输气管道泄漏声源特性及其变化规律

叶迎春　张来斌　王金江

输气管道泄漏声源特性及其变化规律

叶迎春张来斌王金江

中国石油大学(北京)

叶迎春等.输气管道泄漏声源特性及其变化规律.天然气工业,2016, 36(8): 124-131.

泄漏声源基本特征及变化规律是声波传播研究的基础,对泄漏信号预处理、特征准确提取及泄漏识别算法改进具有重要意义.为此,以输气管道泄漏喷注产生的声源为研究对象,基于气动声学理论推导泄漏喷注流场中的声源项构成,建立了泄漏声源区域三维仿真模型,基于Möhring声类比提取高马赫数和高雷诺数流场中的等效声源,采用气动噪声混合数值模型进行仿真.分析过程中提取了不同条件下(压力及泄漏孔径)泄漏声源的质点最大速率和平均速率、声压级及声功率级等基本特征参数,并利用管道泄漏模拟测试平台进行验证,明确了泄漏声源基本特征及其变化规律.研究结果表明:①泄漏喷注噪声主要是由气体高速喷射湍流和气固耦合引起的,声源以四极子和偶极子为主;②针对管道运行压力和泄漏孔径,得出了泄漏声源基本特征参数的变化规律;③泄漏产生的能量集中于低频部分,各频段(小于等于200 Hz)能量分布分析结果表明0～20 Hz能量比大于等于0.81,无泄漏及正常输送条件下能量分布趋于平均,可作为泄漏识别的特征指标.

输气管道 泄漏 声源特性 声场仿真 能量比 声类比 声压级变化规律 声功率级变化规律

天然气长输管道运行过程中由于腐蚀和第三方破坏等因素引发的泄漏事故时有发生,严重威胁输气生产运行和管道沿线安全.输气管道泄漏监测技术可以实时进行泄漏识别和定位,对降低事故损失、提升管道安全管理水平具有重要意义.目前,天然气管道泄漏检测方法大都移植于输油管道[1],由于天然气的压缩性导致部分方法识别准确率和定位精度降低,如基于压力波原理的泄漏监测方法.针对天然气输送管道的特性,基于声波的检测法[2-3]成为重点研究方向之一.利用声波传感器(麦克风)采集泄漏过程产生的管内声压变化(动态压力)[4],实现泄漏识别和定位.为了提升泄漏识别准确率和定位精度并降低误、漏报率,国内外学者对声波信号分析与处理[5]、模式识别算法改进和优化[6]进行了相关研究,但对泄漏声源的基本特性研究较少.天然气管道泄漏时,在内、外压差作用下产生气体喷注,其发声机理可视为气动噪声,笔者应用气动声学理论分析泄漏声源的构成,利用计算流体力学和计算声学工具建立数值仿真模型,分析了天然气管道泄漏声源基本特性,并利用管道泄漏模拟测试平台验证相关数值仿真结论,以期为泄漏信号特征提取提供依据.

1　输气管道泄漏声源构成及声类比

天然气管道泄漏声波由流体与流体相互作用及流体与固体耦合产生[7].应用气动声学结合流体力学基本方程,可得出泄漏喷注流场中声源项.从N-S方程出发,可得到Lighthill波动描述方程:

式中Tij= ρνiνj+pij-c2ρδij(i, j=1,2,3),Tij表示莱特希尔湍流应力张量,N/m2;ρ表示气体密度,kg/m3;c表示本地声速,m/s;xi、xj为笛卡尔坐标;δij表示克罗内克符号,当角标相等时取值为1,当角标不相等时取值为0;pij表示声压,Pa;νi、νj表示速度,m/s; t表示时间,s.

Williams等[8]、Brentner等[9]和Lockard[10]应用广义函数解决了运动物体在流体中的发声问题,得到FW-H方程:

式中δ(f)表示Dirac函数.右侧3项为声源项:单极子声源、偶极子声源和四极子声源.由于输气管道内部压力大,气体具有可压缩性,气体流动处于紊流状态.管道发生泄漏时,气体高速喷出管道,在泄漏孔附近形成高速射流区域,由质量流引起的单极子声源可以忽略,天然气管道泄漏声源可以近似看成是由偶极子声源和四极子声源组成.

