漏點位置較遠時，策略三可以實現更快、更早的檢測，尤其是在高風速條件下，可以實現快速危險報警，及時進行泄漏點處理，防止危險介質聚集形成較大濃度云團，從而威脅廠區的安全。

3 結束語

在建立的路徑濃度平均值模型的基礎上，開展了在3種泄漏口位置分布、不同環境風速影響的條件下，危險介質泄漏規律的研究。為了得到在不同條件下，危險介質傳輸管線檢測的最佳檢測策略，經過仿真研究得到以下結論：首先，在同樣的環境風速影響條件下，泄漏口與激光檢測器的間隔越大，則泄漏危險介質在垂直方向上上升的高度越高；其次，同一泄漏口出現危險介質泄漏，環境風速不斷變大的情況下，所設定的策略距離為5 m的方案比其他的方案有更為明顯的優勢。

參 考 文 獻

［1］" ZHANG X Q .The development trend of and suggestions

for Chinas hydrogen energy industry［J］.Engineering，

2021，7（6）：719-721.

［2］""" FARIAS S C B B，BARREIROS R C S，DA SILVA M F，et al.Use of hydrogen as fuel：A trend of the 21st century［J］.Energies，2022，15（1）：311.

［3］"" ZHANG E， TENG C C， VAN KESSEL T，et al.Field Deployment of a Portable Optical Spectrometer for Methane Fugitive Emissions Monitoring on Oil and Gas Well Pads［J］.Sensors，2019，19（12）：2707.

［4］"" 宋玉彩，滕衛明，陳強峰，等.風速條件下摻氫天然氣站場泄漏爆炸后果研究［J］.油氣與新能源，2023，35（5）：66-73.

［5］"" 陳劍虹，孫超越，林志強，等.基于TDLAS技術的CO2濃度檢測方法研究［J］.電子測量與儀器學報，2022，36（6）：229-235.

［6］"" 郝旭，徐景德，李暉.基于TDLAS的天然氣輸送管道微量泄漏檢測技術綜述［J］.華北科技學院學報，2016，13（4）：60-64.

［7］"" 朱紅鈞，李佳男，陳俊文，等.混氫天然氣管道放空自燃過程數值模擬分析［J］.天然氣工業，2023，43（9）：149-161.

［8］"" 趙靜，張東.基于TDLAS技術的CH4氣體在線檢測研究［J］.煤礦機械，2022，43（5）：41-43.

［9］"" 徐俊，李云飛，程躍，等.基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遙測系統研制［J］.激光與光電子學進展，2023，60（6）：376-384.

［10］"" 劉杰，董洋，古明思，等.基于TDLAS技術的吸入便攜式甲烷探測儀研制［J］.量子電子學報，2019，36（5）：521-527.

［11］"" BAILEY D， ADKINS E， MILLER J. An open-path tunable diode laser absorption spectrometer for detection of carbon dioxide at the Bonanza Creek Long-Term Ecological Research Site near Fairbanks，Alaska［J］.Applied Physics B，2017，123：245.

［12］"" 錢濟人，張富誠，丁艷軍，等.基于TDLAS的天然氣泄漏空間動態分布監測技術及應用研究［J］.激光與紅外，2022，52（3）：360-367.

［13］"" TRINCAVELLI M，BENNETTS V H，LILIENTHAL A J，et al.A Least Squares Approach for Learning Gas Distribution Maps from a Set of Integral Gas Concentration Measurements Obtained with a TDLAS Sensor［J］.Proceedings of IEEE Sensors，2012.DOI：10.1109/ICSENS.2012.6411118.

［14］"" LIU A H，HUANG J，LI Z W，et al.Numerical simu-

lation and experiment on the law of urban natural gas leakage and diffusion for different building layouts［J］.Natural Gas Science and Engineering，2018，54：1-10.

［15］"" WENG L H， WANG H， YANG Q Y. Fiber Laser Methane Detection Device Based on TDLAS and Its Application［J］.Journal of Physics：Conference Series，2023，2464（1）. DOI：10.1088/1742-6596/2464/1/012013.

［16］"" LI G L， ZHANG X N， ZHANG Z C，et al.A mid-infrared exhaled carbon dioxide isotope detection system based on 4.35 μm quantum cascade laser［J］.Optics and Laser Technology，2022，152.DOI：10.1016/

J.OPTLASTEC.2022.108117.

（收稿日期：2023-10-24，修回日期：2024-09-03）

Study on Laser Detection and Scanning Scheme for Leakage of

Hazardous Medium in Hydrogen Doped Natural Gas Pipeline

FENG Qi-dong1， CHEN Shu-xian1， LUO Yi-lang1， SHI Shao-qing2，

WANG Di2， LV Yan2， LI Yu-shuang2

（1. Hangzhou Hangran Engineering Technology Co.， Ltd.；

2. School of Physics and Electronic Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract"" For purpose of improving the detection efficiency of dangerous medium in hydrogen-doped natural gas pipeline， having the fluid dynamics based to analyze laser detection path’s setting for hazardous medium under different working conditions was implemented， including simulation study of the fluid dynamics of hazardous medium at different environmental wind speeds. The results show that， with the continuous increase of wind speed， the interval distance between the leak and the laser increases and the scanning strategy with laser distance of 5 m has obvious advantages.

Key words"" laser detection， path average concentration， hazardous medium， scanning" strategy

基金項目：杭州杭燃工程科技有限公司科技項目（批準號：z20220203）資助的課題；東北石油大學科技成果產業化培育基金（批準號：15011210801）資助的課題。

作者簡介：馮其棟（1978-），高級工程師，從事能源輸配安全檢測研究。

通訊作者：王迪（1992-），博士研究生，從事危險介質激光光譜檢測研究，wangdinepu@163.com。

引用本文：馮其棟，陳淑賢，羅乂郎，等.摻氫天然氣管道泄漏危險介質激光檢測掃描方案研究［J］.化工自動化及儀表，2024，51（5）：830-836.