摘 要

摘　要：利用Pipeline Studi0软件对实验室燃气管网泄漏检测系统进行数值模拟，通过气源点及负荷点边界条件的不同，求得不同工况下不同泄漏量对管网各管段流量及各节点压力的影响，

摘　要：利用Pipeline Studi0软件对实验室燃气管网泄漏检测系统进行数值模拟，通过气源点及负荷点边界条件的不同，求得不同工况下不同泄漏量对管网各管段流量及各节点压力的影响，分析不同边界条件下的管网泄漏规律。

关键词：泄漏诊断  中压管网  泄漏检测系统  模拟实验  数值模拟

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

随着国家节能减排政策的实行，天然气作为一种清洁能源，越来越受到大中型城市的重视，燃气行业迅速发展。城市燃气管网在城市社会经济发展中的地位日益重要，已成为城市重要的生命线工程之一。因此，城市燃气管网的安全、稳定运行至关重要，对燃气管网泄漏的快速诊断、精确定位已迫在眉睫。

鉴于天然气具有易燃、易爆的高危险性以及稳定供气对居民用户正常生活、工业用户安全稳定生产的重要性，我们不可能在真实的天然气管道上进行打孔以及随意更改气源点压力、流量等实验。为此，我们搭建了实验室燃气管网泄漏检测系统，对城市燃气管网进行模拟实验。本文利用软件Pipeline Studio对实验室燃气管网泄漏检测系统的泄漏诊断进行数值模拟，以期能够对城市管网的快速诊断提供依据及参考。

2　实验室燃气管网泄漏检测系统的搭建

燃气管网泄漏检测系统以模仿城市中压燃气管网为主，可进行泄漏检测、泄漏点快速定位、SCADA系统监测点选取及优化等实验。该系统管网采用公称直径为40mm，壁厚为3mm的U-PVC管搭建，每根管段的当量长度均为26m，粗糙度为0.003mm^[1]。在实际的实验室模拟实验中，采用空气代替燃气作为运行介质。将燃气模拟管网系统中各节点用a～h，a1～h1表示，各管段用l～24表示。燃气模拟管网系统示意图见图1。

 

在本文的模拟实验中，节点a通过调压器等连接储气罐作为模拟管网的气源点，节点g通过等径管段将空气直接排入室外来模拟负荷点，节点e1连接球阀作为泄漏点，通过对球阀开度的控制可以模拟不同的泄漏量，也可以根据实验需要对管网任意位置进行泄漏点、负荷点的布置或压力监测。设定球阀不同开度时的泄漏量与球阀全开时泄漏量的比值为泄漏系数，即球阀全开时泄漏系数为l00％，球阀全闭时泄漏系数为0。

为了更为直观地观察到管网各点的压力，判断该管网是否已发生泄漏以及定位泄漏点的位置，建立了管网的压力特征向量图。在压力特征向量图中，以管网示意图为底面，以各个节点为始点，以该节点的压力值为长度，建立该节点竖直向上的特征向量。管网压力特征向量图见图2。

 

在图2中，将各特征向量的终点以平滑的曲线连接起来，可以形成一个该管网压力特征曲面。正常工况时，该特征曲面为以气源点压力为最高值，负荷点压力为最低值的近似平滑的曲面。当该实验平台某点发生泄漏时，该点的压力降低，压力特征向量减小，则压力特征曲面在泄漏点附近出现“凹面”，附近连接压力特征向量的曲线的斜率发生变化。

管网具有不同的运行工况时，如单气源点或者多气源点管网以及气源点位置不同，单负荷点或者多负荷点以及负荷点位置不同，管网的压力特征向量图都是不同的，管网不同的环、不同的位置出现泄漏时对压力特征向量的影响更是不同。在大量模拟数据以及实验数据的基础上，对各种不同工况下的泄漏进行分析，可以依据压力特征向量图对其是否发生泄漏以及泄漏点位置进行判定^[2]。

实验室燃气管网泄漏检测系统的搭建应与城市实际中压燃气管网具有相似性，除了要满足雷诺相似定理、流动处于阻力平方区以外，还要满足其他的一些相似条件。只有严格满足了相似理论，燃气管网泄漏检测系统对于城市实际中压燃气管网才具有参照和指导意义。相似理论是燃气管网泄漏检测系统搭建的理论基础，从管网流动的基本方程旧。可以推导出搭建管网应满足的相似准则。

一般情况下，燃气在管网内的流动为不稳定流动，不稳定流动的运动方程为：

 

