管道压力对激光检测天然气管道泄漏影响分析

惠丽丽

（中国石油天然气股份有限公司大庆特种设备检验中心 大庆 163453）

管道压力对激光检测天然气管道泄漏影响分析

惠丽丽

（中国石油天然气股份有限公司大庆特种设备检验中心 大庆 163453）

在天然气管道泄漏检测中，激光检测是常用的技术手段，然而激光检测受天然气扩散过程的影响，会存在一定的偏差。基于对天然气管道泄漏过程的分析，建立了架空天然气高压管道泄漏扩散模型，在5p0、10p0、15p0三种管道压力情况下，进行了天然气管道泄漏过程的数值分析，并探讨压力对激光检测结果的影响。研究结果表明：在三种不同的高压管道内，天然气扩散受压力影响较小，且激光检测结果受其影响微弱，几乎无影响。

天然气管道 激光检测 管道压力 数值模拟

管道作为输送流体的主要方式，具有运输量大、能连续性运输、节省运输费用等优点，然而由于管道材质的限制及其他不可逆原因，在输送流体的过程中会发生管道破裂而引起输送流体的泄漏。以天然气管道为例，管道易受细菌、电流腐蚀、外力破坏以及风吹日晒雨淋等环境影响，都会对管道的安全运行构成隐患，由于管道泄漏发现不及时而引起的安全事故常有发生。天然气管道泄漏扩散是引起输气管道发生安全事故的根本原因[1，2]。建立满足输气管道安全运行模型，对研究天然气扩散特性减少事故发生有重要的现实意义[3，4]。检测管道泄漏方法较多[5，6]。近年来，由于激光检测技术具有反应快、灵敏度高、使用周期长等特点，因而广泛应用于天然气管道泄漏检测领域[7，8]。Bushmeleva等[9]通过建立管道遥感装置的计算机模型，确定出探测路径和最优设计值，获得激光雷达参数。李静等[10]以泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测为实验对象，并对红外吸收法进行优化，实现了天然气泄漏的快速检测。常岐海等[11]基于激光吸收光谱原理开发出可调谐激光光谱的站场和隧道用CH4/H2S泄漏激光检测仪器，为天然气管道泄漏检测做出贡献。上述研究结果表明：激光技术是检测天然气泄漏扩散的一种有效手段，然而激光检测结果受天然气扩散过程的影响存在一定的偏差。在不同泄漏速度、风速、泄漏孔径对天然气管道泄漏的影响研究中，国内外学者进行了大量的研究，但是高压管道下不同压力对天然气泄漏扩散影响的研究鲜有报道。刘延雷等[12]基于高压氢气与天然气的泄漏扩散模型，数值模拟管道泄漏后氢气与天然气的不同泄漏扩散特性，得出了障碍物对天然气扩散的影响规律。董刚等[13]采用了CFD模型的方法对高压管道内天然气泄漏和扩散过程进行了数值模拟，研究了不同环境风速对扩散过程的影响，研究结果表明较大的风速使天然气向下风向扩散的更远，爆炸危险浓度的范围更高。

本文的研究对象为不同高压管道内泄漏扩散的天然气气体，建立了架空高压天然气管道泄漏扩散和激光检测模型，数值分析了高压天然气管道泄漏时气体扩散过程，并分析了不同压力情况下，激光检测结果受天然气扩散的影响规律。

1 理论模型

1.1 泄漏扩散控制方程

天然气管道泄漏过程中遵循流体三大守恒定律，即满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，其在环境中的流动可看作自由射流。假定在管道泄漏中满足以下模拟条件：无化学反应发生，定常流动，紊流、多种成分运移模型、Realizable模型按照标准模型进行修正[14-16]。满足以上假定模拟条件后，天然气管道泄漏扩散控制方程可按下式计算：