传统方法应用Lighthill声类比[11]分析声源特性,该声类比主要用于低马赫数(M<0.2)流动和线性声场,且忽略声波传播过程中的对流效应,无法精确提取高马赫数泄漏喷注流场的声源项,并真实反映气动噪声的分布情况.Möhring声类比[12]可对非线性声场和非均匀介质声传播进行精确计算,同时考虑了声波与气流的相互作用[11],可用于提取高马赫数和高雷诺数流场中的等效声源.Möhring声类比中面声源项(RS)和体声源项(RV)分别对应泄漏声场中的偶极子声源和四极子声源,其计算形式如下:

式中Na表示有限元的形函数;ρ和ρT分别表示静密度和滞止密度,kg/m3;u、ν、w分别表示x、y和z方向的速度分量,m/s;τij表示黏性应力张量(i=1,2,3; j=1,2,3),(N.s)/m2;s表示熵,J/K;ω为角速度, rad/s;ni表示积分面法向单位矢量;T表示温度,K.其中与有关的项分别代表黏性效应、熵变和密度波动有关项;S表示面积,m2;V表示体积,m3.

2　输气管道泄漏声源仿真模型

计算气动声学包括直接CFD计算法、混合方法和半经验方法等[13-14].考虑计算量及计算精度等因素,混合方法最适用于气动声学数值仿真.该方法将噪声源与声传播分开进行计算,首先采用CFD软件进行非定常流场计算,将CFD计算结果导入气动声学软件,提取等效声源,使用声学求解器进行声场计算.混合方法主要包括两种声源提取方法:声类比法和积分法.声类比法有Lighthill声类比[11]、Möhring声类比[12]等,积分法主要包括Curle[15]、Lighthill[11]、Green函数等方法.综合比较选用Möhring声类比进行声源提取,利用Fluent和Actran-AeroAcoustics软件建立天然气长输管道泄漏过程气动噪声混合模型(CFD/CAA),对非定常泄漏喷注声源产生的声场进行数值仿真分析[14].

2.1流场模型建立

天然气管道泄漏过程中,泄漏孔附近(内部及外部泄漏喷流区)气体流速较大,几何模型同时考虑了管道泄漏孔处内外部.管段总长为200 mm,管径为168 mm(与实验测试平台管径一致).考虑测试时阀门的影响,泄漏喷流区的长度约为孔径长度的5倍.泄漏孔径设置为5种情况,流场几何模型如图1所示.计算流体力学模拟过程分为两部分:稳态模拟和瞬态模拟.稳态湍流模型采用标准k-ε双方程,求解未泄漏和泄漏流场的稳定状态,用于分析泄漏流场的压力和速度等参数在流场的分布情况.瞬态模拟用于研究在时间尺度上泄漏流场参数的变化规律,使用LES大涡模拟提取引起湍流噪声参数并进行时频域分析[16].边界条件设定如下:管道入口边界、出口边界和泄漏喷注口末端端面均为压力出口,其余各面设置为标准壁面[17-18].管内介质为理想气体由甲烷和乙烷组成(甲烷、乙烷分别占96%和4%),管外为大气,管壁为钢材.

图1　管道泄漏喷流模型图

2.2声场模型建立

由波动方程式(2)可知,天然气管道泄漏声源特性由流场介质密度分布和质点速度等因素决定,声源主要由高速气体内部湍流和与管壁作用引起振动形成,通过管道内介质向两侧传播,因此设置泄漏声场模型如图2所示.结合实验条件,考虑阀门及旁通等影响因素,数值仿真模型中声源区域包括两部分:泄漏喷注区和与泄漏口尺寸相当的管内区域.管道内部区域为声波传播区域.在声源区域设置场点并安装虚拟麦克风,用于采集声波信号及分析泄漏声源频谱特性.

图2　天然气管道泄漏声源仿真模型图

2.3实验测试平台

仿真过程中管道工作压力变化范围为0.1～0.7 MPa,泄漏孔直径为1～5 cm,管外为标准大气压.天然气泄漏喷注噪声具有宽频特性,在传播过程中高频信号衰减较快,传播距离较短,无法用于泄漏监测,只截取500 Hz以内的中低频信号进行分析,根据采样定理数值仿真频率为1 000 Hz(时间步长为0.001 s).为验证数值模拟结果的正确性,采用与仿真分析相同工况条件下的模拟管道泄漏测试实验进行验证.测试环道总长为2.7 km,管径为168 mm.数据采集系统包括PCB106B51声波传感器及NI PXI 4472采集卡,采样频率设定为1 000 Hz,管道泄漏模拟实验测试平台流程如图3所示,采集信号应用小波奇异值方法进行降噪.

