一种燃气管网泄漏快速定位及泄漏量确定方法

邢琳琳， 解东来， 祁丽荣， 韩金丽

(1.北京市燃气集团有限责任公司，北京100035； 2.美国环保协会，纽约10010)

1 概述

燃气管网是城市的生命线，其安全运行关系到人民生命财产安全以及能源供给安全。城市燃气管网所处环境复杂，在地下纵横交错，服役时间长、规模巨大。由于管道腐蚀老化、第三方破坏等原因引起的燃气泄漏事故频发，极大影响了人民群众生命财产安全和城市能源供应[1]。甲烷泄漏不但关系到城市生命线的安全供应，造成资源浪费，也会对气候变化产生不利影响。甲烷是具有快速增温效应的短寿命强势温室气体，其在大气中寿命为12 a，在20年尺度下的全球增温潜势(GWP20)约为二氧化碳的84倍，在100年尺度下则为二氧化碳的28倍。甲烷排放在目前人为感知的温室气体全球变暖中的贡献率达到了25%。政府间气候变化专门委员会IPCC发布的特别报告明确指出，甲烷等非二氧化碳温室气体的深度减排是将全球升温控制在1.5 ℃以下的必要条件[2]。

传统的燃气管道泄漏检测普遍采用各种精度的甲烷浓度检测仪，对管道沿线进行甲烷体积分数检测，检测平台不同，泄漏定位的速度会不同，汽车、摩托车等机动平台检测速度相对较快，而人工巡线则较慢。同时，甲烷浓度检测仪精度不同，所能探测到的泄漏量大小会不同。美国科罗拉多矿业学院的Ulrich等人对地下管道泄漏的实验研究表明，当地下管道的泄漏率是0.52 kg/h，地面风速为2 m/s时，泄漏出地面10 cm范围内的甲烷体积分数迅速降低到0.01 %以下，甲烷浓度检测仪的精度需达到10×10-6以上才能探测到埋地燃气管道泄漏[3]。目前泄漏检测的另一个技术瓶颈是只能探测甲烷体积分数，开放式激光检测仪只能探测甲烷柱浓度，不能量化泄漏率，从而无法估算甲烷排放量。

为解决以上传统燃气泄漏检测的不足，美国科罗拉多州立大学(CSU)Von Fisher教授团队在美国环保协会的资助下，研发了一种利用车载高精度甲烷浓度检测仪及地理位置定位系统确定燃气输配系统泄漏点位置及泄漏率的快速方法[4-5]，在美国加利福尼亚州4个城市进行了量化验证[6]，并在美国其他多个城市和地区进行了应用[7]，北京市燃气集团有限责任公司目前也在对该方法进行实测验证。本文对该方法及其研发过程、验证情况进行介绍，并提出了一些改进建议，希望该方法可在中国应用，并得到改进，以提高我国城市燃气输配运营水平。

2 方法介绍

2.1 设备

这种快速检测方法主要有3个核心设备，包括高精度甲烷浓度分析仪、地理位置定位(GPS)系统、车辆平台。CSU团队在方法研究过程中采用谷歌街景(GSV)汽车3辆；GPS系统是Hemispheres A100 GPS，安装在车辆顶部，采样频率是1 Hz，定位精度为m级；甲烷浓度分析仪是PicarroG2301高精度CH4分析仪，采样频率是2 Hz，精度为8.6×10-9。为了验证风速对测试结果的影响，在研发测试中配备了Climatronics 102779 二维风速仪，在车顶安装，但在所研发的泄漏量化公式中并未采用风速作为量化指标。

