摘 要

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)氣源點(diǎn)及負(fù)荷點(diǎn)邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對(duì)管網(wǎng)各管段流量及各節(jié)點(diǎn)壓力的影響，

摘　要：利用Pipeline Studi0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)氣源點(diǎn)及負(fù)荷點(diǎn)邊界條件的不同，求得不同工況下不同泄漏量對(duì)管網(wǎng)各管段流量及各節(jié)點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)  模擬實(shí)驗(yàn)  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(guó)家節(jié)能減排政策的實(shí)行，天然氣作為一種清潔能源，越來(lái)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(huì)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(yùn)行至關(guān)重要，對(duì)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(xiǎn)性以及穩(wěn)定供氣對(duì)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(shí)的天然氣管道上進(jìn)行打孔以及隨意更改氣源點(diǎn)壓力、流量等實(shí)驗(yàn)。為此，我們搭建了實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。本文利用軟件Pipeline Studio對(duì)實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)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(cè)、泄漏點(diǎn)快速定位、SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取及優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)。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(zhǎng)度均為26m，粗糙度為0.003mm^[1]。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中，采用空氣代替燃?xì)庾鳛檫\(yùn)行介質(zhì)。將燃?xì)饽M管網(wǎng)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)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(jiàn)圖1。

 

在本文的模擬實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)a通過(guò)調(diào)壓器等連接儲(chǔ)氣罐作為模擬管網(wǎng)的氣源點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)g通過(guò)等徑管段將空氣直接排入室外來(lái)模擬負(fù)荷點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)e1連接球閥作為泄漏點(diǎn)，通過(guò)對(duì)球閥開(kāi)度的控制可以模擬不同的泄漏量，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)管網(wǎng)任意位置進(jìn)行泄漏點(diǎn)、負(fù)荷點(diǎn)的布置或壓力監(jiān)測(cè)。設(shè)定球閥不同開(kāi)度時(shí)的泄漏量與球閥全開(kāi)時(shí)泄漏量的比值為泄漏系數(shù)，即球閥全開(kāi)時(shí)泄漏系數(shù)為l00％，球閥全閉時(shí)泄漏系數(shù)為0。

為了更為直觀地觀察到管網(wǎng)各點(diǎn)的壓力，判斷該管網(wǎng)是否已發(fā)生泄漏以及定位泄漏點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)為始點(diǎn)，以該節(jié)點(diǎn)的壓力值為長(zhǎng)度，建立該節(jié)點(diǎn)豎直向上的特征向量。管網(wǎng)壓力特征向量圖見(jiàn)圖2。

 

在圖2中，將各特征向量的終點(diǎn)以平滑的曲線連接起來(lái)，可以形成一個(gè)該管網(wǎng)壓力特征曲面。正常工況時(shí)，該特征曲面為以氣源點(diǎn)壓力為最高值，負(fù)荷點(diǎn)壓力為最低值的近似平滑的曲面。當(dāng)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)某點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí)，該點(diǎn)的壓力降低，壓力特征向量減小，則壓力特征曲面在泄漏點(diǎn)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(yùn)行工況時(shí)，如單氣源點(diǎn)或者多氣源點(diǎn)管網(wǎng)以及氣源點(diǎn)位置不同，單負(fù)荷點(diǎn)或者多負(fù)荷點(diǎn)以及負(fù)荷點(diǎn)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(shí)對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)其是否發(fā)生泄漏以及泄漏點(diǎn)位置進(jìn)行判定^[2]。

實(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的搭建應(yīng)與城市實(shí)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)對(duì)于城市實(shí)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(cè)系統(tǒng)搭建的理論基礎(chǔ)，從管網(wǎng)流動(dòng)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(dòng)為不穩(wěn)定流動(dòng)，不穩(wěn)定流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(shí)間，s

x——管道軸向坐標(biāo)，m

p——燃?xì)饨^對(duì)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(dòng)的連續(xù)性方程為：

 

不穩(wěn)定流動(dòng)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(gè)相似準(zhǔn)則(本文定義為嚴(yán)銘卿長(zhǎng)度相似準(zhǔn)則和嚴(yán)銘卿流量相似準(zhǔn)則)。

嚴(yán)銘卿長(zhǎng)度相似準(zhǔn)則為：

 

式中YL——嚴(yán)銘卿長(zhǎng)度相似準(zhǔn)則數(shù)

L——管道長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠應(yīng)用到城市實(shí)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(shí)際的燃?xì)夤芫W(wǎng)的水力工況相似。這就要求兩個(gè)系統(tǒng)的單值性條件相似，相似準(zhǔn)則數(shù)相等^[4]，即兩個(gè)系統(tǒng)的嚴(yán)銘卿長(zhǎng)度相似準(zhǔn)則數(shù)相等：

YL1＝YL2 　　　　　　　　　　　　　   (6)

式中YL1——實(shí)際管網(wǎng)嚴(yán)銘卿長(zhǎng)度相似準(zhǔn)則數(shù)

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

兩個(gè)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(shí)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(yàn)平臺(tái)各參數(shù)都是以相似理論為依據(jù)確定的。

