基于变流量测试的天然气输送管道泄漏检测新方法

2015-09-26苏海波董亚娟张世明

油气田地面工程 2015年7期

关键词：漏点入口管线

宋　勇　苏海波　董亚娟　张世明

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院

基于变流量测试的天然气输送管道泄漏检测新方法

宋勇苏海波董亚娟张世明

中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院

输气管道泄漏检测通常有物理探测法和数学模型模拟法两大类。物理探测法可以准确检测出泄漏点的位置和漏点尺寸，但是停产损失和检测成本较高；数学模型模拟法通过求解控制方程可在花费很少的情况下快速判断泄漏情况，但是具有很大的不确定性。建立了一种基于变流量测试的天然气输送管道泄漏位置和漏点大小的检测方法，通过耦合天然气在管道和泄漏点的流动，基于多个工作点测试结果求解流动控制方程，实现对漏点的检测和定位。这种检测方法在管线出入口气量或出入口压力有未知量的条件下使用，可简单、快速地确定不同边界条件对应的泄漏情况。

输气管道；泄漏位置；流量；压力；无因次变量；数学模型

由于天然气的高效、清洁和可靠性，在所有使用的能源中天然气供应占到了将近四分之一，并预计在未来20年内增长50%。现有的天然气输送基础设施逐渐老化，可靠并及时地检测出天然气管道的泄漏状况是天然气输送保障的关键。现有天然气管道泄漏检测方法分为物理探测法［1］和数学模型模拟法［2］两大类。物理探测法具有准确定位和确定性高的优点，但物理探测法需要在水平管道上安装和维护大量昂贵设备，需要比较长的泄漏检测时间，导致检测成本较高［3］；数学模型模拟法具有成本低和泄漏检测快速的优势，不必停输，可以连续在线、实时监测管道和识别泄漏，常规的数学模型模拟法的缺点是不确定性高，而且有些情况下无法提供所需要的流动参数［4］。

本文建立了一种基于变流量测试的天然气输送管道泄漏位置和漏点大小的检测方法，这种方法可以在管线出入口气量或出入口压力有未知量的条件下使用，该方法可简单、快速地确定不同边界条件对应的泄漏情况。

1　数学模型

1.1流动方程

通过耦合天然气在管道和泄漏点的流动，基于多个工作点测试结果求解流动控制方程，实现对漏点的检测和定位［5-6］。

管线流量与出入口压力之间的关系如下

其中：

式中q为气体流量（m3/h）；D为管线直径（in）；e为常数，取2.718；Tsc为标准状态温度（K）；psc为标准状态压力（MPa）； pinlet为管线入口压力（MPa）；poutlet为管线出口压力（MPa）；Tˉ为平均温度（K）；zˉ为平均气体压缩因子；γg为气体密度；L为管线长度（m）；Δz为管线位差（m）；f为摩擦因数。

临界流动状态下泄漏点流动方程

式中A为泄漏点横截面积（m2）；CD为流动系数；pup为上游压力；k为流体的比热系数；Tup为上游温度（℃）。

亚临界状态下泄漏点流动方程为

流量系数

式中d1为管线直径（in）；d2为泄漏点直径（in）；Re为雷诺数。

1.2假设条件及无因次变量

需要单个工作点或多个工作点参数，用以解决在不同情况下确定气体泄漏地点和速率（或大小）的控制方程，有4个基本假设：①管线中为单相气体流动；②管线中的温度剖面已知；③只有一处气体泄漏；④漏失点的出口压力（下游压力）为大气压。