2.2 泄漏检测及定位方法

车载检测系统行驶速度在70 km/h以内，每条路巡查2次及以上，高精度甲烷浓度分析仪采集检测点的甲烷体积分数，GPS系统记录检测点的位置信息。当检测到的甲烷体积分数有2次及以上超过背景体积分数(背景体积分数指在没有明显的甲烷源或虽有甲烷源而不排放污染物的条件下，由环境风从其他地区输送过来的甲烷体积分数)10%时，即可判断有泄漏发生，并利用GPS系统记录泄漏点的坐标。由于空气从采样口进入到甲烷浓度分析仪有约5 s的时间延迟，需要对在给定位置吸入气体与分析仪报告CH4体积分数之间的滞后时间进行校正，以确保泄漏源的精准位置。同时，GPS定位系统和高精度甲烷浓度分析仪的采样频率分别是1 Hz和2 Hz，两次GPS定位之间的甲烷体积分数分析的地理位置需要进行插值计算[4-5]。当甲烷体积分数数据测试发生以下几种情况时，判断为未泄漏，但作为异常数据进行报告：

① 车速大于70 km/h；

② 甲烷体积分数升高的距离超过160 m以上；

③ 甲烷平均背景体积分数大于2.8×10-6；

④ GPS 坐标发生漂移；

⑤ 空气从采样口进入到甲烷浓度分析仪的时间延迟超过5 s。

2.3 泄漏量化方法及分级

如前所述，在泄漏检测过程中，GPS系统记录了每个甲烷体积分数对应的地理信息，即可测算相邻两次甲烷体积分数测试点的距离。一个典型的泄漏点甲烷体积分数测试结果见图1，图1中最大甲烷体积分数增量是点A与甲烷背景体积分数(图1中虚线对应的甲烷体积分数)的差。甲烷体积分数曲线与甲烷背景体积分数线组成的图形面积为甲烷体积分数增量对距离的积分，记为甲烷线浓度。通过大量的测试，CSU团队初步发现甲烷泄漏率可以用公式(1)来拟合：

图1 典型的泄漏点甲烷体积分数 测试结果随车行驶距离的分布

lgqV=0.117 8+0.082 67φmax-0.005 175B+

0.086 26d

(1)

式中qV——甲烷泄漏率，L/min

φmax——最大甲烷体积分数增量，即实测甲烷体积分数减去甲烷背景体积分数

B——甲烷线浓度，即甲烷体积分数增量对距离的积分，m

d——甲烷线浓度与最大甲烷体积分数增量的比值，m

在后续的实际测试中，发现公式(1)估算的泄漏率比实测结果偏高，尤其是在小泄漏率的情况下，偏差较大。CSU团队又提出了一个相对简单且与实际泄漏率更加符合的公式：

lnφmax=-0.988+0.817lnqV

(2)

燃气泄漏率的大小，即泄漏率的分级，对于确定维修、抢修优先级更有意义。在该方法的研发阶段，CSU团队将泄漏率分为低中高3级，分别为低泄漏率(小于3.9 g/min)、中泄漏率(3.9～26 g/min)、高泄漏率(>26 g/min)。后期在方法验证阶段，将低泄漏率分级调整为小于1.6 g/min，相应的中泄漏率调整为1.6～26 g/min，高泄漏率范围不变。这个新的分级参考了美国华盛顿州立大学Lamb教授团队在美国城市燃气管道泄漏采样计划中使用地面集气法和示踪剂比例法两种方法测得的泄漏率[8]。

3 方法研发过程

CSU团队的泄漏定位方法是通过试验验证，并通过统计学理论估算在相同地点、不同测试次数的准确度。泄漏量化方法是通过试验数据，用统计学理论确定泄漏率的3个重要特征参数：最大甲烷体积分数增量、甲烷线浓度、甲烷线浓度与最大甲烷体积分数增量的比值(实际应是两个独立变量，文献[4]中描写为3个参数)，并用最小二乘法拟合出泄漏率与上述3个变量的经验公式。

文献[4]所述的试验验证分为两个阶段。阶段1是在CSU团队所在城市Fort Collins的一个废弃飞机场进行的开阔空间的校准试验，试验数据用于拟合经验公式(1)。阶段2是在Fort Collins市区进行，在城市条件下对公式(1)进行了验证。两个阶段的试验，共进行了276次车载测试，捕获了51个受控条件(日期、位置、释放速率、车辆ID和驾驶速度等)。试验中的甲烷释放速率为1～45 L/min，涵盖了城市管网中常规泄漏量的范围。详细的试验条件见表1。