图3　管道泄漏模拟实验测试平台流程图

3　输气管道泄漏声源特性分析

3.1泄漏流场质点运动速率变化规律

为分析管道内压和泄漏孔径对泄漏流场的影响,综合考虑管道压力为0.2～0.7 MPa、泄漏孔径为1～5 cm的30种不同条件下泄漏喷注数值模拟结果,分析喷注最大速率和平均速率的变化趋势.根据数值模拟结果得到不同条件下泄漏喷注最大速率在管道内压影响下的变化趋势如图4所示,泄漏喷注的最大速率受压力影响较大,随着压力的增加而增加,其变化趋势接近直线.孔径变化对最大速率的影响较小,特别当孔径大于2 cm时可近似认为孔径变化不影响最大速率.泄漏喷注流场平均速率随管道内压和孔径改变的变化趋势如图5所示,当泄漏孔直径较小时(小于3 cm),孔径变化对泄漏喷注的平均速度影响较大,当孔径增加到一定程度以后(大于3 cm),孔径增加对平均速度影响较小.压力变化对平均速度影响与孔径的影响相似,压力较低时对平速度的影响较大,随着压力的增加,平均速度的增量逐渐降低,当压力大于0.6 MPa时,喷流的平均速度趋于稳定,可以近似认为压力对平均速度不产生影响,平均速度为恒定值.

图4　泄漏喷注流场最大速率趋势图

图5　泄漏喷注流场平均速率趋势图

3.2泄漏声波声压级分析

3.2.1不同条件下声压级对比

利用天然气管道泄漏声场仿真模型,压力为0.7 MPa,泄漏孔直径为1 cm,使用Möhring声类比进行泄漏位置声源提取.对于管道内低速气体使用Lighthill声类比方法进行声源提取.声源相同位置处,泄漏过程和正常输送声压级分布规律如图6所示.泄漏噪声总声压级为238.21 dB,最大声压级为238.20 dB,平均声压级为122.75 dB;背景噪声总声压级为101.37 dB,最大声压级为93.30 dB,平均声压级为59.36 dB.泄漏与正常运行工况比较,低频和高频部分信号声压级的幅值增加均较大,可以作为泄漏监测信号源.

图6　天然气管道泄漏与正常工况声压级的对比图

3.2.2管道运行参数对泄漏声波声压级的影响分析

分析管道运行压力对声源声压级及分布规律影响时,模型设定泄漏孔径为1 cm,压力为0.3～0.7 MPa.分析泄漏量对声源声压级及分布规律影响时,设定压力为0.7 MPa,泄漏孔径为1～5 cm.利用模拟实验平台进行对比实验时,无法在泄漏点位置直接安装音波传感器,实际采集的音波信号已经传播一定距离,导致实验测得的声压级小于数值仿真结果.

1)不同泄漏条件下,天然气管道泄漏噪声能量均集中于低频部分,仿真结果统计表明,频率小于20 Hz时声压级大于145 dB.

2)压力对泄漏声源声压级的影响如图7所示.管道压力增加,泄漏孔处压力梯度变大,内部湍流增强,偶极子声源和四极子声源增强,声压级变大,声压级变化梯度随内压的增加而增加,与实验测得的声压级变化规律基本一致.

3)泄漏量对声源声压级的频域影响如图8所示.泄漏孔孔径增加时,泄漏总声压级及最大声压级均增大,变化梯度呈逐渐降低趋势.当孔径小于4 cm时,声压级低频及高频均呈现增加趋势;当孔径大于4 cm时,声压级低频部分(小于50 Hz)呈增加趋势,高频部分呈下降趋势.相同压力下,孔径变大,泄漏孔处阻挡气体喷出的固壁面减小,偶极子声源减弱,一部分偶极子声源失去固壁面作用传播到气体空间转化成四极子声源;孔径增加流体湍流充分发展,四极子声源强度增大.当孔径比(泄漏孔径/管道直径)增加到一定值,压力梯度降低,湍流强度减弱,四极子声源强度也随着降低,泄漏声波高频部分能量降低.

