泄漏速度对激光检测天然气管道泄漏影响分析

王莉莉，王梦珠，吕 妍，袁也，李 栋*

（1. 东北石油大学 黑龙江省高校防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆 163318；　2. 大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆163318）



泄漏速度对激光检测天然气管道泄漏影响分析

王莉莉1，王梦珠1，吕 妍2，袁也3，李 栋*1

（1. 东北石油大学 黑龙江省高校防灾减灾及防护工程重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆163318）

天然气管道泄漏产生的危害极大，激光技术是检测管道泄漏的重要手段，但泄漏扩散过程对其检测存在一定的影响。建立了架空天然气管道泄漏扩散模型，数值分析了不同泄漏速度下管道泄漏天然气扩散过程，然后探讨了不同探测高度下其对激光检测的影响。研究结果表明：在同一泄漏速度下，随着探测高度的增加，激光检测信号强度越来越弱；在同一探测高度下，中速泄漏时激光检测信号强度稍强于高度泄漏，明显弱于低速泄漏。

天然气管道；激光检测；泄漏速度；探测高度；数值模拟

天然气完全燃烧后的产物是二氧化碳和水，是一种清洁、高效的能源，在我国得到了普遍的应用。天然气产业的发展有着优化能源结构、实现节能减排和环境保护的重要作用。天然气的主要运输方式是管道输送，但天然气管道穿越区域广、输送压力高、且易受到外界环境、管道自身缺陷等影响，导致管道泄漏事故屡有发生［1-4］，造成了重大的人员伤亡和财产损失，对社会稳定构成了极大的威胁，因此对天然气管道泄漏的检测显得尤为重要。

天然气管道泄漏检测方法较多［5-7］。近年来，激光凭借其高灵敏度，响应迅速，使用周期长等优点，广泛的应用于天然气泄漏检测领域［8-10］。李静等［11］采用多特征波长光谱分析算法优化了红外吸收法，通过实验对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测，实现了大范围长距离天然气泄漏的快速检测。常岐海等［12］基于调制半导体激光吸收光谱原理开发出站场和隧道CH4/H2S泄漏激光检测仪器，为我国高含硫天然气安全开发提供了保证。Bushmeleva等［13］建立管道遥感装置的计算机模型，通过计算激光雷达参数来选择最优设计值和探测路径。李克等［14］用直升机携带激光检测设备，采用软件模拟和试验验证方法确定天然气管道小泄漏后的扩散范围，检测了由小泄漏源产生的甲烷气团。上述文献表明激光技术能够有效的检测天然气管道泄漏，但实验表明天然气扩散过程对其激光检测有一定的影响［11-14］。影响天然气管道泄漏扩散的因素很多，而泄漏速度直接影响天然气扩散过程，但现有的研究中很少涉及到泄漏速度对天然气管道泄漏扩散的影响。付吉强等［15］建立了架空管道泄漏扩散控制方程，分析了泄漏口流速和风速对气体扩散规律的影响，得到甲烷的爆炸极限范围来确定最佳营救时间。高永强等［16］数值模拟了高含硫架空天然气管道泄漏，分析了风速、重力、泄漏量、输送压力等因素对管道泄漏后天然气扩散过程的影响，结果表明不同因素对天然气扩散影响程度不同。

根据目前国内外研究现状，本文以不同泄漏速度下天然气管道泄漏扩散气体为研究对象，建立了架空天然气管道泄漏扩散和激光检测过程模型，采用数值方法分析了天然气管道高速泄漏、中速泄漏和低速泄漏等3种情况的气体扩散过程，在此基础上进一步分析了距地面80、90、100、110 m高度下天然气泄漏扩散对激光检测的影响，为今后激光检测天然气管道泄漏提供了一定的参考依据。

1　理论模型

1.1泄漏扩散控制方程

天然气泄漏后在大气中的流动可看作自由射流，其遵循质量、动量和能量守恒。假定天然气扩散过程不发生化学反应，一般采用多组分物质运移模型。同时，假设满足定常流动，而其为湍流状态，采用标准 模型中修正Realizable模型［17-20］。经过假设后，天然气管道泄漏扩散控制方程如下所示：

式中，ρ为气态介质密度，kg/m3；uj为j方向的速度，m/s；xj为j方向传输长度，m。

式中，xi为i方向传输长度，m；ui为i方向速度、uj为j方向速度，m/s；P为压力，Pa；μt为湍流黏度，kg/(m•s)；ρa为空气密度，kg/m3；gi为重力加速度在i方向分量，m/s2。

式中：T为气态介质温度，K；σT为表面拉应力，Pa；cpv为天然气定压比热容，J/(kg•K)；cpa为空气定压比热容，J/(kg•K)；cp为混合气体定压比热容，J/(kg•K)；σc为表面压应力，Pa；ω为组分质量分数。

式中:Gk、Gb为湍流动能源项，Gk由平均速度梯度产生，Gb由浮力产生；Mγ 由获得，Mt为湍流马赫数，由计算获得，其中α为声速；Sk为用户自定义条件；μa为空气湍流黏度，kg/(m•s)。

