摘 要

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對實驗室燃氣管網泄漏檢測系統進行數值模擬，通過氣源點及負荷點邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對管網各管段流量及各節點壓力的影響，

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對實驗室燃氣管網泄漏檢測系統進行數值模擬，通過氣源點及負荷點邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對管網各管段流量及各節點壓力的影響，分析不同邊界條件下的管網泄漏規律。

關鍵詞：泄漏診斷  中壓管網  泄漏檢測系統  模擬實驗  數值模擬

Numerical Simulation of Gas Pipeline Leak Detection System

Abstract：The numerical simulation of laboratory gas pipeline leak detection system is performed by Pipeline Studio software．The effects of different leak rates on each section flow and node pressure under different conditions are obtained through different boundary conditions at gas source point and load points．The pipeline leak law under different boundary conditions is analyzed．

Key words：leak diagnosis j medium pressure pipe network；leak detection system；simulative experiment；numerical simulation

1　概述

隨著國家節能減排政策的實行，天然氣作為一種清潔能源，越來越受到大中型城市的重視，燃氣行業迅速發展。城市燃氣管網在城市社會經濟發展中的地位日益重要，已成為城市重要的生命線工程之一。因此，城市燃氣管網的安全、穩定運行至關重要，對燃氣管網泄漏的快速診斷、精確定位已迫在眉睫。

鑒于天然氣具有易燃、易爆的高危險性以及穩定供氣對居民用戶正常生活、工業用戶安全穩定生產的重要性，我們不可能在真實的天然氣管道上進行打孔以及隨意更改氣源點壓力、流量等實驗。為此，我們搭建了實驗室燃氣管網泄漏檢測系統，對城市燃氣管網進行模擬實驗。本文利用軟件Pipeline Studio對實驗室燃氣管網泄漏檢測系統的泄漏診斷進行數值模擬，以期能夠對城市管網的快速診斷提供依據及參考。

2　實驗室燃氣管網泄漏檢測系統的搭建

燃氣管網泄漏檢測系統以模仿城市中壓燃氣管網為主，可進行泄漏檢測、泄漏點快速定位、SCADA系統監測點選取及優化等實驗。該系統管網采用公稱直徑為40mm，壁厚為3mm的U-PVC管搭建，每根管段的當量長度均為26m，粗糙度為0.003mm^[1]。在實際的實驗室模擬實驗中，采用空氣代替燃氣作為運行介質。將燃氣模擬管網系統中各節點用a～h，a1～h1表示，各管段用l～24表示。燃氣模擬管網系統示意圖見圖1。

 

在本文的模擬實驗中，節點a通過調壓器等連接儲氣罐作為模擬管網的氣源點，節點g通過等徑管段將空氣直接排入室外來模擬負荷點，節點e1連接球閥作為泄漏點，通過對球閥開度的控制可以模擬不同的泄漏量，也可以根據實驗需要對管網任意位置進行泄漏點、負荷點的布置或壓力監測。設定球閥不同開度時的泄漏量與球閥全開時泄漏量的比值為泄漏系數，即球閥全開時泄漏系數為l00％，球閥全閉時泄漏系數為0。

為了更為直觀地觀察到管網各點的壓力，判斷該管網是否已發生泄漏以及定位泄漏點的位置，建立了管網的壓力特征向量圖。在壓力特征向量圖中，以管網示意圖為底面，以各個節點為始點，以該節點的壓力值為長度，建立該節點豎直向上的特征向量。管網壓力特征向量圖見圖2。

 

在圖2中，將各特征向量的終點以平滑的曲線連接起來，可以形成一個該管網壓力特征曲面。正常工況時，該特征曲面為以氣源點壓力為最高值，負荷點壓力為最低值的近似平滑的曲面。當該實驗平臺某點發生泄漏時，該點的壓力降低，壓力特征向量減小，則壓力特征曲面在泄漏點附近出現“凹面”，附近連接壓力特征向量的曲線的斜率發生變化。

管網具有不同的運行工況時，如單氣源點或者多氣源點管網以及氣源點位置不同，單負荷點或者多負荷點以及負荷點位置不同，管網的壓力特征向量圖都是不同的，管網不同的環、不同的位置出現泄漏時對壓力特征向量的影響更是不同。在大量模擬數據以及實驗數據的基礎上，對各種不同工況下的泄漏進行分析，可以依據壓力特征向量圖對其是否發生泄漏以及泄漏點位置進行判定^[2]。