为得到通用解，引入了3个无因次变量，定义如下：

（1）无因次泄漏点位置。泄漏点距管线入口距离与整个管线长度之比为

式中Lleak，D为无因次泄漏点位置，即泄漏点距起点距离占总管线长度的比例，无因次；Lleak为泄漏点距管线入口的距离（m）；L为整个管线的长度（m）。

（2）无因次气体泄漏流量。气体泄漏流量与气体入口流量之比为

式中qleak，D为无因次气体泄漏流量，无因次；qleak为气体泄漏的流量（m3/h）；qinlet为气体入口的流量（m3/h）。

（3）无因次管线压降。存在泄漏的管线压降与没有气体泄漏的管线压降之比为

式中ΔpD为无因次管线压降，无因次；Δpleak为存在泄漏的管线压降（MPa）；Δpnoleak为没有气体泄漏的管线压降（MPa）。

2　泄漏检测方法

2.1已知出入口流量和压力

对于管线出入口的压力和流量都已知的情况下，只需要单个工作点就可以确定气体泄漏位置和漏点大小，步骤如下：

（1）进行单工作点测试，记录入口和出口处的气体流量与压力。

（2）利用公式（1）计算没有泄漏时管线内的压降。与存在气体泄漏的情况相比，此时的压降最大。

（3）假设管线不同位置处存在不同漏失量的漏点，对应入口到漏失点的管线联立公式（1）和公式（4）或（5），可计算出管线内漏失处的压力和漏失点尺寸。对应漏失点到管线出口利用公式（1）计算出管线压降（此段流量等于总流量减去漏失流量），对应每种情况利用公式（7）、（8）、（9）计算无因次泄漏位置、无因次气体泄漏量以及无因次压降。

（4）基于步骤（3）得到的数据，画出无因次压降与无因次气体泄漏量和无因次泄漏位置的关系曲面，如图1所示。

（5）根据已知工作点的出入口压力和流量计算实际压降、实际漏失量，进而得到实际无因次压降和实际无因次气体泄漏量。

（6）根据实际无因次压降大小，在步骤（4）计算出的无因次压降曲面上得到曲线AB。

（7）根据实际无因次泄漏量大小，在步骤（4）计算出的无因次压降曲面上得到曲线CD。

（8）将曲线AB与曲线CD的交点E在X-Y面上投影，可得到点F；在X轴上找到F点的投影，可得到无因次泄漏位置G，如图1所示，根据公式（7）可计算得到实际泄漏位置。

图1　无因次压降与无因次气体泄漏量和无因次泄漏位置的关系曲面

2.2已知入口流量和出、入口压力，未知出口流量

对于已知入口流量和出、入口压力，出口流量未知的情况，需要测试2个工作点，步骤如下：

（1）进行2个工作点测试，分别测量入口流量1和入口流量2，以及各自对应的入口、出口处的压力。

（2）计算管线中无气体泄漏时的管线压力，进而计算出对应每个工作点流量的无因次压降。

（3）与2.1中的步骤（3）和步骤（4）相同，分别画出对应每个工作点流量的特征曲面，如图2和图3所示。

（4）根据实际无因次压降大小，在步骤（3）计算出的无因次压降曲面上分别得到曲线A1B1和A2B2，如图2和图3所示。

（5）将曲线A1B1、A2B2在X-Y平面上投影，得到曲线A′1B′1、A′2B′2，如图3所示。

（6）由曲线A′1B′1、A′2B′2得到其交点F′12。

（7）将点F′12在X轴上投影得到无因次泄漏位置点G′12，如图3所示，根据公式（7）可计算得到实际泄漏位置。

（8）计算出口流量与泄漏量。

图2　对应流量1的无因次压降与无因次气体泄漏量和无因次泄漏位置的关系曲面

图3　对应流量2的无因次压降与无因次气体泄漏量和无因次泄漏位置的关系曲面

2.3其他边界条件

对于已知入口压力、入口和出口流量，出口压力未知的情况，与2.2的处理方法类似，区别在于根据实际无因次流量分别在特征曲面上得到相关曲线，然后求交点的投影，如图4所示。

图4　出口压力未知时的无因次压降与无因次气体泄漏量和无因次泄漏位置的关系曲面

如果管线的入口压力未知，需要采取迭代的方法绘制无因次压降曲面以及检测泄漏位置。

3　现场应用

用该方法检测一段直径为22 in、长度为157.2 km的海上天然气管道泄漏，正常生产期间，管道入口压力范围为10～12 MPa，气体流量在1.3×106～1.7×106m3/d之间。经过数年的生产，管道发生了泄漏，导致管道入口和出口之间产生11%的流量差。采用依据声学技术设计的探测器来进行检漏作业［6］，物理检测确定泄漏发生在距管道入口105.354 km处。使用本文所提出的方法计算出的泄漏位置是105.537 km，接近实际的泄漏点。实践表明，使用该方法可在物理检测前缩小泄漏位置的范围。模型和物理检测之间的差异，可能是由于以下原因：温度、压力、流速测量不准确，结垢、腐蚀和侵蚀导致管道的内径变化，管道内液体冷凝和对气体性质的不准确估计。