式中，C1、C2、σk、 σε为计算参数；Sε为用计算获得，（R为气态介质的气体常数，i为传输气态介质的种类数）；C12、C3ε为计算参数，一般取经验值；户自定义条件；ρ 由。

1.2激光检测模型

激光检测天然气管道泄漏原理是基于气体分子对光谱的选择吸收特性。当激光扫过天然气管道泄漏点时，一部分激光能量被天然气吸收，根据回波功率和初始功率可以反演出天然气的浓度，从而确定天然气管道泄漏。采用朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律分析天然气管道泄漏气体吸收光能情况，其数学表达式为

式中：A为吸光度；T为透射比，即透射光与入射光的比值，I1/I0；b为吸收层厚度，cm；c为吸光物质浓度，一般用质量浓度（g/100mL）或摩尔浓度（mol/L）表示；k为光吸收比例系数，100 cm2/（g·mol）或103 cm2/mol。

然而，在天然气管道泄漏过程中，泄漏天然气在空气中分布不均匀，为此可采用积分形式进行激光传输能量损失的计算，其计算公式为

也可写成

式中，ci'为直线上任意段内天然气浓度值，。

当激光传输到地面，部分光束反射，而这部分反射的能量被探测器所检测，从而可以确定整个过程天然气的吸光度为

式中，ρ为地面对天然气的反射率。

1.3模型验证

采用文献［17］中的算例验证本文模型，其中模拟空间为正方形，其边长为100 m，管道距地面高为0.8 m，管道内天然气和环境温度均为300 K，环境压力为标准大气压，泄漏口直径为0.1 m，泄漏速度为100 m/s。模拟空间左边界为风速入口，风速为5 m/s，上边界和右边界均为压力出口边界且无回流，地面和管道非泄漏方向壁面均为壁面边界。采用Fluent软件求解模型，计算结果与文献对比如图1所示。

图1　天然气管道泄漏扩散结果（a：文献； b：本文）Fig.1 Results of natural gas pipeline leakage and diffusion （a:the literature； b:this paper）

由图1可以看出，本文模型计算的天然气泄漏扩散云团与文献结果基本一致，从而说明本文模型及求解方法的正确性。

2　数值结果分析

算例模拟空间为120 m×110 m，管道直径为700 mm，距地面高 10m，泄漏口为圆孔且直径为50 mm。天然气温度为 298.15 K。环境平均温度288.15 K，无风，环境大气压为1.013×105Pa。空气密度为1.225 kg/m3，粘度为1.789×10-5Pa•s，比热比为1.3，重力加速度为9.81 m2/s。天然气的主要成分为甲烷，计算过程中天然气按甲烷进行处理，甲烷密度为0.668 kg/m3，动力粘度为10.87×10-6Pa•s，运动粘度为14.5×10-6m2/s，定压比热容为1.545 J/(m3•K)，绝热指数为1.309。模拟空间上边界、左边界、右边界边均采用压力出口，地面和管道非泄漏方向壁面均为无滑移壁面。管道所在地势平坦，无障碍物，土壤对天然气不吸收且其反射率为0.4。

网格划分采用三角形网格，泄漏口附近加密处理，综合考虑计算条件和工程要求将计算网格进行了适当的逐渐稀疏处理。采用Fluent软件仿真天然气管道高速泄漏（泄漏速度为626.1 m/s）、中速泄漏（泄漏速度为100 m/s）和低速泄漏（泄漏速度为5 m/s）时天然气扩散过程，得到天然气扩散浓度分布如图2、图3和图4所示。

图2　天然气扩散浓度（高速泄漏）Fig.2 Natural gas diffusion concentration（high speed）

图3　天然气扩散浓度（中速泄漏）Fig.3 Natural gas diffusion concentration（medium speed）

图4　天然气扩散浓度（低速泄漏）Fig.4 Natural gas diffusion concentration（low speed）

图 2为当管道高速泄漏（泄漏速度为 626.1 m/s）时天然气扩散浓度分布。由图可见，天然气从泄漏口喷射出来后，向上形成射流。喷射瞬间天然气具有巨大的动能，支配着气体的扩散。泄漏口附近天然气的浓度最高，扩散过程中天然气不断与空气混合，竖直方向上随着扩散距离的增加，水平方向的扩散距离也在不断增大，而天然气浓度逐渐减小。由图3可以看出，当管道中速泄漏（泄漏速度为100 m/s）时，天然气扩散浓度低于高速泄漏时的浓度，但在泄漏口处，天然气扩散浓度较大，竖直方向和水平方向上的天然气扩散趋势与高速泄漏时相同，而扩散范围小于高速泄漏。竖直方向不同高度范围内的天然气浓度相差较大，但天然气扩散浓度均呈对称分布。而由图4可以看出，当管道低速泄漏（泄漏速度为5 m/s）时，天然气从泄漏口喷射出来后，天然气较小的动能和空气浮力支配着天然气的扩散，竖直方向和水平方向上的天然气扩散范围明显低于中速泄漏时的范围，天然气扩散浓度较小，只在泄漏口处扩散浓度较大，而且在射流束的周围有较为明显的回流。