3　軟件對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)管網(wǎng)的模擬

3.1　Pipeline Studio軟件簡(jiǎn)介

管道仿真Pipeline Studio軟件是英國(guó)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(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù)(壓力、流量等)進(jìn)行采集并形成報(bào)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(jì)算。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算工況是指管道系統(tǒng)的流量滿足最大負(fù)荷(即計(jì)算流量q)、負(fù)荷點(diǎn)前的壓力為額定壓力Pn，負(fù)荷點(diǎn)的流量為額定流量qn時(shí)的工況^[5]，而城市燃?xì)夤芫W(wǎng)負(fù)荷是隨著時(shí)間不斷變化的。當(dāng)管網(wǎng)氣源點(diǎn)壓力一定時(shí)，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(diǎn)的壓力降低。管網(wǎng)負(fù)荷最大時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)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(guò)用戶在高峰時(shí)的用氣量。若根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)荷的變化改變氣源點(diǎn)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(diǎn)壓力隨之降低，則負(fù)荷點(diǎn)前的壓力將不會(huì)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(diǎn)入口流量最大為0.4m³／s，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力不低于200kPa。

工況2：氣源點(diǎn)入口壓力最大為400kPa，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力不低于200kPa。

3.2　對(duì)工況1的模擬計(jì)算

本次TGNET模擬計(jì)算的邊界條件如下：氣源點(diǎn)入口流量最大為0.4m³／s，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力不低于200kPa，泄漏點(diǎn)為直徑為20mm的孔洞，并通過(guò)對(duì)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(jiàn)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(diǎn)在氣源點(diǎn)附近，管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)與氣源點(diǎn)距離越遠(yuǎn)、與負(fù)荷點(diǎn)距離越近，節(jié)點(diǎn)壓力越小。

對(duì)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(duì)于正常工況流量的變化量，即正常工況時(shí)管段的流量減去泄漏工況時(shí)管段的流量，見(jiàn)圖5。

 

對(duì)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(diǎn)最大流量，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力的前提下，當(dāng)泄漏量較小時(shí)，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(diǎn)附近管段流量較小的管段流量變化量較大；假定從氣源點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)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(shuō)明主供氣路線開(kāi)始發(fā)生偏移。

對(duì)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(diǎn)壓力相對(duì)于正常工況壓力的變化量，即正常工況時(shí)節(jié)點(diǎn)的壓力減去泄漏工況時(shí)節(jié)點(diǎn)的壓力，見(jiàn)圖6。

 

對(duì)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(diǎn)最大流量，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力的前提下，節(jié)點(diǎn)e1壓力變化量最大，節(jié)點(diǎn)h1、節(jié)點(diǎn)d1以及節(jié)點(diǎn)¦1壓力變化量較大，說(shuō)明泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)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(diǎn)外，節(jié)點(diǎn)h的壓力變化量最小，節(jié)點(diǎn)a、節(jié)點(diǎn)e、節(jié)點(diǎn)d壓力變化量較小，說(shuō)明泄漏時(shí)靠近負(fù)荷點(diǎn)及氣源點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)壓力較穩(wěn)定。

3.3　對(duì)工況2的模擬計(jì)算

本次TGNET模擬計(jì)算的邊界條件如下：氣源點(diǎn)入口壓力最大為400kPa，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力不低于200kPa，泄漏點(diǎn)為直徑為20mm的孔洞，并通過(guò)對(duì)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(duì)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(diǎn)的壓力相對(duì)于正常工況的變化量，結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

 

 

對(duì)圖7數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)氣源點(diǎn)最大壓力，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力的前提下，隨著泄漏量的增加，流量變化量開(kāi)始增大，且近似成正比；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)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(shí)，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(shuō)明主供氣路線開(kāi)始發(fā)生偏移。

對(duì)圖8數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得：在界定管網(wǎng)氣源點(diǎn)最大壓力，負(fù)荷點(diǎn)最小壓力的前提下，節(jié)點(diǎn)e1壓力變化量最大，節(jié)點(diǎn)h1、節(jié)點(diǎn)d1以及節(jié)點(diǎn)¦1壓力變化量較大，說(shuō)明泄漏時(shí)泄漏點(diǎn)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(duì)兩種不同工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋梢钥吹皆诮缍ú煌臍庠袋c(diǎn)及負(fù)荷點(diǎn)邊界條件時(shí)，兩種工況的流量變化趨勢(shì)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(shí)，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(shì)差異較大。

燃?xì)夤芫W(wǎng)發(fā)生泄漏時(shí)，管網(wǎng)泄漏點(diǎn)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(qiáng)的規(guī)律性，方便了管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)及泄漏點(diǎn)的快速定位。但是當(dāng)管網(wǎng)具有不同的氣源點(diǎn)及負(fù)荷點(diǎn)邊界條件時(shí)，尤其是在泄漏量較大時(shí)，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(shí)，整個(gè)管網(wǎng)除了負(fù)荷點(diǎn)以外各節(jié)點(diǎn)的壓力均有所減小，但節(jié)點(diǎn)e1、h1、d1的壓力變化量最大，大于了整個(gè)環(huán)狀管網(wǎng)壓力變化的均值，這些節(jié)點(diǎn)附近的壓力特征曲面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“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(diǎn)e1、h1、d1附近出現(xiàn)了泄漏，且泄漏點(diǎn)位置靠近節(jié)點(diǎn)e1。依此為判定依據(jù)，可以大大縮小泄漏點(diǎn)的搜索域，更快地實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏點(diǎn)的定位，減小經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)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)