表1 验证试验的试验条件

对于在Fort Collins废弃机场的两次校准试验，CH4释放速率分别为2、10、20、40 L/min，车载测试甲烷体积分数的过程中，检测车行驶路线与释放点的垂直距离分别为5、10、20和40 m，每种条件重复5次测试。

在Fort Collins市区的3次验证试验，选择的路段分别是主干道、中等流量车道、安静的社区3种情况，CH4释放速率分别是 0.5、1、10、25、45和50 L/min；释放点距车道边缘50 cm，检测车行驶路线到释放点的垂直距离为5～21 m不等，车辆行驶速度为15～40 km/h。每种条件重复4～6次测试。

校准试验的主要发现如下：甲烷背景体积分数为(1.97 ± 0.09)×10-6。在所有的甲烷释放速率 (2～40 L/min)下，当车辆行驶路线距离释放点垂直距离≤20 m时，车载设备检测到的甲烷体积分数都会超过背景体积分数10%以上。当车辆行驶路线距离释放点垂直距离40 m时，车载设备有时会检测到甲烷体积分数超过背景体积分数10%以上，有时不会。通过统计学中的方差分析发现，甲烷释放速率与测得的甲烷体积分数增量、甲烷线浓度、甲烷线浓度与最大甲烷体积分数增量的比值密切相关，而与行驶路线、与释放点的垂直距离、车辆没有关系。通过最小二乘法拟合，可以得到甲烷释放速率与上述3个变量的关系，用公式(1)描述。

4 方法验证

车载式快速泄漏检测及量化方法明确后，CSU团队先在美国波士顿、伯灵顿、福蒙特州、史坦顿岛、雪城等7个城市进行了泄漏实测[7]，后在加利福尼亚州4个城市的燃气公司进行了定位准确度和量化准确度的实测验证。

4.1 城市实测

以在美国波士顿的一次实测为例，2013年3月12日7:50—8:53，检测车检测了7 363 个数据点，检测到大气中甲烷体积分数最小值为1.87×10-6，平均值为2.01×10-6。用于判断天然气泄漏的甲烷体积分数阈值中位数为2.16×10-6。在这63 min的测试中，发现17处甲烷体积分数超高。

在波士顿的测量中，CSU团队研究了风速对检测结果有无影响。在波士顿市GSV车辆识别出了8 207次泄漏，在测得泄漏率的同时，车载风速仪也测得了当时的风速。通过统计分析发现，风速变化对泄漏率估值几乎没有影响，或者影响很小。详细的统计学分析参见文献[4]。在史坦顿岛的实测中，研究人员测试了泄漏测量的可重复性。从2013年11月到2014年3月，研究人员14次驾车检测某一特定地点，其中7次测得了泄漏。尽管每次测得的最高CH4体积分数不同，但体积分数随空间的变化形态明显符合天然气泄漏的特点。

研究者在美国一个城市进行了长达9个月的摸排工作。在这9个月的检测中，共发现138个泄漏点，平均每个泄漏点进行了20次检测，其中，发现泄漏的平均次数是7次，平均有36%的泄漏点能够在第一次检测中被发现。对于不同级别的泄漏，研究者发现，对于小于3.9 g/min的泄漏，一次检出的概率为35%；对于3.9～26 g/min的泄漏，一次检出的概率为63%；超过26 g/min的泄漏一次检出的概率为74%。统计学分析表明，如果要检测到一个城市90%以上的泄漏点，需要进行8～9次检测。

