泄漏速度對激光檢測天然氣管道泄漏影響分析

王莉莉，王夢珠，呂 妍，袁也，李 棟*

（1. 東北石油大學 黑龍江省高校防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；　2. 大慶石化公司 信息技術中心，黑龍江 大慶163318）

?

泄漏速度對激光檢測天然氣管道泄漏影響分析

王莉莉1，王夢珠1，呂 妍2，袁也3，李 棟*1

（1. 東北石油大學 黑龍江省高校防災減災及防護工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶石化公司 信息技術中心，黑龍江 大慶163318）

天然氣管道泄漏產生的危害極大，激光技術是檢測管道泄漏的重要手段，但泄漏擴散過程對其檢測存在一定的影響。建立了架空天然氣管道泄漏擴散模型，數值分析了不同泄漏速度下管道泄漏天然氣擴散過程，然后探討了不同探測高度下其對激光檢測的影響。研究結果表明：在同一泄漏速度下，隨著探測高度的增加，激光檢測信號強度越來越弱；在同一探測高度下，中速泄漏時激光檢測信號強度稍強于高度泄漏，明顯弱于低速泄漏。

天然氣管道；激光檢測；泄漏速度；探測高度；數值模擬

天然氣完全燃燒后的產物是二氧化碳和水，是一種清潔、高效的能源，在我國得到了普遍的應用。天然氣產業的發展有著優化能源結構、實現節能減排和環境保護的重要作用。天然氣的主要運輸方式是管道輸送，但天然氣管道穿越區域廣、輸送壓力高、且易受到外界環境、管道自身缺陷等影響，導致管道泄漏事故屢有發生［1-4］，造成了重大的人員傷亡和財產損失，對社會穩定構成了極大的威脅，因此對天然氣管道泄漏的檢測顯得尤為重要。

天然氣管道泄漏檢測方法較多［5-7］。近年來，激光憑借其高靈敏度，響應迅速，使用周期長等優點，廣泛的應用于天然氣泄漏檢測領域［8-10］。李靜等［11］采用多特征波長光譜分析算法優化了紅外吸收法，通過實驗對泄漏速度恒定的標準甲烷液化氣罐檢測，實現了大范圍長距離天然氣泄漏的快速檢測。常岐海等［12］基于調制半導體激光吸收光譜原理開發出站場和隧道CH4/H2S泄漏激光檢測儀器，為我國高含硫天然氣安全開發提供了保證。Bushmeleva等［13］建立管道遙感裝置的計算機模型，通過計算激光雷達參數來選擇最優設計值和探測路徑。李克等［14］用直升機攜帶激光檢測設備，采用軟件模擬和試驗驗證方法確定天然氣管道小泄漏后的擴散范圍，檢測了由小泄漏源產生的甲烷氣團。上述文獻表明激光技術能夠有效的檢測天然氣管道泄漏，但實驗表明天然氣擴散過程對其激光檢測有一定的影響［11-14］。影響天然氣管道泄漏擴散的因素很多，而泄漏速度直接影響天然氣擴散過程，但現有的研究中很少涉及到泄漏速度對天然氣管道泄漏擴散的影響。付吉強等［15］建立了架空管道泄漏擴散控制方程，分析了泄漏口流速和風速對氣體擴散規律的影響，得到甲烷的爆炸極限范圍來確定最佳營救時間。高永強等［16］數值模擬了高含硫架空天然氣管道泄漏，分析了風速、重力、泄漏量、輸送壓力等因素對管道泄漏后天然氣擴散過程的影響，結果表明不同因素對天然氣擴散影響程度不同。

根據目前國內外研究現狀，本文以不同泄漏速度下天然氣管道泄漏擴散氣體為研究對象，建立了架空天然氣管道泄漏擴散和激光檢測過程模型，采用數值方法分析了天然氣管道高速泄漏、中速泄漏和低速泄漏等3種情況的氣體擴散過程，在此基礎上進一步分析了距地面80、90、100、110 m高度下天然氣泄漏擴散對激光檢測的影響，為今后激光檢測天然氣管道泄漏提供了一定的參考依據。

