摘 要

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過氣源點及負(fù)荷點邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對管網(wǎng)各管段流量及各節(jié)點壓力的影響，

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過氣源點及負(fù)荷點邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對管網(wǎng)各管段流量及各節(jié)點壓力的影響，分析不同邊界條件下的管網(wǎng)泄漏規(guī)律。

關(guān)鍵詞：泄漏診斷  中壓管網(wǎng)  泄漏檢測系統(tǒng)  模擬實驗  數(shù)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(jié)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?xì)庑袠I(yè)迅速發(fā)展。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)在城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)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?xì)夤芫W(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行至關(guān)重要，對燃?xì)夤芫W(wǎng)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(wěn)定供氣對居民用戶正常生活、工業(yè)用戶安全穩(wěn)定生產(chǎn)的重要性，我們不可能在真實的天然氣管道上進(jìn)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?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)，對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行模擬實驗。本文利用軟件Pipeline Studio對實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)的泄漏診斷進(jìn)行數(shù)值模擬，以期能夠?qū)Τ鞘泄芫W(wǎng)的快速診斷提供依據(jù)及參考。

2　實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)的搭建

燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)以模仿城市中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)為主，可進(jìn)行泄漏檢測、泄漏點快速定位、SCADA系統(tǒng)監(jiān)測點選取及優(yōu)化等實驗。該系統(tǒng)管網(wǎng)采用公稱直徑為40mm，壁厚為3mm的U-PVC管搭建，每根管段的當(dāng)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?xì)庾鳛檫\行介質(zhì)。將燃?xì)饽M管網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點用a～h，a1～h1表示，各管段用l～24表示。燃?xì)饽M管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖見圖1。

 

在本文的模擬實驗中，節(jié)點a通過調(diào)壓器等連接儲氣罐作為模擬管網(wǎng)的氣源點，節(jié)點g通過等徑管段將空氣直接排入室外來模擬負(fù)荷點，節(jié)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(jù)實驗需要對管網(wǎng)任意位置進(jìn)行泄漏點、負(fù)荷點的布置或壓力監(jiān)測。設(shè)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(shù)，即球閥全開時泄漏系數(shù)為l00％，球閥全閉時泄漏系數(shù)為0。

為了更為直觀地觀察到管網(wǎng)各點的壓力，判斷該管網(wǎng)是否已發(fā)生泄漏以及定位泄漏點的位置，建立了管網(wǎng)的壓力特征向量圖。在壓力特征向量圖中，以管網(wǎng)示意圖為底面，以各個節(jié)點為始點，以該節(jié)點的壓力值為長度，建立該節(jié)點豎直向上的特征向量。管網(wǎng)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(wǎng)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(fù)荷點壓力為最低值的近似平滑的曲面。當(dāng)該實驗平臺某點發(fā)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(xiàn)“凹面”，附近連接壓力特征向量的曲線的斜率發(fā)生變化。

管網(wǎng)具有不同的運行工況時，如單氣源點或者多氣源點管網(wǎng)以及氣源點位置不同，單負(fù)荷點或者多負(fù)荷點以及負(fù)荷點位置不同，管網(wǎng)的壓力特征向量圖都是不同的，管網(wǎng)不同的環(huán)、不同的位置出現(xiàn)泄漏時對壓力特征向量的影響更是不同。在大量模擬數(shù)據(jù)以及實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對各種不同工況下的泄漏進(jìn)行分析，可以依據(jù)壓力特征向量圖對其是否發(fā)生泄漏以及泄漏點位置進(jìn)行判定^[2]。

實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)的搭建應(yīng)與城市實際中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)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(qū)以外，還要滿足其他的一些相似條件。只有嚴(yán)格滿足了相似理論，燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)對于城市實際中壓燃?xì)夤芫W(wǎng)才具有參照和指導(dǎo)意義。相似理論是燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)搭建的理論基礎(chǔ)，從管網(wǎng)流動的基本方程舊。可以推導(dǎo)出搭建管網(wǎng)應(yīng)滿足的相似準(zhǔn)則。

一般情況下，燃?xì)庠诠芫W(wǎng)內(nèi)的流動為不穩(wěn)定流動，不穩(wěn)定流動的運動方程為：

 

式中r——燃?xì)饷芏龋?span lang="EN-US">kg／m³

w——燃?xì)馑俣龋?span lang="EN-US">m／s

t——時間，s

x——管道軸向坐標(biāo)，m

p——燃?xì)饨^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(shù)

D——管道內(nèi)徑，m

不穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程為：

 

不穩(wěn)定流動的狀態(tài)方程為：

p=ZrRT      　　　　　　　　        (3)

式中Z——壓縮因子

R——氣體常數(shù)，J／(kg·K)

T——燃?xì)鉁囟龋?span lang="EN-US">K

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

嚴(yán)銘卿長度相似準(zhǔn)則為：

 

式中YL——嚴(yán)銘卿長度相似準(zhǔn)則數(shù)

L——管道長度，m

嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則為：

 

式中Yq——嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則數(shù)

qv——燃?xì)怏w積流量，m³／s

按相似理論，要使實驗室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測系統(tǒng)的實驗結(jié)果能夠應(yīng)用到城市實際燃?xì)夤芫W(wǎng)中去，需要燃?xì)饽M管網(wǎng)的水力工況與實際的燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力工況相似。這就要求兩個系統(tǒng)的單值性條件相似，相似準(zhǔn)則數(shù)相等^[4]，即兩個系統(tǒng)的嚴(yán)銘卿長度相似準(zhǔn)則數(shù)相等：