式中r——燃气密度，kg／m³

w——燃气速度，m／s

t——时间，s

x——管道轴向坐标，m

p——燃气绝对压力，Pa

g——重力加速度，m／s²

a——管道与水平面夹角，rad

l——管道摩阻系数

D——管道内径，m

不稳定流动的连续性方程为：

 

不稳定流动的状态方程为：

p=ZrRT      　　　　　　　　        (3)

式中Z——压缩因子

R——气体常数，J／(kg·K)

T——燃气温度，K

由上述方程可得到两个相似准则(本文定义为严铭卿长度相似准则和严铭卿流量相似准则)。

严铭卿长度相似准则为：

 

式中YL——严铭卿长度相似准则数

L——管道长度，m

严铭卿流量相似准则为：

 

式中Yq——严铭卿流量相似准则数

qv——燃气体积流量，m³／s

按相似理论，要使实验室燃气管网泄漏检测系统的实验结果能够应用到城市实际燃气管网中去，需要燃气模拟管网的水力工况与实际的燃气管网的水力工况相似。这就要求两个系统的单值性条件相似，相似准则数相等^[4]，即两个系统的严铭卿长度相似准则数相等：

YL1＝YL2 　　　　　　　　　　　　　   (6)

式中YL1——实际管网严铭卿长度相似准则数

YL2——模拟管网严铭卿长度相似准则数

两个系统的严铭卿流量相似准则数相等：

Yq1＝Yq2         　　　　　　         (7)

式中Yq1——实际管网严铭卿流量相似准则数

Yq2——模拟管网严铭卿流量相似准则数

本文中上述试验平台各参数都是以相似理论为依据确定的。

3　软件对检测系统管网的模拟

3.1　Pipeline Studio软件简介

管道仿真Pipeline Studio软件是英国ESI(Energy Solution International)公司推出的一款可以为气、液管网的稳态和瞬态水力分析提供图形环境并进行组态、操作及分析的软件，按照一定的时间间隔对系统内各点的参数(压力、流量等)进行采集并形成报告。本文工作是用Pipeline Studio软件中的气体模拟器TGNET进行稳态模拟计算。

城市燃气管网设计计算工况是指管道系统的流量满足最大负荷(即计算流量q)、负荷点前的压力为额定压力Pn，负荷点的流量为额定流量qn时的工况^[5]，而城市燃气管网负荷是随着时间不断变化的。当管网气源点压力一定时，随着管网负荷的增加，管道中燃气流量增大，压力降也随之增大，负荷点的压力降低。管网负荷最大时，负荷点出现最小压力，而高中压管网末端的最小压力也应保证区域调压站能正常工作并通过用户在高峰时的用气量。若根据系统中负荷的变化改变气源点压力，就可大大提高用户处压力的稳定性。随着负荷的降低而使气源点压力随之降低，则负荷点前的压力将不会增加。为此，本文选择性地挑取两种最不利工况进行模拟：

工况l：气源点入口流量最大为0.4m³／s，负荷点最小压力不低于200kPa。

工况2：气源点入口压力最大为400kPa，负荷点最小压力不低于200kPa。

3.2　对工况1的模拟计算

本次TGNET模拟计算的边界条件如下：气源点入口流量最大为0.4m³／s，负荷点最小压力不低于200kPa，泄漏点为直径为20mm的孔洞，并通过对泄漏系数的设定模拟不同的泄漏量。本文模拟了泄漏系数为2.5％、5％、l0％、l2.5％、25％、50％以及100％等7种不同的泄漏情况^[6]。模拟结果见图3、4。图4～8的图例与图3相同。

 

 

由图4可得：压力值大的节点在气源点附近，管网中节点与气源点距离越远、与负荷点距离越近，节点压力越小。

对上述数据进行处理，求得工况l不同泄漏系数条件下各管段流量相对于正常工况流量的变化量，即正常工况时管段的流量减去泄漏工况时管段的流量，见图5。

 

对图5数据进行分析得：在界定管网最大负荷即气源点最大流量，负荷点最小压力的前提下，当泄漏量较小时，随着泄漏量的逐渐增大，管段流量变化量随之增大，且近似成正比；泄漏点附近管段流量较小的管段流量变化量较大；假定从气源点到负荷点形成的最短路径为主供气路线，主供气路线所在的管段流量较大。随着泄漏量的逐渐增大，管段5、管段6、管段16的流量逐渐增大，管段8、管段23的流量逐渐减小，说明主供气路线开始发生偏移。