1　理論模型

1.1泄漏擴散控制方程

天然氣泄漏后在大氣中的流動可看作自由射流，其遵循質量、動量和能量守恒。假定天然氣擴散過程不發生化學反應，一般采用多組分物質運移模型。同時，假設滿足定常流動，而其為湍流狀態，采用標準 模型中修正Realizable模型［17-20］。經過假設后，天然氣管道泄漏擴散控制方程如下所示：

式中，ρ為氣態介質密度，kg/m3；uj為j方向的速度，m/s；xj為j方向傳輸長度，m。

式中，xi為i方向傳輸長度，m；ui為i方向速度、uj為j方向速度，m/s；P為壓力，Pa；μt為湍流黏度，kg/(m?s)；ρa為空氣密度，kg/m3；gi為重力加速度在i方向分量，m/s2。

式中：T為氣態介質溫度，K；σT為表面拉應力，Pa；cpv為天然氣定壓比熱容，J/(kg?K)；cpa為空氣定壓比熱容，J/(kg?K)；cp為混合氣體定壓比熱容，J/(kg?K)；σc為表面壓應力，Pa；ω為組分質量分數。

式中:Gk、Gb為湍流動能源項，Gk由平均速度梯度產生，Gb由浮力產生；Mγ 由獲得，Mt為湍流馬赫數，由計算獲得，其中α為聲速；Sk為用戶自定義條件；μa為空氣湍流黏度，kg/(m?s)。

式中，C1、C2、σk、 σε為計算參數；Sε為用計算獲得，（R為氣態介質的氣體常數，i為傳輸氣態介質的種類數）；C12、C3ε為計算參數，一般取經驗值；戶自定義條件；ρ 由。

1.2激光檢測模型

激光檢測天然氣管道泄漏原理是基于氣體分子對光譜的選擇吸收特性。當激光掃過天然氣管道泄漏點時，一部分激光能量被天然氣吸收，根據回波功率和初始功率可以反演出天然氣的濃度，從而確定天然氣管道泄漏。采用朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律分析天然氣管道泄漏氣體吸收光能情況，其數學表達式為

式中：A為吸光度；T為透射比，即透射光與入射光的比值，I1/I0；b為吸收層厚度，cm；c為吸光物質濃度，一般用質量濃度（g/100mL）或摩爾濃度（mol/L）表示；k為光吸收比例系數，100 cm2/（g·mol）或103 cm2/mol。

然而，在天然氣管道泄漏過程中，泄漏天然氣在空氣中分布不均勻，為此可采用積分形式進行激光傳輸能量損失的計算，其計算公式為

也可寫成

式中，ci'為直線上任意段內天然氣濃度值，。

當激光傳輸到地面，部分光束反射，而這部分反射的能量被探測器所檢測，從而可以確定整個過程天然氣的吸光度為

式中，ρ為地面對天然氣的反射率。

1.3模型驗證

采用文獻［17］中的算例驗證本文模型，其中模擬空間為正方形，其邊長為100 m，管道距地面高為0.8 m，管道內天然氣和環境溫度均為300 K，環境壓力為標準大氣壓，泄漏口直徑為0.1 m，泄漏速度為100 m/s。模擬空間左邊界為風速入口，風速為5 m/s，上邊界和右邊界均為壓力出口邊界且無回流，地面和管道非泄漏方向壁面均為壁面邊界。采用Fluent軟件求解模型，計算結果與文獻對比如圖1所示。

圖1　天然氣管道泄漏擴散結果（a：文獻； b：本文）Fig.1 Results of natural gas pipeline leakage and diffusion （a:the literature； b:this paper）

由圖1可以看出，本文模型計算的天然氣泄漏擴散云團與文獻結果基本一致，從而說明本文模型及求解方法的正確性。

2　數值結果分析

算例模擬空間為120 m×110 m，管道直徑為700 mm，距地面高 10m，泄漏口為圓孔且直徑為50 mm。天然氣溫度為 298.15 K。環境平均溫度288.15 K，無風，環境大氣壓為1.013×105Pa?？諝饷芏葹?.225 kg/m3，粘度為1.789×10-5Pa?s，比熱比為1.3，重力加速度為9.81 m2/s。天然氣的主要成分為甲烷，計算過程中天然氣按甲烷進行處理，甲烷密度為0.668 kg/m3，動力粘度為10.87×10-6Pa?s，運動粘度為14.5×10-6m2/s，定壓比熱容為1.545 J/(m3?K)，絕熱指數為1.309。模擬空間上邊界、左邊界、右邊界邊均采用壓力出口，地面和管道非泄漏方向壁面均為無滑移壁面。管道所在地勢平坦，無障礙物，土壤對天然氣不吸收且其反射率為0.4。

