城市燃气输配管道泄漏监测实验系统设计

杜思雨， 薛 生，b， 郑春山，b

（安徽理工大学a.能源与安全学院；b.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南232001）

0 引 言

管道运输是城镇燃气输送的主要方式，管道材质主要有钢管和PE管两种［1］。虽然管道运输被认为是最安全的油气运输方式，但由于管道使用年限过久、三方破坏等原因导致燃气管道泄漏［2］。泄露的燃气会在土壤、大气中扩散，造成空气污染及经济损失。当燃气达到一定浓度时，可能引发爆炸，危及公共安全，甚至造成人员伤亡［3］。因此，及时探知泄漏的发生，并精确定位泄漏点的位置，为管道的修复赢得时间，是当今管道运输急需解决的问题。

近年来，国内高校搭建燃气管道系统，对管道泄漏问题展开研究。李祖鹏［4］设计了一套由长输管线作为气源的高中低三级管网输配系统，用来模拟目前常用的城市燃气管网输配系统，研究管道基本参数对燃气输量的影响，管线泄漏对工况的影响，管网压力平衡现象等；赵金辉［5］依据城镇燃气管道实际情况，搭建架空城镇燃气直管道、支状管道和环状管道综合实验系统，开展了不同泄漏孔径下的管道监测与定位研究；高华［6］敷设埋深约为0.5 m的直管道，研究埋地燃气管道的泄漏扩散规律、泄漏定位等；潘碧霞［7］搭建了大型气液管道实验系统，以非埋地液体管道、非埋地气体管道与埋地气体管道为研究对象，模拟泄漏工况，开展声发射信号传播特性等实验研究。

目前国内高校设计搭建的综合实验系统较少，且系统多以架空钢管为主，埋地管道较少，且现有埋土管道埋深较小。本文根据城镇燃气管道实际情况，设计了集合架空PE管、架空钢管、埋地PE 管、埋地钢管4种管道类型的综合管道系统；管道间连接、管道与变送器连接都选用法兰连接，为后续不同管径、不同泄漏点等研究提供了便利；实验系统架空PE 管采用支架保护措施，深埋管道采用土体框架，管道埋深最大可达1.6 m。

1 实验系统结构及工作原理

1.1 实验系统结构

实验系统的结构分为气源控制模块、架空环状管道模块、深埋土体管道模块及数据采集控制模块。气源控制模块由空压机、过滤器、冷干机、储气罐等组成，为管道提供气源；架空环形管道模块分为架空环状钢管模型、架空环状PE管道模型等组成；深埋土体管道模块分为深埋支状钢管模型、深埋支状PE 管道模型等组成；采集控制模块由各类变送器、高速采集卡、PLC等组成，其功能是对数据进行采集、分析、显示和阀门控制。实验系统结构如图1 所示。

1.2 实验系统工作原理

图1 实验系统结构图

开启空压机，气体通过空压机加压后，由过滤器对压缩气体中的粉尘、油、水进行捕捉、吸附，进入到储气罐，再经过分水排水器排去液态水，除油器高精度除去压缩空气中油分，后由冷干机对压缩气体进一步干燥。为了实现不同压力、不同流量，在实验区域前安装了精密的减压阀和球阀。实验区域管道由电动球阀控制，选择管道模型进行实验。数据采集模块实时采集变送器数据，上位机对数据进行分析、处理和可视化，对是否有过压、失压等进行安全判断和反馈。压缩空气经过实验区域管道后通过电动球阀的控制，汇入第2缓冲罐以保证整个测试管道内压力相对稳定，后经过由电动球阀控制的出口做放空处理，工作原理示意图如图2所示。

