燃气管道泄漏和置换放散研究

刘 瑶，李胜国，高 岷，陈涛涛，钱 迪，赵 欣

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

0 引言

甲烷的排放贯穿于燃气供应的全过程，漏排现象已引起高度重视。城镇燃气输配过程中，造成甲烷对空排放主要来源于3个方面：生产作业过程中为保障运行安全的主动降压放散；埋地管线的孔泄漏；管线投运和抢修通气前的置换放散。对于主动降压放散，可以通过安装在泄压阀前后的合适计量装置进行准确计量[1]。埋地管道泄漏以及置换放散过程造成的甲烷排放量，目前无精确的测算方法，本文对此进行了研究。

1 燃气管道泄漏影响因素分析

1.1 管道条件

管道条件主要包括管道埋深、燃气压力、泄漏孔径、泄漏孔形状、泄漏孔位置。

夏军宝等[2]在特定土壤箱中进行实验研究，通过对9种不同中压工况测定，得出结论：在管道埋深较浅时，竖直方向上泄漏燃气的扩散速率大于水平方向的扩散速率; 否则，水平方向上泄漏燃气的扩散速率大于竖直方向上的扩散速率；燃气压力越高，泄漏的甲烷体积分数越高。

根据泄漏孔径的大小，一般可以分为小孔泄漏、管道泄漏及小孔-管道泄漏[3]。韩光洁[4]利用CFD软件模拟了不同泄漏孔径在一定时间的甲烷浓度分布。从模拟结论来看，天然气泄漏的影响范围与泄漏孔径大小成正比。

实际工程中，管道穿孔的形状不同，泄漏孔位置多方位。王向阳等[5]借助CFD软件模拟比较了泄漏孔分别为圆形、三角形和正方形时的泄漏量，得出结论：三角形泄漏孔的泄漏量最大，圆形泄漏孔的泄漏量最小，但数值差较小。杜美萍[6]对泄漏孔形状的影响研究得出了一致的结论。

1.2 测点条件

泄漏范围内不同监测点的压力、位置、与泄漏口的距离不同，因此测点的选取对浓度变化规律的影响有研究意义。

谢昱姝等[7]的实验研究成果表明，同一工况条件下，天然气扩散至检测点的时间与检测点与泄漏口的距离近似成幂指数关系，泄漏压力和泄漏量是决定性因素。周苗[8]对埋地泄漏土壤中不同监测点浓度的变化进行了研究，通过数值模拟发现监测点与泄漏口水平距离和垂直距离都会影响甲烷浓度，水平距离影响更大。

1.3 土壤条件

土壤条件一般包括土壤孔隙率、含水率以及土壤的构成特性，是影响燃气扩散速率与范围的关键因素。王向阳等[5]关于土壤因素的模拟研究表明，泄漏量随着土壤孔隙率增加而增加。孙立国等[9]提出的穿透性土壤环境燃气扩散的实验研究中，对不同土壤含水率、不同土壤特性工况下的泄漏规律给出了对应的结论:雨天使穿透性土壤含水率增大, 密实度增强而穿透性减弱, 从而使燃气扩散范围缩小；有水泥(或沥青)的土壤覆盖面燃气泄漏扩散范围更大。

1.4 其他因素

以上关于影响因素的研究都结合了较典型的相关研究成果来分析。通过调研发现，国内外学者对埋地管径、多点泄漏、土壤分层的相关研究不足。

管道直径对于泄漏量的影响，有不同的结论。杜美萍[6]通过CFD软件模拟了3种不同管径下的泄漏，得出泄漏量和扩散范围与管径无关的结论。Ebrahimi-Moghadam等[10]利用模拟软件得出管径与泄漏量的关系，管径与管道的泄漏量成反比关系。

国内外学者对埋地管道小孔泄漏中单孔泄漏工况的研究更多。实际工程中的管道穿孔经常是多点多发的，各点泄漏的燃气在土壤中的叠加效应成果不足。

已有考虑土壤的研究一般设定为均质土壤。而实际土壤多存在分层现象，需要考虑每层土壤可能有不同的质地、坡度、孔隙率、含水率等。Bezaatpour等[11]建立了分层土壤的模型，利用COMSOL Multiphysics模拟软件开展研究。结果表明，土壤力学和水力特性的不同对扩散规律有显著影响，比如因分层土壤的含水率不同，造成的土壤惯性阻力存在差异，直接影响天然气的泄漏分布。