實驗室燃氣管網泄漏檢測系統的搭建應與城市實際中壓燃氣管網具有相似性，除了要滿足雷諾相似定理、流動處于阻力平方區以外，還要滿足其他的一些相似條件。只有嚴格滿足了相似理論，燃氣管網泄漏檢測系統對于城市實際中壓燃氣管網才具有參照和指導意義。相似理論是燃氣管網泄漏檢測系統搭建的理論基礎，從管網流動的基本方程舊。可以推導出搭建管網應滿足的相似準則。

一般情況下，燃氣在管網內的流動為不穩定流動，不穩定流動的運動方程為：

 

式中r——燃氣密度，kg／m³

w——燃氣速度，m／s

t——時間，s

x——管道軸向坐標，m

p——燃氣絕對壓力，Pa

g——重力加速度，m／s²

a——管道與水平面夾角，rad

l——管道摩阻系數

D——管道內徑，m

不穩定流動的連續性方程為：

 

不穩定流動的狀態方程為：

p=ZrRT      　　　　　　　　        (3)

式中Z——壓縮因子

R——氣體常數，J／(kg·K)

T——燃氣溫度，K

由上述方程可得到兩個相似準則(本文定義為嚴銘卿長度相似準則和嚴銘卿流量相似準則)。

嚴銘卿長度相似準則為：

 

式中YL——嚴銘卿長度相似準則數

L——管道長度，m

嚴銘卿流量相似準則為：

 

式中Yq——嚴銘卿流量相似準則數

qv——燃氣體積流量，m³／s

按相似理論，要使實驗室燃氣管網泄漏檢測系統的實驗結果能夠應用到城市實際燃氣管網中去，需要燃氣模擬管網的水力工況與實際的燃氣管網的水力工況相似。這就要求兩個系統的單值性條件相似，相似準則數相等^[4]，即兩個系統的嚴銘卿長度相似準則數相等：

YL1＝YL2 　　　　　　　　　　　　　   (6)

式中YL1——實際管網嚴銘卿長度相似準則數

YL2——模擬管網嚴銘卿長度相似準則數

兩個系統的嚴銘卿流量相似準則數相等：

Yq1＝Yq2         　　　　　　         (7)

式中Yq1——實際管網嚴銘卿流量相似準則數

Yq2——模擬管網嚴銘卿流量相似準則數

本文中上述試驗平臺各參數都是以相似理論為依據確定的。

3　軟件對檢測系統管網的模擬

3.1　Pipeline Studio軟件簡介

管道仿真Pipeline Studio軟件是英國ESI(Energy Solution International)公司推出的一款可以為氣、液管網的穩態和瞬態水力分析提供圖形環境并進行組態、操作及分析的軟件，按照一定的時間間隔對系統內各點的參數(壓力、流量等)進行采集并形成報告。本文工作是用Pipeline Studio軟件中的氣體模擬器TGNET進行穩態模擬計算。

城市燃氣管網設計計算工況是指管道系統的流量滿足最大負荷(即計算流量q)、負荷點前的壓力為額定壓力Pn，負荷點的流量為額定流量qn時的工況^[5]，而城市燃氣管網負荷是隨著時間不斷變化的。當管網氣源點壓力一定時，隨著管網負荷的增加，管道中燃氣流量增大，壓力降也隨之增大，負荷點的壓力降低。管網負荷最大時，負荷點出現最小壓力，而高中壓管網末端的最小壓力也應保證區域調壓站能正常工作并通過用戶在高峰時的用氣量。若根據系統中負荷的變化改變氣源點壓力，就可大大提高用戶處壓力的穩定性。隨著負荷的降低而使氣源點壓力隨之降低，則負荷點前的壓力將不會增加。為此，本文選擇性地挑取兩種最不利工況進行模擬：

工況l：氣源點入口流量最大為0.4m³／s，負荷點最小壓力不低于200kPa。

工況2：氣源點入口壓力最大為400kPa，負荷點最小壓力不低于200kPa。

3.2　對工況1的模擬計算

本次TGNET模擬計算的邊界條件如下：氣源點入口流量最大為0.4m³／s，負荷點最小壓力不低于200kPa，泄漏點為直徑為20mm的孔洞，并通過對泄漏系數的設定模擬不同的泄漏量。本文模擬了泄漏系數為2.5％、5％、l0％、l2.5％、25％、50％以及100％等7種不同的泄漏情況^[6]。模擬結果見圖3、4。圖4～8的圖例與圖3相同。

 

 