2 实验系统参数的确定及仪表选型

2.1 设计压力

《城镇燃气设计规范（GB50028—2006）》第6.1.6条规定［8］，燃气管道按照设计压力分为：高压燃气管道A（2.5 MPa ＜p≤4.0 MPa）、高压燃气管道B（1.6 MPa ＜p≤2.5 MPa）、次高压燃气管道A（0.8 MPa ＜p≤1.6 MPa）、次高压燃气管道B（0.4 MPa ＜p≤0.8 MPa）、中压燃气管道A（0.2 MPa ＜p≤0.4 MPa）、中压燃气管道B（0.01 MPa≤p≤0.2 MPa）、低压燃气管道（p ＜0.01 MPa）。规范要求，四级地区地下燃气管道压力不宜大于1.6 MPa，因此系统钢管设计压力为1.6 MPa，PE管设计压力为0.7 MPa。

2.2 管壁厚度

2.2.1 直管壁厚计算

图2 气源控制、架空管道和深埋管道工作原理图

当管道直径较小时，一般采用无缝钢管，钢管符合《输送流体用无缝钢管（GB／T8163—2018）》［9］规范要求。《城镇燃气设计规范（GB50028—2006）》第6.3.2条规定，燃气钢管管壁计算

式中：δ 为钢管壁厚，mm；σS为钢管最低屈服强度，MPa；p 为设计压力，MPa；F 为管道强度设计系数；D为钢管外径，mm；φ 为焊缝系数，根据GB50028 第6.9.4规定的钢管标准时取1.0。

设计时选用不同钢级计算来确定采用壁厚，表1是设计压力为1.6 MPa、公称管径DN125 的无缝钢管，管材钢种符合《石油天然气工业管线输送系统用钢管（GB／T9711—2017）》［10］。

表1 DN125 钢管不同钢种适用壁厚的比较结果

L245N 和L290N 钢级的管材在国内的长输管道工程中被广泛应用，受最小生产壁厚的限制，选用L245 钢级的无缝钢管时，钢管外径φ140 mm ×5.0 mm（20＃）。

2.2.2 弯管壁厚计算

《中国石油天然气管道工程有限公司企业标准（Q／SY-GD-SJ）》第5.2 条规定［11］，弯管成品管壁厚：

式中：δb为弯管的管壁计算厚度，mm；δ为弯管所连接的直管段钢管计算壁厚，mm；m为管壁厚度增大系数；R为弯管的曲率半径，mm；D为弯管的外直径，mm。

结合不同等级钢管的选用壁厚，分别对3 级和4级地区的弯管段壁厚进行计算（见表2），确定用无缝管制作，管径φ140 mm ×5.5 mm。依据《中国石油天然气管道工程有限公司企业标准（Q／SY-GD-SJ）》及《城镇燃气设计规范（GB50028—2006）》规定，对所选埋地管道进行管道强度校核、稳定性校核、径向稳定性验算等，均满足要求。

表2 线路用管及弯头用管表

2.2.3 PE管壁厚选取

聚乙烯管道依据材料的长期静液压强度的置信下限可分为PE32、PE40、PE63、PE80 和PE100 5 个等级，燃气输送用PE80 和PE100 等级的中／高密度聚乙烯管。根据《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第一部分：管材（GB15558.1—2015）》［12］，考虑管道的设计压力、设计温度、裂纹抵抗能力、刚度、埋深等，选用等级为PE100，SDR（标准尺寸比）11 的管材，PE 管道外径（140 ×11.4）mm。

2.3 埋地土体框架

埋地管道采用土体框架支撑（见图3），深埋土体框架采用钢结构和透明亚克力厚板组成，共5 层，每层高度400 mm，有效埋土面积约3.4 m3，共需埋土约17 m3。每层框架边框采用角铁、钢板和加强筋钢板整体焊接而成，实验用钢管和PE 管从下部第2 层框架通过。

2.4 水力计算

2.4.1 管道摩擦阻力

图3 深埋土体框架立体图

在实际城镇燃气网水力计算中，计算流量按高峰小时流量考虑，燃气流动按照稳定流量考虑。在稳态情况下，压力损失是由管道摩擦阻力与阀门开度阻力造成［13］。《城镇燃气设计规范（GB50028—2006）》附录C.0.2 规定，高中压钢管和PE管摩擦阻力公式为：