对图4中的数据进行处理求得工况l不同泄漏系数条件下各节点压力相对于正常工况压力的变化量，即正常工况时节点的压力减去泄漏工况时节点的压力，见图6。

 

对图6数据进行分析得：在界定管网最大负荷即气源点最大流量，负荷点最小压力的前提下，节点e1压力变化量最大，节点h1、节点d1以及节点¦1压力变化量较大，说明泄漏时泄漏点附近压力变化量最大；随着泄漏量的增加，压力变化量随之增大，且近似成正比。排除压力稳定的负荷点外，节点h的压力变化量最小，节点a、节点e、节点d压力变化量较小，说明泄漏时靠近负荷点及气源点附近的节点压力较稳定。

3.3　对工况2的模拟计算

本次TGNET模拟计算的边界条件如下：气源点入口压力最大为400kPa，负荷点最小压力不低于200kPa，泄漏点为直径为20mm的孔洞，并通过对泄漏系数的设定模拟不同的泄漏量。本文模拟了泄漏系数为2.5％、5％、l0％、l2.5％、25％、50％以及100％等7种不同的泄漏情况。

利用Pipeline Studio的TGNET对上述工况进行模拟，求得模拟结果并进行数据处理，得出各种不同泄漏情况下各管段的流量及各节点的压力相对于正常工况的变化量，结果见图7、8。

 

 

对图7数据进行分析得：在界定管网气源点最大压力，负荷点最小压力的前提下，随着泄漏量的增加，流量变化量开始增大，且近似成正比；当发生泄漏时，泄漏点附近管段流量较小的管段流量改变较大。

随着泄漏量的增加，管段1、管段9的流量都增加，管段l的流量变化量比管段9大。泄漏工况时，管段5、管段6、管段16的流量有明显的增大，管段8、管段23的流量逐渐减小，说明主供气路线开始发生偏移。

对图8数据进行分析得：在界定管网气源点最大压力，负荷点最小压力的前提下，节点e1压力变化量最大，节点h1、节点d1以及节点¦1压力变化量较大，说明泄漏时泄漏点附近压力变化量最大；随着泄漏量的增加，压力变化量随之增大，且近似成正比。

4　讨论

对两种不同工况下的模拟结果进行横向对比，可以看到在界定不同的气源点及负荷点边界条件时，两种工况的流量变化趋势虽大体相同，但略有差别。两种工况条件下的管网发生泄漏时，管网的供气路线均发生了偏移。两种工况的压力变化趋势差异较大。

燃气管网发生泄漏时，管网泄漏点附近的压力变化量、流量变化量最大，都是随着泄漏量的增加而增加，且近似成正比，具有很强的规律性，方便了管网的泄漏检测及泄漏点的快速定位。但是当管网具有不同的气源点及负荷点边界条件时，尤其是在泄漏量较大时，该管网的压力变化量、流量变化量却略有差别，比如供气路线所发生的偏移量不同。

管网发生泄漏时，整个管网除了负荷点以外各节点的压力均有所减小，但节点e1、h1、d1的压力变化量最大，大于了整个环状管网压力变化的均值，这些节点附近的压力特征曲面会出现一个“凹面”，压力特征曲线的斜率变化也较大，可以判定出在节点e1、h1、d1附近出现了泄漏，且泄漏点位置靠近节点e1。依此为判定依据，可以大大缩小泄漏点的搜索域，更快地实现对泄漏点的定位，减小经济损失及社会危害。

 

参考文献：

[1]万宝清．PVC-U、PE80、PEl00三种给水管材在工程应用中的比较[J]．管道科技，2003(2)：2-5．

[2]王帅．燃气管网泄漏故障诊断的数值模拟研究(硕士学位论文)[D]．天津：天津城市建设学院，2011：28-36．

[3]严铭卿．燃气输配工程分析[M]．北京：石油工业出版社，2007：42-45．

[4]杨世铭，陶文铨．传热学[M]．4版．北京：高等教育出版社，2006：237-243．

[5]段常贵．燃气输配[M]．3版．北京：中国建筑工业出版社，2001：119-125．

[6]廖城．基于降维模式识别方法的燃气管网泄漏检测研究(硕士学位论文)[D]．天津：天津城市建设学院，2012：8-15．

 

本文作者：韩克顺　玉建军　焦娇娜　严铭卿

作者单位：天津城建大学