4.2 泄漏定位和量化的实测验证

文献[6]描述了CSU团队在加利福尼亚州4个燃气公司进行的泄漏定位及量化的实测验证。验证过程如下：CSU团队先进行车载泄漏检测，将测得的泄漏点位置报告给燃气公司，燃气公司派人对报告的泄漏点进行验证，最后燃气公司与CSU团队共同到现场进行泄漏点存在与否的验证，并用地面集气法[8]和示踪剂比例法[8]验证泄漏率。

验证过程中发现，在CSU团队在城市A和城市B检测到的泄漏点中，当地燃气公司派出巡查人员现场检测后，有超过80%的泄漏点未能被燃气公司的巡查人员发现，详情见表2。

表2 燃气公司对车载检测泄漏点的验证情况

随后，CSU团队与当地燃气公司组成联合验证组到现场，对那些燃气公司巡线人员未发现的泄漏点(城市A有32处，城市B有31处)重新进行验证，验证结果见表3。由表3可以看出，车载检测探测到的燃气泄漏，总体是准确的，但燃气公司的巡线人员却发现不了这些泄漏。原因应该是，燃气公司巡线人员所采用的甲烷体积分数检测设备的灵敏度为(3～5)×10-6，而CSU团队采用的设备是10-9级别的。对于探测到的城市A的18处需要修复的天然气泄漏，当地燃气公司采用手持式甲烷泄漏遥测仪有一半还是检测不到。

表3 联合验证组对燃气公司 未发现的泄漏点的重新验证结果

在城市C和D，对泄漏点定位的误差进行了研究。实测发现，对于泄漏点位置，车载检测所指示的位置与实际泄漏位置之间的平均距离误差为31 m。

在城市C和D，对用公式(1)估算的泄漏率与地面集气法测得的泄漏率进行了比较；在城市D，对用公式(1)估算的泄漏率与示踪剂比例法测得的泄漏率进行了比较。从比较结果得知，用公式(1)估算的泄漏率比实测结果偏高，尤其是在小泄漏率的情况下，偏差较大。因此在后续的研究中，研发人员提出了采用公式(2)量化泄漏率，精度得到了提高[5]。

5 在中国应用的改进建议及前景分析

5.1 该方法的改进建议

① 目前该方法对泄漏点的定位属于盲测，纯粹基于车载设备测量大气中的甲烷体积分数及相应的地理位置信息。目前许多燃气公司都建立了地理信息系统，如果在定位分析中结合燃气管位信息，对预测的泄漏点位置进行修正，定位精度会大大提高。

② 美国大部分城市人口密度低，街道、道路较窄。中国城市人口密度高，街道、道路较宽。在我国应用此方法时，尤其是在沿较宽的道路进行检测时，建议将道路一分为二，不同行驶方向各作为一条道路，有望提高定位精度。

③ 量化方法从公式(1)到公式(2)，研究团队也一直在改进完善。未来中国的应用可以对泄漏率量化经验公式进行进一步的验证和完善。

5.2 在中国应用的前景分析

① 车载式快速泄漏检测可为城市燃气管网泄漏和安全管理提供支撑。可在较短时间内，快速掌握管网泄漏情况，大大提升巡检效率，有效降低人工运行成本。可应用于燃气管道的日常巡检、隐患排查、燃气泄漏监测、城市燃气管网泄漏评估以及重大政治任务、大型活动和重点区域的燃气管道保驾等场景。

② 车载式快速泄漏检测和量化方法为我国城市燃气行业及时掌握天然气泄漏率提供了参考和依据。该方法提供了一种简单的测试和计算模型，及时掌握管网泄漏率，从而为科学制定城市燃气管网修复计划提供依据，确保城市公共安全，减少事故发生。

③ 该方法为我国城市摸清节能减排工作提供探索路径，通过优先修复风险高、泄漏率大的管道，能够掌握不同城市、不同区域的甲烷排放情况，有效降低较大城市、区域的天然气输配和运行环节的甲烷排放量，气候和环保效益显著。

致谢：本文撰写过程中遇到的技术问题，得到了科罗拉多州立大学 (CSU)Von Fisher和Weller教授的热心解答。