式中：

ρ —— 气态介质密度，kg/m3；

uj—— j方向气态介质的速度大小，m/s；

xj—— j方向气态介质的传输长度，m。

式中：

xi—— i方向气态介质的传输长度，m；

ui—— i方向气态介质的速度大小，m/s；

uj—— j方向气态介质的速度大小，m/s；

p —— 压力，Pa；

μt—— 湍流黏度，kg/(m·s)；

ρa—— 空气密度，kg/m3；

gi—— 重力加速度在i方向分量，m/s2。

式中：

T —— 气态介质温度，K；

σT—— 表面拉应力，Pa；

cpv—— 气态介质定容比热容，J/(kg·K)；

cpa—— 气态介质定压比热容，J/(kg·K)；

cp—— 混合气体定压比热容，J/(kg·K)；

σc—— 表面压应力，Pa；

ω —— 组分质量分数。

式中：

k —— 湍动能；

ε —— 湍流耗散项；

C1ε、C2ε、σk、σε——计算参数。

湍流粘性可由式（6）计算：

式中：

1.2 激光检测模型

激光技术可应用于天然气管道泄漏的检测是以气体分子对光谱的选择吸收特性为基础。其物理背景为：当激光扫过管道泄漏位置时，激光的部分能量被管道泄漏的天然气吸收，根据初始功率和回波功率的变化情况，可以反推出天然气管道是否泄漏及其泄漏浓度。基于朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，可计算管道泄漏天然气吸收光能的情况，其数学关系式为

式中：

A —— 吸光度；

k —— 光吸收比例系数，cm2/mol；

b —— 吸收层厚度，cm；

c —— 吸光物质浓度，mol/cm3；

T ——透射比，即透射光与入射光的比值（I1/I0）。

然而，在管道泄漏过程中，由于受实际情况的影响，从管道中泄漏的天然气在大气环境中的分布是不均匀的，因此可采用积分形式对激光传输能量损失进行计算，其计算公式为

式中：

当发射的激光落到地面时，会有一部分激光光束发生反射，而此部分反射的激光能量被探测器侦测到，根据探测器接收能量情况反推出整个过程天然气的吸光度为

式中：

ρ —— 地面对天然气的反射率。

1.3 模型验证

采用文献[16]中的算例验证本文模型，该模型的几何条件如下：模拟空间是边长为100m的正方形，大气环境温度300K，环境压力为标准大气压，管道中心距地面0.8m，管道内天然气温度300K，管道泄漏口直径为0.1m，管道泄漏速度大小为100m/s。模拟空间的入口风速位于正方形空间的左边界，压力出口边界位于正方形空间的上和右边界且不出现回流，风速大小恒为5m/s，天然气管道非泄漏方向的壁面和大地表面都设为壁面边界。利用Fluent模拟软件求解此模型，计算模型结果与参考文献[16]对比，如图1所示。

图1 天然气管道泄漏扩散结果

由图1可以明显看出，该模型计算得到的天然气泄漏扩散云团与参照文献[16]模拟得到的结果吻合度较好，从而说明本文建立的模型及求解方法的适用性及正确性。

2 数值结果分析

模拟工况参数分别为：120m×110m矩形空间，天然气管道直径为0.7m，管道中心距地面10m，泄漏口直径为0.05m的圆孔。天然气温度为298.15K。大气环境平均温度288.15K，空气密度为1.225 kg/m3，空气粘度为1.789×10-5Pa·s，比热比为1.3，风速大小为0，大气环境压力为标准大气压。重力加速度为9.81m/s2。由于甲烷的比例较大，所以为方便计算，将天然气按甲烷气体进行理想简化，甲烷的物性参数为：密度0.668kg/m3，定压比热容1.545J/(m3·K)，运动粘度14.5×10-6m2/s，动力粘度10.87×10-6Pa·s，绝热指数1.309。矩形空间的上、左和右边界都设为压力出口，架空天然气管道非泄漏方向的壁面和大地表面都设为无滑移壁面。架空天然气管道位于地势平坦且没有障碍物的空旷地带，大地表面对天然气的反射率为0.4且不发生吸收现象。

