实时瞬态模型法在长输天然气管道泄漏检测中的应用

陈传胜 李 俊 吴瑶晗 翟福超

（中国石化川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

积级探索高效的长输天然气管道泄漏检测系统、研究相应的泄漏检测技术，能及时发现泄漏并定位泄漏点，准确计算泄漏量，对预测事故后果的影响范围和程度具有重要的生产意义[1-3]。根据对我国四川地区输气管道1969-2003年的事故统计分析[4]，四川地区12条输气管道每千公里年事故率平均为4.3次，管道的内外腐蚀是四川地区输气管道泄漏失效的主要原因，占事故原因比例的39.5%，外部影响和材料缺陷因素占比分别为15.8%和10.9%。未来10～20年我国天然气管道建设将会迎来快速发展[5-7]，天然气管道安全运行面临的主要问题将主要是腐蚀、外部影响和材料缺陷等引起的管道小泄漏或微小泄漏。目前，国内外已经有多种长输天然气管道泄漏检测和定位的方法[8-11]，其中声波泄漏检测技术在国内外的管道上虽有应用案例，但对于管道上发生的微小泄漏难以检测并且容易受外界噪音干扰产生误报或漏报的问题[12-13]，而实时瞬态模型法[14]适用于检测管道上发生的小泄漏或微小泄漏，可以计算泄漏量且误报率低，是目前国际上被广泛研究并且应用最多的泄漏检测方法。由于其在小泄漏或微小泄漏检测方面的优势预计将会是我国管道检测技术发展的重要方向，因此有必要对该技术进行总结并进行现场应用测试分析确认其适用性。

1 实时瞬态模型法泄漏检测技术

实时瞬态模型法是指基于管道的物理数据建立一个精确的管道流体力学实时瞬态模型，通过SCADA系统实时采集管道系统的流量、压力、温度、地温、介质组分等参数驱动模型运行，将由数理模型产生的计算值与管道的实际测量值进行比较，通过体积或质量平衡结果比对确认管道是否出现泄漏，对泄漏点进行定位并准确计算出泄漏的速度和累计的泄漏量。该方法是目前国际上被广泛研究并且运用最多的管道泄漏检测方法，不仅能够检测到管道运行中较小的气体泄漏，而且具有定位精度高、误报率低的优点。

1.1 输气管段流动过程的基本方程

根据物质、动量、能量守恒定律，输气管道里的气体运动遵从三维空间的物质、动量、能量守恒方程[15]。由于输气管道的长度远远大于管道直径，将这些方程通过渐近分析方法（仅考虑平面应变问题）简化描述为以下方程组。

式中，p为气体的绝对压力，kPa；T为气体的绝对温度，K；ρ为气体密度，kg／m3；w为气体流速，m／s；A为管道横截面积，m2；u为单位质量气体的内能，J／kg；h为单位质量气体的热焓，J／kg；x为距管段起点的距离，m；τ为描述流动过程的时间，s；s为管段上各横截面处的高程，m；g为重力加速度，m／s2；λ为管段的水力摩阻系数；Q为在[0，x]管段上管内气流向周围环境的散热流量，m3／s。

以上6个方程刚好包括 p、T、ρ、w、u、h这 6个未知函数，因此从求微分方程通解的角度看，这个方程组是封闭的，通常称为流体管流的基本微分方程组。在实际求解时，相应的边界条件一般是通过确定压力或者流量的边界值。针对以上方程组和相应的边界条件，可以采用数值解的方法来求解管道任一断面x在任一时间τ的气体流动参数p、T、ρ、w、u、h的变化规律。

1.2 泄漏检测原理

在理想的条件下，单位时间内进入管道的流量减去流出管道的流量等于该段时间内管道内管存的变化值。将一定时间内管道产品体积的变化值称为管存率，在管道稳定运行的情况下，管道内产品的净流量应守恒，管存率也为零，即保证管道的容量守恒。设管存率为PR，净流量为FB，容量守恒率为VB，那么三者之间的关系如式（2）所示。

式中，FB是管道入口流量与出口流量的差值，即FB＝Qin-Qout（Qin为进入管道的流量，Qout为流出管道的流量，两者均通过SCADA实时获取）。

在系统运行时，使用管道首末实际测量值，如压力、流量等作为边界输入条件，通过数值方法求解流体方程组，计算管道相应的压力、流量值，将容量守恒率（VB）与泄漏判断阈值（TV）进行比较。当容量守恒率持续超越阈值时，表明有泄漏发生，此时系统发出报警，并通过计算确定泄漏位置，同时计算管道泄漏量。