網格劃分采用三角形網格，泄漏口附近加密處理，綜合考慮計算條件和工程要求將計算網格進行了適當的逐漸稀疏處理。采用Fluent軟件仿真天然氣管道高速泄漏（泄漏速度為626.1 m/s）、中速泄漏（泄漏速度為100 m/s）和低速泄漏（泄漏速度為5 m/s）時天然氣擴散過程，得到天然氣擴散濃度分布如圖2、圖3和圖4所示。

圖2　天然氣擴散濃度（高速泄漏）Fig.2 Natural gas diffusion concentration（high speed）

圖3　天然氣擴散濃度（中速泄漏）Fig.3 Natural gas diffusion concentration（medium speed）

圖4　天然氣擴散濃度（低速泄漏）Fig.4 Natural gas diffusion concentration（low speed）

圖 2為當管道高速泄漏（泄漏速度為 626.1 m/s）時天然氣擴散濃度分布。由圖可見，天然氣從泄漏口噴射出來后，向上形成射流。噴射瞬間天然氣具有巨大的動能，支配著氣體的擴散。泄漏口附近天然氣的濃度最高，擴散過程中天然氣不斷與空氣混合，豎直方向上隨著擴散距離的增加，水平方向的擴散距離也在不斷增大，而天然氣濃度逐漸減小。由圖3可以看出，當管道中速泄漏（泄漏速度為100 m/s）時，天然氣擴散濃度低于高速泄漏時的濃度，但在泄漏口處，天然氣擴散濃度較大，豎直方向和水平方向上的天然氣擴散趨勢與高速泄漏時相同，而擴散范圍小于高速泄漏。豎直方向不同高度范圍內的天然氣濃度相差較大，但天然氣擴散濃度均呈對稱分布。而由圖4可以看出，當管道低速泄漏（泄漏速度為5 m/s）時，天然氣從泄漏口噴射出來后，天然氣較小的動能和空氣浮力支配著天然氣的擴散，豎直方向和水平方向上的天然氣擴散范圍明顯低于中速泄漏時的范圍，天然氣擴散濃度較小，只在泄漏口處擴散濃度較大，而且在射流束的周圍有較為明顯的回流。

在激光檢測過程中，假設在管道兩側50 m位置設置采樣點、分別維持激光檢測高度在80，90，100和110 m等4個不同的高度，并以一定速度巡檢泄漏點，天然氣管道高速泄漏、中速泄漏和低速泄漏等三種泄漏速度下不同高度的激光檢測信號結果如圖5、圖6和圖7所示。

圖5　不同探測高度下激光檢測信號強度圖（高速泄漏）Fig.5 Laser detection signal intensity at different detection levels（high speed）

圖5為天然氣管道高速泄漏時，不同探測高度下的激光檢測信號強度圖。由圖可知，探測高度不同時，泄漏口豎直方向上激光檢測信號強度最弱，這是由于天然氣吸收的緣故，從而也說明此處的天然氣擴散濃度最大，探測高度越低，激光檢測信號強度越弱。當探測高度H=80 m時，在-20 ＜x＜20范圍內，激光檢測信號強度從泄漏口位置依次向兩側增加，光譜值對稱分布，這說明天然氣擴散濃度逐漸向兩側減??；在x＜-20，x ＞20范圍內，激光檢測信號強度較大，說明此處天然氣吸收的激光較少，天然氣擴散的濃度較少。當探測高度H=90、100、110m時，在-30 ＜x＜30范圍內，激光檢測信號強度從泄漏口位置依次向兩側增加，隨著探測高度的增加，激光檢測信號強度越來越弱，均弱于探測高度H=80 m。在x＜-30，x ＞30范圍內，激光檢測信號強度大，激光基本不能檢測出天然氣擴散情況。