图7　管道运行压力对声压级的影响图(泄漏口径为1 cm)

图8　泄漏量对声压级的影响图(压力为0.7 MPa)

图9　不同条件下声功率变化趋势图

3.3泄漏声波声功率级分布规律

泄漏流场进行数值模拟时,假设泄漏为绝热过程,利用数值模拟得到的流场平均速度和声功率公式,可以计算数值仿真过程中的声功率级.不同条件下,数值模拟得到的声功率级随孔径和内压改变的变化趋势如图9所示.在实验测试过程中很难得到流场各位置的准确速率,可以通过计算采集声波信号的功率,按照定义计算功率级.实验过程中泄漏孔径为1～5 cm,压力为0.1～0.70 MPa,压力改变量为0.02 MPa,共采集150组声波信号.

相同泄漏孔径声功率级随着管道压力的增加而增加,但声功率级的增量随内压增加呈下降趋势,当压力大于0.3 MPa时声功率级的增长趋势明显变缓,当压力增加到一定程度时,声功率级的增量可以忽略,近似认为喷注噪声的声功率级不受管道内压的影响.

等压条件下,当泄漏孔径较小时(小于2 cm)孔径的增加对声功率级影响较大,随着泄漏孔径增加声功率级的增量减少.压力和孔径变化时,对比数值模拟和实验模拟(图9)得到的声功率级变化规律,数值模拟时不考虑泄漏过程中的能量转换和吸收,其声功率级计算结果大于泄漏模拟实验的实测值,但其影响趋势的变化规律具有一致性.

3.4泄漏声波频谱分布特征

为准确描述泄漏声波,对采集的声波信号进行STFT变换,基于时频谱分析泄漏声波频域特征.

3.4.1泄漏量对声波时-频分布的影响分析

实验条件:压力为0.5 MPa,泄漏孔径分别为1 cm、3 cm和5 cm,实验结果如图10所示.孔径为1 cm时,其能量分布范围最广,能量主要集中于200 Hz以下,但200～300 Hz之间存在能量较低成分.孔径为3 cm时,高频成分降低,能量主要集中于100 Hz以下,100～200 Hz之间能量降低.孔径为5 cm时,其能量主要集中在100 Hz以下,能量进一步向低频段集中.结果表明,当泄漏孔径增加时,声波信号中的高频成分减少,低频成分增加,泄漏声波的总能量增加.

图10　等压条件下泄漏量对声波时-频分布影响

3.4.2压力对声波时-频分布的影响分析

内压变化对声波信号影响的分析时,设泄漏孔径为3 cm,内压分别为0.6 MPa、0.4 MPa和0.2 MPa,实验结果如图11所示.当内压为0.6 MPa时,泄漏声波能量分布范围最广,能量主要集中于200 Hz以下部分,在200～300 Hz之间存在能量较低成分.当内压为0.4 MPa时,泄漏声波时频谱图中高频成分降低,能量主要集中于200 Hz以下部分,其中100～200 Hz之间能量比重降低.200～300 Hz之间存在能量比重小于0.6 MPa,能量向低频段集中.当内压为0.2 MPa时,泄漏声波信号能量主要集中于150 Hz以下,150～200 Hz之间的成分能量明显减弱,大于200 Hz的能量成分基本消失.分析结果表明,当内压降低时,泄漏声波的能量和高频成分均降低,能量分布向低频方向集中.

3.4.3泄漏声波频谱能量比

泄漏监测过程中,泄漏声波频率越低,声波能量越高,并且声波能量随着频率的增加呈衰减趋势.数值模拟和实验测试结果表明:压力下降声波信号能量向低频段集中,泄漏孔径增大声波信号向低频段集中.为分析泄漏声波各频段能量比,选择如下测试条件:压力为0.7 MPa,泄漏孔径为1 cm.该条件下声波信号低频能量比例最低.对比正常输气及泄漏声波信号,不同频段能量分布如图12所示.实验测得的泄漏喷注噪声为宽频噪声,其能量主要集中于低频部分,只对小于200 Hz部分进行分析.频段范围设定为20 Hz,0～20 Hz能量概率为0.81, 21～200 Hz为0.19,能量主要集中在低频部分.正常输送过程,由气体低速流动及背景噪声产生的声波信号在0～20 Hz、21～40 Hz的能量分别为0.31和0.26,41～200 Hz均有较高能量分布,与泄漏情况区分较为明显.实验测试与数值仿真结论相一致,能量分布概率可以作为泄漏识别的特征指标之一.