式中：p1为管道起点燃气的绝对压力，kPa；Re为雷诺数；p2为管道终点燃气的绝对压力，kPa；ν为燃气运动黏度，m2／s；L为燃气管道的计算长度，m；Δ 为管壁内表面的绝对粗糙度，mm；d 为燃气管道的管径，mm；T为设计中采用的燃气温度，K；Q0为标况下燃气管道的计算流量，m3／h；T0为标况下的绝对温度，273.15 K；λ为摩擦阻力系数；ρ为燃气的密度，kg／m3。

2.4.2 局部压力损失

当燃气流经阀门、变径管等管道附件时，会产生局部压力损失，可按下式计算：

式中：Δp2为局部阻力的压力损失，Pa；∑ζ为局部阻力系数总和；v为管段中的燃气流速，m／s。

为切合实际情况，实验介质选择天然气，球阀开度为全开，依据目前城镇管道的实际情况，选用经济流速范围，NG实验系统水力学计算：ρ ＝0.75 kg／m3，υ ＝15 mm2／s，Δ ＝0.1／0.01 mm，设计温度297.15 K，ζ ＝0.2（全开），公称管径为125 mm，ρa＝1.293 1 kg／m3。表3 为设计实验系统的水力计算。

表3 实验系统水力计算

2.5 热力计算

热力计算为实验系统选取合适的温度变送器提供了依据，实验系统的管道较短，忽略摩擦生热对沿程温降的影响，忽略压力变化引起的温降（焦耳-汤姆逊效应），采用简化的舒霍夫温降公式：

式中：K为总传热系数，W／（m2·K）；cp为定压热容比，kJ／（kg·℃）；T1为起点介质温度，℃；T2为终点介质温度，℃；T0为管道环境温度，℃；M 为实验管道运输量，m3／h。

埋地管K取值1.5 ～5 W／（m2·K）；D取值0.14 m；压缩空气的定压热容比cp＝1.4 kJ／（kg·℃）；管线起点介质温度T1取值20 ～40 ℃，埋地管道环境温度T0＝20 ℃，钢管、PE管道实验流速0.5 ～15 m／s，代入式（7）可得，埋地管道沿程温降最小值为0.01 ℃，沿程温降最大值为0.67 ℃。地上架空管总传热系数K取5 ～10 W／（m2·K），架空管道环境温度T0为20℃，架空管道沿程温降最大值0.71 ℃，沿程温降最小值0.51 ℃。因为保证温度测量的准确性，要选择精确度比较高的温度变送器。

2.6 实验系统仪表选型

依据实验管道流速设计与设计压力要求，选用上海德蒙压缩机械有限公司生产的空压机DM-75G-30，额定排气量为10 m3／min，额定排气压力3.0 MPa；为了去除压缩气体中的水蒸气，使压缩气体中的水含量在合理范围内，平台采用冷冻式干燥机；依据系统水利计算表，压力变送器选用北京星仪传感器制造有限公司生产的CYYZ11，量程为0 ～2.5 MPa，精度等级为0.25%；正常情况下，气体的起点压力较小、流量较大时或阀门开度较小时，阀门两端压降较大，差压变送器型号选用北京星仪传感器制作有限公司生产的CYYZ3051，测量范围0 ～200 kPa；依据表3 所计算最大流量662.7 m3／h，涡轮流量计型号选用江苏荣丰自动化仪表有限公司生产的RF-LWQ-C-125 和RF-LWQC-25，RF-LWQ-C-125 测量范围18 ～800 m3／h，耐压1.6 MPa，RF-LWQ-C-25 测量范围1.5 ～15 m3／h，耐压4 MPa，准确度达±0.5%级；依据热力计算，温度变送器型号选用北京星仪传感器制造有限公司生产的CWDZ11，量程－50 ～100 ℃，插入管道深度为30 mm，精准等级达±0.5 ℃。