采用三角形形式对网格进行划分，临近天然气管道泄漏口处采取加密处理，根据实际工程要求和计算繁简程度，对该三角形网格进行了恰当的逐渐疏化。利用Fluent软件模拟3种不同管道压力下的天然气泄漏情况，并获得其扩散浓度分布图，模拟结果如图2所示。

图2（a）、图2（b）、图2（c）分别为管道压力p=5p0，p=10p0和p=15p0时的天然气管道泄漏扩散浓度分布图。在三种不同高管道压力下，天然气扩散均能分布到该模拟空间上部。由图2可以明显看出，在水平方向上，天然气泄漏的扩散距离基本上不随管道压力的增大而变化。即使在某一定高度，天然气泄漏扩散浓度的变化也不会随着管道压力的增大而大幅度增大。由于管道处于高压状态下，管道发生泄漏时，泄漏时的喷射速度很大，三种高压力下的管道对泄露速度的影响不明显，所以天然气管道泄漏扩散浓度的变化不显著。

图2 不同管道压力下的天然气扩散浓度图

在激光巡检泄漏点过程中，采样点位于距管道两旁50m位置、激光检测维持在110m高度，且以恒定速度巡检管道泄漏位置，三种不同高管道压力下管道泄漏的天然气激光检测信号强度模拟结果如图3所示。

图3 不同管道压力下激光检测信号强度

图3为三种不同高管道压力下激光检测信号强度图。由图3可以看到，在三种不同压力的管道泄漏孔竖直方向上，其激光检测得到的信号强度最弱，表明在该处天然气对光的吸收程度最大，同时也表明在泄漏孔竖直方向上天然气扩散浓度最大。在-30m＜x ＜30m范围内激光检测信号强度发生改变。具体表现如下：激光检测强度信号在-10m＜x＜10m范围内变化趋势最为剧烈，且从两端到泄漏口处弱化明显，激光检测信号强度在管道泄漏口处最小，表明在此处天然气扩散浓度最大。在-30m＜x＜-10m和10m ＜x＜30m这两个区间内，激光检测信号强度弱化趋缓，天然气浓度变化不明显。通过对比模拟结果分析三种不同高管道压力可以获知：在不同天然气管道泄漏压力下，激光检测信号强度不随泄漏压力的变化而有明显的影响。

3 结论

本文利用激光检测手段，建立了有关架空高压天然气管道泄漏扩散和激光检测过程模型，采用Fluent软件模拟分析了激光检测在不同天然气管道泄漏压力下对其检测结果及气体扩散的影响。研究表明由于天然气管道处于高压状态下，管道泄漏口处喷射速度较大。不同管道压力下，天然气扩散浓度随着管道压力不同有所变化，但变化趋势不明显；同时发现不同管道压力下对激光检测信号强度几乎不影响，即激光检测天然气管道泄漏不受管道压力的影响。

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Investigation of the Effect of Pipeline Pressure on Laser Detection for Natural Gas Pipeline Leakage

Hui Lili
(Daqing special equipment inspection center of PetroChina Co., Ltd. Daqing 163453)

In the natural gas pipeline leakage detection, laser detection is a commonly used technical means. However, the laser detection under the effect of natural gas diffusion process, will be some deviation. Based on established overhead high pressure natural gas pipeline leakage diffusion model, in 5p0, 10p0, 15p0three kinds of pipeline pressure, numerical analysis of natural gas pipeline leakage process is proceeded, and effect evaluate on the laser detection is discussed. The results show that the diffusion of natural gas is less affected by three kinds of high pressure pipelines, and has little influence on the laser detection results.

Natural gas pipeline Laser detection Pipeline pressure Numerical simulation

X924

B

1673-257X(2017)04-0019-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.004

惠丽丽(1982～)，女，本科，中级工程师，从事压力管道的定期检验工作。

2016-12-20）