在激光检测过程中，假设在管道两侧50 m位置设置采样点、分别维持激光检测高度在80，90，100和110 m等4个不同的高度，并以一定速度巡检泄漏点，天然气管道高速泄漏、中速泄漏和低速泄漏等三种泄漏速度下不同高度的激光检测信号结果如图5、图6和图7所示。

图5　不同探测高度下激光检测信号强度图（高速泄漏）Fig.5 Laser detection signal intensity at different detection levels（high speed）

图5为天然气管道高速泄漏时，不同探测高度下的激光检测信号强度图。由图可知，探测高度不同时，泄漏口竖直方向上激光检测信号强度最弱，这是由于天然气吸收的缘故，从而也说明此处的天然气扩散浓度最大，探测高度越低，激光检测信号强度越弱。当探测高度H=80 m时，在-20 ＜x＜20范围内，激光检测信号强度从泄漏口位置依次向两侧增加，光谱值对称分布，这说明天然气扩散浓度逐渐向两侧减小；在x＜-20，x ＞20范围内，激光检测信号强度较大，说明此处天然气吸收的激光较少，天然气扩散的浓度较少。当探测高度H=90、100、110m时，在-30 ＜x＜30范围内，激光检测信号强度从泄漏口位置依次向两侧增加，随着探测高度的增加，激光检测信号强度越来越弱，均弱于探测高度H=80 m。在x＜-30，x ＞30范围内，激光检测信号强度大，激光基本不能检测出天然气扩散情况。

图6　不同探测高度下激光检测信号强度图（中速泄漏）Fig.6 Laser detection signal intensity at different detection levels（medium speed）

图6为天然气管道中速泄漏时，不同探测高度下的激光检测信号强度图。由图可知，同高速泄漏一样，探测高度不同时，泄漏口竖直方向上激光检测信号强度最弱，天然气扩散浓度最大。当探测高度H=80、90 m时，在-20 ＜x＜20范围内，激光检测信号强度从泄漏口处依次向两侧增加，强于相同探测高度下的高速泄漏，从而说明天然气扩散浓度在相同位置处小于高速泄漏；在x＜-20，x ＞20范围内，激光检测信号强度较大，天然气扩散的浓度较少。当探测高度H=100、110 m时，在-30 ＜x＜30范围内，激光检测信号强度从泄漏口位置依次向两侧增加，随着探测高度的增加，激光检测信号强度越来越弱，均弱于探测高度 H=80、90 m。在 x ＜-30，x ＞30范围内，激光检测信号强度大，激光基本不能检测出天然气扩散情况。

图7　不同探测高度下激光检测信号强度图（低速泄漏）Fig.7 Laser detection signal intensity at different detection levels（low speed）

图7为天然气管道低速泄漏时，不同探测高度下的激光检测信号强度图。与高速泄漏和中速泄漏相比，激光检测信号强度有了明显不同。在4种探测高度下，泄漏口竖直方向上激光检测信号强度最弱。在-30 ＜x＜30范围内，激光检测信号强度从泄漏口处依次向两侧增加，明显强于相同探测高度下的低速泄漏，天然气扩散浓度在相同位置处比低速泄漏小的多；在x＜-30，x ＞30范围内，激光检测信号强度大，曲线趋于水平，激光基本不能检测出天然气扩散情况。在同一泄漏速度下，随着探测高度的增加，激光检测信号越来越弱，天然气扩散浓度越来越大。

3　结 论

本文建立了架空天然气管道泄漏扩散和激光检测过程模型，采用数值方法分析了天然气管道泄漏速度和不同探测高度下对其气体扩散和激光检测的影响，得出如下结论：

（1）天然气管道泄漏速度对其气体扩散影响较大。其中高速泄漏时天然气扩散浓度呈锥形分布、射流中心处的天然气浓度最高，中速泄漏时天然气扩散浓度呈对称分布、竖直方向上不同高度范围天然气扩散浓度相差较大，低速泄漏时天然气扩散浓度较小，射流束周围有较为明显的回流。

（2）探测高度对激光检测信号强度也有一定的影响。其中，在同一泄漏速度下，随着探测高度的增加，激光检测信号强度越来越弱；在同一探测高度下，中速泄漏时激光检测信号强度稍强于高度泄漏，明显弱于低速泄漏。

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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

李栋（1979-），男，副教授，博士，研究方向：管道泄漏激光检测技术研究。E-mail：lidonglvyan@126.com。

TE 832

A

1671-0460（2016）05-1096-05

中国石油科技创新基金研究项目，项目号：2015D-5006-0605，中国博士后科学基金资助项目，项目号：2014M560246。

2016-03-29

王莉莉（1975-），女，黑龙江省齐齐哈尔人，副教授，硕士，2003年毕业于东北石油大学防灾减灾工程及防护工程，研究方向：从事天然气管道泄漏检测与安全评价研究工作。E-mail：wllqzt@sina.com。