3 实验系统相似性分析

模型实验是流体力学实验重要方法之一，相似理论是进行模型实验的重要理论基础，也是实验结果推广的依据。实验系统模型必须满足几何相似、运动相似、动力相似、初始条件与边界条件相似。在恒定流、管径相等、时间相似情况下，满足两流动动力相似。依据力多边形相似理论，满足雷诺准则与佛劳德准则，即可实现动力相似。实际上两个准则同时满足较为困难，两流动很难做到完全相似，只能近似相似，保证对流体起主要作用的力相似，忽略次要作用力［14］。气体在管道流动时，黏性力起主导作用。

城市输配系统管道多处于水力光滑区，若要两流动动力相似，只需满足雷诺准则，即实验管道与实际管道中气体流态同处于水力光滑区。使用经验公式计算流态判断雷诺数［15］：

根据雷诺公式，其他条件保持不变的情况下，流速越大时，雷诺数越大。如果实验系统设计的最大流速下，气体的流态处于水力光滑区，那么该实验系统所有流速下气体流态都将处于水力光滑区［16］。由表3 可知Re ＜Re1，系统气体流态处于水力光滑区，两流流动动力相似，满足相似准则，模型具有实际意义。

4 实验系统数据采集与控制系统

4.1 系统总体设计

系统的总体设计如图4 所示，变送器组实时检测管道信号，高速采集卡实时采集压降与压力信号，经参数调整后发送到工控机；涡轮流量计、温度变送器直接与工控机进行串口通信；工控机的软件系统数据采集、显示、查询等功能，并将采集数据保存到SQL 数据库。当工控机采集的数据超过设置的阈值，工控机向PLC发送控制指令，控制现场阀门的开度。PLC 与上位机采用自由口通信。

图4 数据采集与控制流程图

4.2 系统硬件组成

系统硬件部分由变送器组、PLC、高速采集卡等组成。高速数据采集卡选用北京思迈科华技术有限公司生产的USB-3200 系列，分辨率16 bit，采样率125 kSa／s，24 模拟输入通道，4 数字输入通道，4 数字输出通道。PLC 选用三菱Fx3U，内置16 入／16 出（继电器），运算处理速度：每一基本指令0.065 μs，每一应用指令0.642 ～100 μs。

4.3 系统软件设计

温度变送器、涡轮流量计通过串口直接与LabVIEW通信，选用LabVIEW VISA功能模块；高速采集卡采集压力、差压信号，然后发送给LabVIEW，选过LabVIEW 的DAQ、动态链接库等功能模块；PLC 与LabVIEW采用自由口通讯，选用LabVIEW 的OPC 功能模块。LabVIEW 对采集的值进行实时显示［17］，通过Database模块将数据保存至My SQL 数据库，设置参数阈值和测试流量阈值，并对数据进行分析，判断管道是否泄漏，当管道泄漏时，报警记录并控制阀门开度。LabVIEW功能模块如图5 所示。

图5 软件功能模块

5 结 语

本文设计了城市燃气输配管道系统实验平台，实验管道包含深地与架空两种管道敷设方式、PE管和钢管两种管道材质。对实验平台系统的结构及工作原理进行了介绍，依据规范确定了钢管设计压力为1.6 MPa，PE管设计压力为0.7 MPa；对DN125 的钢管、PE管直管段和弯管段壁厚进行计算，PE 管道壁厚11.4 mm、钢管直管段壁厚5 mm，钢管弯管段壁厚5.5 mm；对管道进行水力计算和热力计算，确定不同运行工况下，管道的压降和温降；根据压差、设计压力、温降等参数要求，对系统的气源部分、变送器组进行选型；设计数据采集与控制系统，采用基于LabVIEW的上位机监测系统，采集数据保存到My SQL 数据库。根据经验公式，可得出实验系统和实际管道都处于水力光滑区，系统满足雷诺准则，实验结果可推广。