2 燃气管道置换放散分析

关于天然气管线置换放散过程中甲烷排放量的研究，国内针对经验性施工阶段的投入较多，一般都是对某管线置换方法的选择和研究，以及施工步骤的总结。现场燃气置换过程存在一定的误差，造成资源设备、材料和人力的浪费。

总体来说，目前对燃气管道置换过程的仿真研究，缺少有关管内气体流动规律的深入分析；研究的影响因素不够全面。

2.1 工程分析

工程中多采用分级置换的方法，以保证置换安全。置换原因一般有降压作业需求、新管道投入运行、旧管道的维修等。通气开始之前通常要有一定的准备工作，包括工况准备阶段，作业现场准备，设备及工器具准备，通讯准备等。还要相关工作配合以及作业前的危险评估和应对措施。置换通气过程，常借助相应管径的跨接，多凭借日常经验和施工规范控制调节燃气置换的速度和压力。在置换放散口时隔15～30 min进行连续监测，当出口燃气浓度达到90%～95%时，即判定置换合格。

图1属于建成后未接线通气，需要通过此次作业完成2段管线的通气。管线总长约2.8 km，次高压管线管径均为DN500。

图1 北京市某路段次高压A线接线通气作业示意图

经过跟踪调研，操作步骤包括：

(1)前期准备工作。

(2)开平衡孔，置换检测。通气借助相应管径的跨接，技术人员控制置换的速度和压力，浓度检测过程中连续取样了3次，每次间隔5 min，使用XP3140检测甲烷浓度达到90%为合格。新线置换合格后，还需要注意对焊接口进行严密检测，修补各焊口至合格。

(3)升压检测。在作业坑开孔机处进行压力观测，压力分别升至规定值，技术工人对接线作业坑内各设备法兰接口逐级测漏检查，发现漏点及时处理，无漏点继续升压，直至升压完毕。

(4)对接线点管件作防腐处理，恢复作业坑。

图2置换长度较短，目的是系统及进出站管线置换通气、升压、调试。作业步骤包括：

图2 北京某高校窑炉系统复气方案作业示意图

(1)拆除高压A闸1主阀门后盲板。

(2)开启高压A闸1跨接旁通阀。

(3)开启高压B站处放散阀，并在放散口取样检测，连续检测3次,间隔5 min，直至浓度达到90%为合格。

(4)观测进口压力表，对系统进行泄漏检查，无漏点继续升压。确认无漏气后，开启高压B站次高压主阀。

(5)由调压设备厂家对调压支路进行调压试验，确定调压器良好。

(6)确认合格后，进行中压置换作业，同样需要控制置换压力和速度。

(7)确认供气需求、出口压力。

在调研过程中发现：对于置换过程流速和压力等的调节具有一定的误差，缺少理论计算支撑；跨接管道的使用不方便，增加了工作量；对于置换放散的甲烷总量没有精确的计算方法。为了简化施工步骤，应使用移动计量台架进行监测，另外为了降低甲烷放散量并更好地测算，有必要利用仿真模拟给出较精确的计算方法。

2.2 置换放散量的测算方法

为了确定置换工艺参数，精确测算和减少置换过程中甲烷排放量，应在流动分析的基础上，结合CFD仿真对氮气置换过程进行“数字孪生”，并通过工程实验验证，不断提高模型在各种工况下的适应性。

研究内容应包含：

(1)建立过程仿真模型，通过研究各参数的影响规律，结合工程实际，建立数字孪生模型，实现替代现场测量的目的。

(2)形成可行的控制、测量方案，分成计量区、置换区、放散检测区，逐区研究，分两路管路分别实现对次高压放散及中压放散的计量。建立工程计量检测平台，通过实验测试不同工况下燃气置换、吹扫等作业时的天然气放散量，以此不断完善工程数据库。

(3)应用数字孪生和机器学习技术，不断提高模型预测精度。实现通过模型研究，为工程置换方案的优化提供参考，精细管控置换过程以降低燃气的排放量。

3 结束语

(1)不同于架空管道等直接泄漏到大气的情况，埋地管道孔泄漏的影响因素较多，土壤因素的影响较复杂。本文对影响管道泄漏的影响因素进行了分析，并介绍现有研究存在欠缺的领域，相关研究应更加深入和完善。

(2)城镇燃气管道置换的工程操作，在精细化方面还需完善，造成了大量甲烷对空的无效排放，且不能计量。应重视此方面的漏排，并结合先进的数值仿真和数字孪生等技术进行研究。