1.3 定位泄漏原理

实时瞬态模型法中的泄漏定位采用的不是单一方法，而是将流量和压力相结合的判定方法。首先管道发生泄漏后会引起全线压力的变化，利用首端边界条件对管道进行从前到后的仿真得到管线压力分布，同样以管道终点运行参数为边界条件对管线进行从后到前的仿真，确定泄漏点位置（图1）。另外还会利用管道模型中独立模型段之间的流量不平衡来进行泄漏定位。模型段之间的边界上存在流量不平衡，管道水力模型的自动调节功能（特别是压降调节）可以将这些流量不平衡推向零，因此，在一个调整良好、水力模型精度高的系统中，这些流量不平衡将接近于零。利用这一特点，当管道发生泄漏后所造成模型段的流量不平衡，根据不平衡的相对大小，沿着模型段成比例地定位泄漏（图1）。

图1 泄漏检测定位示意图

2 模型的建立调试与现场测试

2.1 测试管段基本情况

南京支线是从川气东送管道主干线上分出的1条支线，起点为安徽省宣城市境内的十字镇输气站，终点为江苏南京的扬子石化输气站。支线全长逾254 km，沿线设有金坛、上党、龙潭、南京等7座分输站以及1座金坛储气库。使用实时瞬态模型法对川气东送天然气管道南京支线段进行建模和测试，以验证实时瞬态模型法用于长输天然气管道泄漏检测的适应性和效果。

2.2 建立实时瞬态模型及测试

实时瞬态模型的建立需要考虑管道、阀门、天然气组分、地温等各类相关参数及各类压力表、流量计、温度计的位置及参数。在物质状态方程上采用BWRS状态方程从而达到更精确地描述天然气物态的目的，如图2所示。

图2 测试管段模型图

当模型建立后，通过利用管线已有SCADA历史数据进行管道运行模拟，从而进一步微调模型参数，达到数值模拟模型在管线正常运行时不论是在稳态运行还是瞬态变化运行的情形下其数值解均能够精准地描述管道内气体的运动情况。阈值的确定是取得好的检测结果的关键。在选取影响阈值的组分方面，根据管线的具体情况，须考虑容积平衡变化的平均方差、最大流量平衡、最大管存率、平均净流量的变化、管线运行状态、管存率的绝对值以及由温度造成的管存率的绝对变化等多种因素。在实际系统运行时，针对上面描述的各种因素的影响大小计算加权平均值作为系统报警阈值，此阈值在管道的运行过程中会自动合理调节大小，达到减少误报警的目的。

将测试地点选在服务对象为间歇性分输用户的龙潭分输站，按分输站正常分输操作模拟管道泄漏发生，通过控制阀门模拟泄漏大小。配置好的泄漏检测系统可以通过容积守恒趋势图对管道上发生的泄漏进行判断和发出报警，如图3所示。当管道发生泄漏事故后，根据之前介绍的实时瞬态模型法泄漏检测原理，管存率（PR）会下降，因补充管道中的压力损失净流量（FB）会略微上升，容量守恒率（VB）会上升并持续直到穿越阈值（TV）引起泄漏检测系统发出报警并定位。

图3 测试管段趋势图

现场进行6次泄漏测试，再将测试结果进行汇总和比对以分析所建立的管道实时泄漏检测系统的性能指标情况。第一次测试（表3），泄漏量为管道输量的11.7%，系统警告时间为开阀后12′19″，系统报警时间为14′49″，系统定位误差为0 km，泄漏量计算准确率为95%以上；第二次测试（表4），泄漏量为管道输量的4.5%，系统警告时间为开阀后21′33″，系统报警时间为30′3″，系统定位误差为0.35 km，泄漏量计算准确率为95%以上。最后，将6次测试数据进行汇总分析，测试过程中系统运行稳定，无漏报、误报记录，最小检测出的泄漏为2.2%，系统警告时间为开阀后29′34″，系统报警时间为开阀后38′34″。

表3 第1次现场测试记录表

表4 第2次现场测试记录表

测试结果显示：实时瞬态模型泄漏检测法能够准确、快速地检测出泄漏，尤其对微小泄漏量的检测优势明显；模型运用流量、压力等参数可以计算出泄漏点的位置，实时计算泄漏速度和累计泄漏量。

3 结论

1）实时瞬态模型法泄漏检测方法能够准确、快速检测出天然气管道泄漏并能对泄漏量大小进行准确判断；实时瞬态模型法的泄漏检测原理决定了其误报率低的特点，现场测试后的6个月内误报率少于1次／月。

2）当泄漏速度为管道输量的2.2%时泄漏点的压降为0.008 79 MPa，由于测试泄漏点压降很小，而目前的SCADA（管道数据采集与监控系统）界面上的数值只显示小数点后两位，故无法通过SCADA查看数值压降的变化判断泄漏发生，而实时瞬态模型法则可以检测到泄漏发生。

3）目前管道发生泄漏后采取的方式是泄漏点上下游管道的截止阀压降达到0.15 MPa（只有爆管才会导致压降达到这一标准）时关闭截止阀，而11.7%的泄漏速度下压降也仅能达到0.02569 MPa，远低于标准。实时瞬态模型法则可以很好地解决管道上目前通过截止阀判断压降自动关闭无法解决的微小泄漏检测问题。