圖6　不同探測高度下激光檢測信號強度圖（中速泄漏）Fig.6 Laser detection signal intensity at different detection levels（medium speed）

圖6為天然氣管道中速泄漏時，不同探測高度下的激光檢測信號強度圖。由圖可知，同高速泄漏一樣，探測高度不同時，泄漏口豎直方向上激光檢測信號強度最弱，天然氣擴散濃度最大。當探測高度H=80、90 m時，在-20 ＜x＜20范圍內，激光檢測信號強度從泄漏口處依次向兩側增加，強于相同探測高度下的高速泄漏，從而說明天然氣擴散濃度在相同位置處小于高速泄漏；在x＜-20，x ＞20范圍內，激光檢測信號強度較大，天然氣擴散的濃度較少。當探測高度H=100、110 m時，在-30 ＜x＜30范圍內，激光檢測信號強度從泄漏口位置依次向兩側增加，隨著探測高度的增加，激光檢測信號強度越來越弱，均弱于探測高度 H=80、90 m。在 x ＜-30，x ＞30范圍內，激光檢測信號強度大，激光基本不能檢測出天然氣擴散情況。

圖7　不同探測高度下激光檢測信號強度圖（低速泄漏）Fig.7 Laser detection signal intensity at different detection levels（low speed）

圖7為天然氣管道低速泄漏時，不同探測高度下的激光檢測信號強度圖。與高速泄漏和中速泄漏相比，激光檢測信號強度有了明顯不同。在4種探測高度下，泄漏口豎直方向上激光檢測信號強度最弱。在-30 ＜x＜30范圍內，激光檢測信號強度從泄漏口處依次向兩側增加，明顯強于相同探測高度下的低速泄漏，天然氣擴散濃度在相同位置處比低速泄漏小的多；在x＜-30，x ＞30范圍內，激光檢測信號強度大，曲線趨于水平，激光基本不能檢測出天然氣擴散情況。在同一泄漏速度下，隨著探測高度的增加，激光檢測信號越來越弱，天然氣擴散濃度越來越大。

3　結 論

本文建立了架空天然氣管道泄漏擴散和激光檢測過程模型，采用數值方法分析了天然氣管道泄漏速度和不同探測高度下對其氣體擴散和激光檢測的影響，得出如下結論：

（1）天然氣管道泄漏速度對其氣體擴散影響較大。其中高速泄漏時天然氣擴散濃度呈錐形分布、射流中心處的天然氣濃度最高，中速泄漏時天然氣擴散濃度呈對稱分布、豎直方向上不同高度范圍天然氣擴散濃度相差較大，低速泄漏時天然氣擴散濃度較小，射流束周圍有較為明顯的回流。

（2）探測高度對激光檢測信號強度也有一定的影響。其中，在同一泄漏速度下，隨著探測高度的增加，激光檢測信號強度越來越弱；在同一探測高度下，中速泄漏時激光檢測信號強度稍強于高度泄漏，明顯弱于低速泄漏。

［1］ Kirti Bhushan Mishra， Klaus-Dieter Wehrstedt. Underground gas pipeline explosion and fire： CFD based assessment of foreseeability［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2015（24）：526-542.

［2］ 肖國清，肖仁杰，陳云龍，等. 天然氣門站泄漏擴散模擬研究［J］.工業安全與環保，2016（02）：41-45.

［3］ 魏秋林，李祥，藏玉霞. 天然氣管道泄漏問題分析及處理技術［J］.化工管理，2013（16）：134.

［4］ 李勇，王衛強，王國富，等. 水下天然氣管道泄漏擴散數值模擬［J］. 當代化工，2015（12）：2861-2863.

［5］ 闞玲玲，梁洪衛，高丙坤，等. 基于次聲波的天然氣管道泄漏檢測系統設計［J］. 化工自動化及儀表，2011（06）：653-655.

［6］ 莊須葉，王浚璞，鄧勇剛，等. 光纖傳感技術在管道泄漏檢測中的應用與進展［J］. 光學技術，2011（05）：543-550.

［7］ 張帥，劉文清，張玉鈞，等. 一種移動式遙測天然氣泄漏檢測儀［J］. 光譜學與光譜分析，2012（02）：570-574.

