城市燃氣輸配管道泄漏監測實驗系統設計

杜思雨， 薛 生，b， 鄭春山，b

（安徽理工大學a.能源與安全學院；b.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽淮南232001）

0 引 言

管道運輸是城鎮燃氣輸送的主要方式，管道材質主要有鋼管和PE管兩種［1］。雖然管道運輸被認為是最安全的油氣運輸方式，但由于管道使用年限過久、三方破壞等原因導致燃氣管道泄漏［2］。泄露的燃氣會在土壤、大氣中擴散，造成空氣污染及經濟損失。當燃氣達到一定濃度時，可能引發爆炸，危及公共安全，甚至造成人員傷亡［3］。因此，及時探知泄漏的發生，并精確定位泄漏點的位置，為管道的修復贏得時間，是當今管道運輸急需解決的問題。

近年來，國內高校搭建燃氣管道系統，對管道泄漏問題展開研究。李祖鵬［4］設計了一套由長輸管線作為氣源的高中低三級管網輸配系統，用來模擬目前常用的城市燃氣管網輸配系統，研究管道基本參數對燃氣輸量的影響，管線泄漏對工況的影響，管網壓力平衡現象等；趙金輝［5］依據城鎮燃氣管道實際情況，搭建架空城鎮燃氣直管道、支狀管道和環狀管道綜合實驗系統，開展了不同泄漏孔徑下的管道監測與定位研究；高華［6］敷設埋深約為0.5 m的直管道，研究埋地燃氣管道的泄漏擴散規律、泄漏定位等；潘碧霞［7］搭建了大型氣液管道實驗系統，以非埋地液體管道、非埋地氣體管道與埋地氣體管道為研究對象，模擬泄漏工況，開展聲發射信號傳播特性等實驗研究。

目前國內高校設計搭建的綜合實驗系統較少，且系統多以架空鋼管為主，埋地管道較少，且現有埋土管道埋深較小。本文根據城鎮燃氣管道實際情況，設計了集合架空PE管、架空鋼管、埋地PE 管、埋地鋼管4種管道類型的綜合管道系統；管道間連接、管道與變送器連接都選用法蘭連接，為后續不同管徑、不同泄漏點等研究提供了便利；實驗系統架空PE 管采用支架保護措施，深埋管道采用土體框架，管道埋深最大可達1.6 m。

1 實驗系統結構及工作原理

1.1 實驗系統結構

實驗系統的結構分為氣源控制模塊、架空環狀管道模塊、深埋土體管道模塊及數據采集控制模塊。氣源控制模塊由空壓機、過濾器、冷干機、儲氣罐等組成，為管道提供氣源；架空環形管道模塊分為架空環狀鋼管模型、架空環狀PE管道模型等組成；深埋土體管道模塊分為深埋支狀鋼管模型、深埋支狀PE 管道模型等組成；采集控制模塊由各類變送器、高速采集卡、PLC等組成，其功能是對數據進行采集、分析、顯示和閥門控制。實驗系統結構如圖1 所示。

1.2 實驗系統工作原理

圖1 實驗系統結構圖

開啟空壓機，氣體通過空壓機加壓后，由過濾器對壓縮氣體中的粉塵、油、水進行捕捉、吸附，進入到儲氣罐，再經過分水排水器排去液態水，除油器高精度除去壓縮空氣中油分，后由冷干機對壓縮氣體進一步干燥。為了實現不同壓力、不同流量，在實驗區域前安裝了精密的減壓閥和球閥。實驗區域管道由電動球閥控制，選擇管道模型進行實驗。數據采集模塊實時采集變送器數據，上位機對數據進行分析、處理和可視化，對是否有過壓、失壓等進行安全判斷和反饋。壓縮空氣經過實驗區域管道后通過電動球閥的控制，匯入第2緩沖罐以保證整個測試管道內壓力相對穩定，后經過由電動球閥控制的出口做放空處理，工作原理示意圖如圖2所示。