图11　孔径相同条件下压力对声波时-频分布的影响

图12　天然气管道泄漏声源能量概率分布图

4　结论

1)基于广义Lighthill公式和FW-H方程,确定了天然气管道泄漏过程的声源项.其主要由喷射流场产生的四极子声源和泄漏孔附近壁面上的偶极子声源的声场叠加而成.针对泄漏喷注采用Möhring声类比法提取了高马赫数和高雷诺数流场中的等效声源.

2)建立了天然气管道泄漏声源仿真模型,采用混合模型(CFD/CAA)进行泄漏声场数值模拟.基于流场和声场数值仿真结果提取了泄漏声源的质点速率、平均速率、声压级和声功率级等基本特征参数.

3)基于数值仿真模型和实验测试平台,分析了管道运行参数对声源基本特征的影响.建立了流场质点最大速率及平均速率、声压级、及声功率级的变化规律,数值仿真与实验测试结果相一致.

4)分析了泄漏声源频谱构成及各频段的能量比,选择高频能量比重最高的情况计算各频段的能量比.结果表明泄漏产生的声波为宽频噪声,其能量主要集中于低频部分,0～20 Hz能量比大于等于0.81.正常条件下天然气管道噪声能量概率分布更加趋于平均,两者区分明显,可作为泄漏识别的重要特征指标之一.

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(修改回稿日期 2016-05-13 编 辑 何 明)

Characteristics and variation rules of acoustic source of gas pipeline leaks

Ye Yingchun, Zhang Laibin, Wang Jinjiang
(China Uniνersity of Petroleum 〈Beijing〉, Beijing 102249, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.124-131, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The basic characteristics and variation rules of leakage acoustic source, as the basis of acoustic wave propagation studies, are of great significance in the preprocessing, accurate characteristic extraction and identification algorithm improvement of leakage signals. In this paper, with the acoustic source generated by leakage jet of gas pipeline as the research object, the composition of acoustic source items in the leakage jetting flow field was deduced according to pneumatic acoustic theory and a 3D simulation model of leakage acoustic source was built. By virtue of Möhring acoustic analogy, the equivalent acoustic source was extracted from the flow field of high Mach number and high Reynolds number, and then simulation was conducted by using the mixed numerical model of pneumatic noise. In the process of analysis, the basic characteristic parameters of acoustic source were extracted under different conditions (internal pressure and leakage aperture), including the maximum velocity and average velocity of mass point, sound pressure level and sound power level. The simulation results were verified by using the pipeline leakage simulation test platform. Finally the basic characteristics and variation rules of leakage acoustic source were figured out as follows. Firstly, the leakage jetting noise is mainly caused by high-speed gas jetting turbulence and gas-solid coupling, and the acoustic source is dominantly composed of quadrupole and dipole. Secondly, the variation rules of leakage acoustic source were obtained under different pipeline running pressures and leakage apertures. And thirdly, the energy generated during leakage is concentrated at the low-frequency domain.Analysis results of energy distribution of each frequency band (≤200 Hz) show that the energy ratio of the frequency band 0-20 Hz is greater or equal to 0.81. Under normal or non-leakage conditions, energy distribution tends to be even. The energy ratio can be taken as one characteristic index of leakage identification.

Natural gas pipeline; Leakage; Acoustic source characteristics; Sound field simulation; Energy ratio; Acoustic analogy; Variation rules of sound pressure level; Variation rules of sound power level

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.017

国家自然科学基金青年科学基金项目"基于虚拟传感与故障机理的油气设备安全预测理论及模型研究"(编号: 51504274)、中国石油大学(北京)基金项目"多源信息融合燃气管道泄漏识别方法研究"(编号:KYJJ2012-04-25).

叶迎春,1978年生,讲师,博士;主要从事油气管道安全监测方面的研究工作.地址:(102249)北京市昌平区府学路18号.电话:(010)89733406.ORCID: 0000-0001-6968-8251.E-mail: yeyingchun@126.com