由圖4可得：壓力值大的節點在氣源點附近，管網中節點與氣源點距離越遠、與負荷點距離越近，節點壓力越小。

對上述數據進行處理，求得工況l不同泄漏系數條件下各管段流量相對于正常工況流量的變化量，即正常工況時管段的流量減去泄漏工況時管段的流量，見圖5。

 

對圖5數據進行分析得：在界定管網最大負荷即氣源點最大流量，負荷點最小壓力的前提下，當泄漏量較小時，隨著泄漏量的逐漸增大，管段流量變化量隨之增大，且近似成正比；泄漏點附近管段流量較小的管段流量變化量較大；假定從氣源點到負荷點形成的最短路徑為主供氣路線，主供氣路線所在的管段流量較大。隨著泄漏量的逐漸增大，管段5、管段6、管段16的流量逐漸增大，管段8、管段23的流量逐漸減小，說明主供氣路線開始發生偏移。

對圖4中的數據進行處理求得工況l不同泄漏系數條件下各節點壓力相對于正常工況壓力的變化量，即正常工況時節點的壓力減去泄漏工況時節點的壓力，見圖6。

 

對圖6數據進行分析得：在界定管網最大負荷即氣源點最大流量，負荷點最小壓力的前提下，節點e1壓力變化量最大，節點h1、節點d1以及節點¦1壓力變化量較大，說明泄漏時泄漏點附近壓力變化量最大；隨著泄漏量的增加，壓力變化量隨之增大，且近似成正比。排除壓力穩定的負荷點外，節點h的壓力變化量最小，節點a、節點e、節點d壓力變化量較小，說明泄漏時靠近負荷點及氣源點附近的節點壓力較穩定。

3.3　對工況2的模擬計算

本次TGNET模擬計算的邊界條件如下：氣源點入口壓力最大為400kPa，負荷點最小壓力不低于200kPa，泄漏點為直徑為20mm的孔洞，并通過對泄漏系數的設定模擬不同的泄漏量。本文模擬了泄漏系數為2.5％、5％、l0％、l2.5％、25％、50％以及100％等7種不同的泄漏情況。

利用Pipeline Studio的TGNET對上述工況進行模擬，求得模擬結果并進行數據處理，得出各種不同泄漏情況下各管段的流量及各節點的壓力相對于正常工況的變化量，結果見圖7、8。

 

 

對圖7數據進行分析得：在界定管網氣源點最大壓力，負荷點最小壓力的前提下，隨著泄漏量的增加，流量變化量開始增大，且近似成正比；當發生泄漏時，泄漏點附近管段流量較小的管段流量改變較大。

隨著泄漏量的增加，管段1、管段9的流量都增加，管段l的流量變化量比管段9大。泄漏工況時，管段5、管段6、管段16的流量有明顯的增大，管段8、管段23的流量逐漸減小，說明主供氣路線開始發生偏移。

對圖8數據進行分析得：在界定管網氣源點最大壓力，負荷點最小壓力的前提下，節點e1壓力變化量最大，節點h1、節點d1以及節點¦1壓力變化量較大，說明泄漏時泄漏點附近壓力變化量最大；隨著泄漏量的增加，壓力變化量隨之增大，且近似成正比。

4　討論

對兩種不同工況下的模擬結果進行橫向對比，可以看到在界定不同的氣源點及負荷點邊界條件時，兩種工況的流量變化趨勢雖大體相同，但略有差別。兩種工況條件下的管網發生泄漏時，管網的供氣路線均發生了偏移。兩種工況的壓力變化趨勢差異較大。

燃氣管網發生泄漏時，管網泄漏點附近的壓力變化量、流量變化量最大，都是隨著泄漏量的增加而增加，且近似成正比，具有很強的規律性，方便了管網的泄漏檢測及泄漏點的快速定位。但是當管網具有不同的氣源點及負荷點邊界條件時，尤其是在泄漏量較大時，該管網的壓力變化量、流量變化量卻略有差別，比如供氣路線所發生的偏移量不同。

管網發生泄漏時，整個管網除了負荷點以外各節點的壓力均有所減小，但節點e1、h1、d1的壓力變化量最大，大于了整個環狀管網壓力變化的均值，這些節點附近的壓力特征曲面會出現一個“凹面”，壓力特征曲線的斜率變化也較大，可以判定出在節點e1、h1、d1附近出現了泄漏，且泄漏點位置靠近節點e1。依此為判定依據，可以大大縮小泄漏點的搜索域，更快地實現對泄漏點的定位，減小經濟損失及社會危害。

 

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本文作者：韓克順　玉建軍　焦嬌娜　嚴銘卿

作者單位：天津城建大學