YL1＝YL2 　　　　　　　　　　　　　   (6)

式中YL1——實際管網(wǎng)嚴(yán)銘卿長度相似準(zhǔn)則數(shù)

YL2——模擬管網(wǎng)嚴(yán)銘卿長度相似準(zhǔn)則數(shù)

兩個系統(tǒng)的嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則數(shù)相等：

Yq1＝Yq2         　　　　　　         (7)

式中Yq1——實際管網(wǎng)嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則數(shù)

Yq2——模擬管網(wǎng)嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則數(shù)

本文中上述試驗平臺各參數(shù)都是以相似理論為依據(jù)確定的。

3　軟件對檢測系統(tǒng)管網(wǎng)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(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)水力分析提供圖形環(huán)境并進(jìn)行組態(tài)、操作及分析的軟件，按照一定的時間間隔對系統(tǒng)內(nèi)各點的參數(shù)(壓力、流量等)進(jìn)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計算。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計計算工況是指管道系統(tǒng)的流量滿足最大負(fù)荷(即計算流量q)、負(fù)荷點前的壓力為額定壓力Pn，負(fù)荷點的流量為額定流量qn時的工況^[5]，而城市燃?xì)夤芫W(wǎng)負(fù)荷是隨著時間不斷變化的。當(dāng)管網(wǎng)氣源點壓力一定時，隨著管網(wǎng)負(fù)荷的增加，管道中燃?xì)饬髁吭龃?，壓力降也隨之增大，負(fù)荷點的壓力降低。管網(wǎng)負(fù)荷最大時，負(fù)荷點出現(xiàn)最小壓力，而高中壓管網(wǎng)末端的最小壓力也應(yīng)保證區(qū)域調(diào)壓站能正常工作并通過用戶在高峰時的用氣量。若根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)荷的變化改變氣源點壓力，就可大大提高用戶處壓力的穩(wěn)定性。隨著負(fù)荷的降低而使氣源點壓力隨之降低，則負(fù)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(jìn)行模擬：

工況l：氣源點入口流量最大為0.4m³／s，負(fù)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(fù)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(fù)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(shù)的設(shè)定模擬不同的泄漏量。本文模擬了泄漏系數(shù)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(jié)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(jié)點在氣源點附近，管網(wǎng)中節(jié)點與氣源點距離越遠(yuǎn)、與負(fù)荷點距離越近，節(jié)點壓力越小。

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得工況l不同泄漏系數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)最大負(fù)荷即氣源點最大流量，負(fù)荷點最小壓力的前提下，當(dāng)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(fù)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(fā)生偏移。

對圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理求得工況l不同泄漏系數(shù)條件下各節(jié)點壓力相對于正常工況壓力的變化量，即正常工況時節(jié)點的壓力減去泄漏工況時節(jié)點的壓力，見圖6。

 

對圖6數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)最大負(fù)荷即氣源點最大流量，負(fù)荷點最小壓力的前提下，節(jié)點e1壓力變化量最大，節(jié)點h1、節(jié)點d1以及節(jié)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(wěn)定的負(fù)荷點外，節(jié)點h的壓力變化量最小，節(jié)點a、節(jié)點e、節(jié)點d壓力變化量較小，說明泄漏時靠近負(fù)荷點及氣源點附近的節(jié)點壓力較穩(wěn)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(fù)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(shù)的設(shè)定模擬不同的泄漏量。本文模擬了泄漏系數(shù)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(jìn)行模擬，求得模擬結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出各種不同泄漏情況下各管段的流量及各節(jié)點的壓力相對于正常工況的變化量，結(jié)果見圖7、8。

 

 

對圖7數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)氣源點最大壓力，負(fù)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(dāng)發(fā)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(fā)生偏移。

對圖8數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)氣源點最大壓力，負(fù)荷點最小壓力的前提下，節(jié)點e1壓力變化量最大，節(jié)點h1、節(jié)點d1以及節(jié)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(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可以看到在界定不同的氣源點及負(fù)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(wǎng)發(fā)生泄漏時，管網(wǎng)的供氣路線均發(fā)生了偏移。兩種工況的壓力變化趨勢差異較大。

燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生泄漏時，管網(wǎng)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(guī)律性，方便了管網(wǎng)的泄漏檢測及泄漏點的快速定位。但是當(dāng)管網(wǎng)具有不同的氣源點及負(fù)荷點邊界條件時，尤其是在泄漏量較大時，該管網(wǎng)的壓力變化量、流量變化量卻略有差別，比如供氣路線所發(fā)生的偏移量不同。

管網(wǎng)發(fā)生泄漏時，整個管網(wǎng)除了負(fù)荷點以外各節(jié)點的壓力均有所減小，但節(jié)點e1、h1、d1的壓力變化量最大，大于了整個環(huán)狀管網(wǎng)壓力變化的均值，這些節(jié)點附近的壓力特征曲面會出現(xiàn)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(jié)點e1、h1、d1附近出現(xiàn)了泄漏，且泄漏點位置靠近節(jié)點e1。依此為判定依據(jù)，可以大大縮小泄漏點的搜索域，更快地實現(xiàn)對泄漏點的定位，減小經(jīng)濟(jì)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(yán)銘卿

作者單位：天津城建大學(xué)