［8］ 李正文，亓洪興，肖功海，等. 機載紅外激光雷達監測天然氣管道泄漏技術［J］. 紅外與激光工程，2011（12）：2398-2402.

［9］ 張帥，劉文清，張玉鈞，等. 基于激光吸收光譜技術天然氣管道泄漏定量遙測方法的研究［J］. 物理學報，2012，61（5）：50701-050701.

［10］ Xiaoming Gao， Hong Fan， Teng Huang， et al. Natural gas pipeline leak detector based on NIR diode laser absorption spectroscopy［J］. Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy， 2006， 65（1）：133-138.

［11］ 李靜，魯旭濤，楊澤輝. 基于多特征波長光譜分析的天然氣泄漏遙測系統［J］. 光譜學與光譜分析，2014（05）：1249-1252.

［12］ 常岐海，于殿強，董金婷，等. 高含硫天然氣集輸管線激光檢測技術研究［J］. 油氣田地面工程，2009（01）：24-25.

［13］ K.I.Bushmeleva， I.I.Plyusnin， P.E.Bushmelev， et al. Modeling the optimal parameters for a remote sensing device ［J］. Measurement Techniques， 2011， 54（3）：294-299.

［14］ 李克，李振林，宮敬，等. 天然氣管道小泄漏高空激光檢測試驗［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），2010（01）：129-133.

［15］ 付吉強，熊新強，王蕓，等. 架空含硫天然氣管道泄漏擴散數值模擬研究［J］. 當代化工，2011（10）：1079-1083.

［16］ 高永強. 架空天然氣管道泄漏數值模擬［J］. 當代化工，2014 （04）：655-658.

［17］ 黃雪馳，馬貴陽，張一楠，等. 風力因素對天然氣管道泄漏擴散影響的數值模擬［J］. 遼寧石油化工大學學報，2015（04）：30-35.

［18］ 李朝陽，馬貴陽，徐柳. 架空及埋地天然氣管道泄漏擴散數值研究［J］. 中國安全生產科學技術，2011（07）：66-69.

［19］ 王赟，李曉青，孫建宇，等. 基于Fluent的坡面天然氣管道破裂泄漏擴散模擬［J］. 中國安全生產科學技術，2014（S1）：89-93.

［20］ 劉富君，凌張偉，孔帥等. 天然氣管道泄漏擴散實時計算與燃爆危害預測研究［J］. 壓力容器，2010（10）：21-29.

Effect of Leakage Velocity on Laser Detection of Natural Gas Pipeline Leaking g

WANG Li-li1，WANG Meng-zhu1，LV Yan2，QI Han-bing1，LI Dong *1
（1. Heilongjiang Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation and Protection Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Daqing Petrochemical Company Information Technology Center, Heilongjiang Daqing 163318, China）

The leakage of natural gas pipeline has great threat, and laser technology is an important method of detecting natural gas pipeline leakage, but natural gas diffusion process has an obvious influence on laser detection. In this paper, overhead natural gas pipeline leakage and diffusion model was established, and natural gas pipeline leakage and diffusion process with different leakage velocity was analyzed numerically. Then influence of leakage velocity on laser detection under different detection height was discussed. The results show that at the same leakage velocity, with the increase of detection height, signal strength of laser detection is weaker and weaker. At the same detection height, signal strength of laser detection of the leakage with medium velocity is stronger than that with high velocity, and is obviously weaker than that with low velocity.

natural gas pipeline; laser detection; leakage velocity; detection height; numerical simulation

李棟（1979-），男，副教授，博士，研究方向：管道泄漏激光檢測技術研究。E-mail：lidonglvyan@126.com。

TE 832

A

1671-0460（2016）05-1096-05

中國石油科技創新基金研究項目，項目號：2015D-5006-0605，中國博士后科學基金資助項目，項目號：2014M560246。

2016-03-29

王莉莉（1975-），女，黑龍江省齊齊哈爾人，副教授，碩士，2003年畢業于東北石油大學防災減災工程及防護工程，研究方向：從事天然氣管道泄漏檢測與安全評價研究工作。E-mail：wllqzt@sina.com。