2 實驗系統參數的確定及儀表選型

2.1 設計壓力

《城鎮燃氣設計規范（GB50028—2006）》第6.1.6條規定［8］，燃氣管道按照設計壓力分為：高壓燃氣管道A（2.5 MPa ＜p≤4.0 MPa）、高壓燃氣管道B（1.6 MPa ＜p≤2.5 MPa）、次高壓燃氣管道A（0.8 MPa ＜p≤1.6 MPa）、次高壓燃氣管道B（0.4 MPa ＜p≤0.8 MPa）、中壓燃氣管道A（0.2 MPa ＜p≤0.4 MPa）、中壓燃氣管道B（0.01 MPa≤p≤0.2 MPa）、低壓燃氣管道（p ＜0.01 MPa）。規范要求，四級地區地下燃氣管道壓力不宜大于1.6 MPa，因此系統鋼管設計壓力為1.6 MPa，PE管設計壓力為0.7 MPa。

2.2 管壁厚度

2.2.1 直管壁厚計算

圖2 氣源控制、架空管道和深埋管道工作原理圖

當管道直徑較小時，一般采用無縫鋼管，鋼管符合《輸送流體用無縫鋼管（GB／T8163—2018）》［9］規范要求?！冻擎側細庠O計規范（GB50028—2006）》第6.3.2條規定，燃氣鋼管管壁計算

式中：δ 為鋼管壁厚，mm；σS為鋼管最低屈服強度，MPa；p 為設計壓力，MPa；F 為管道強度設計系數；D為鋼管外徑，mm；φ 為焊縫系數，根據GB50028 第6.9.4規定的鋼管標準時取1.0。

設計時選用不同鋼級計算來確定采用壁厚，表1是設計壓力為1.6 MPa、公稱管徑DN125 的無縫鋼管，管材鋼種符合《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管（GB／T9711—2017）》［10］。

表1 DN125 鋼管不同鋼種適用壁厚的比較結果

L245N 和L290N 鋼級的管材在國內的長輸管道工程中被廣泛應用，受最小生產壁厚的限制，選用L245 鋼級的無縫鋼管時，鋼管外徑φ140 mm ×5.0 mm（20＃）。

2.2.2 彎管壁厚計算

《中國石油天然氣管道工程有限公司企業標準（Q／SY-GD-SJ）》第5.2 條規定［11］，彎管成品管壁厚：

式中：δb為彎管的管壁計算厚度，mm；δ為彎管所連接的直管段鋼管計算壁厚，mm；m為管壁厚度增大系數；R為彎管的曲率半徑，mm；D為彎管的外直徑，mm。

結合不同等級鋼管的選用壁厚，分別對3 級和4級地區的彎管段壁厚進行計算（見表2），確定用無縫管制作，管徑φ140 mm ×5.5 mm。依據《中國石油天然氣管道工程有限公司企業標準（Q／SY-GD-SJ）》及《城鎮燃氣設計規范（GB50028—2006）》規定，對所選埋地管道進行管道強度校核、穩定性校核、徑向穩定性驗算等，均滿足要求。

表2 線路用管及彎頭用管表

2.2.3 PE管壁厚選取

聚乙烯管道依據材料的長期靜液壓強度的置信下限可分為PE32、PE40、PE63、PE80 和PE100 5 個等級，燃氣輸送用PE80 和PE100 等級的中／高密度聚乙烯管。根據《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統第一部分：管材（GB15558.1—2015）》［12］，考慮管道的設計壓力、設計溫度、裂紋抵抗能力、剛度、埋深等，選用等級為PE100，SDR（標準尺寸比）11 的管材，PE 管道外徑（140 ×11.4）mm。

2.3 埋地土體框架

埋地管道采用土體框架支撐（見圖3），深埋土體框架采用鋼結構和透明亞克力厚板組成，共5 層，每層高度400 mm，有效埋土面積約3.4 m3，共需埋土約17 m3。每層框架邊框采用角鐵、鋼板和加強筋鋼板整體焊接而成，實驗用鋼管和PE 管從下部第2 層框架通過。

2.4 水力計算

2.4.1 管道摩擦阻力

圖3 深埋土體框架立體圖

在實際城鎮燃氣網水力計算中，計算流量按高峰小時流量考慮，燃氣流動按照穩定流量考慮。在穩態情況下，壓力損失是由管道摩擦阻力與閥門開度阻力造成［13］?！冻擎側細庠O計規范（GB50028—2006）》附錄C.0.2 規定，高中壓鋼管和PE管摩擦阻力公式為：

式中：p1為管道起點燃氣的絕對壓力，kPa；Re為雷諾數；p2為管道終點燃氣的絕對壓力，kPa；ν為燃氣運動黏度，m2／s；L為燃氣管道的計算長度，m；Δ 為管壁內表面的絕對粗糙度，mm；d 為燃氣管道的管徑，mm；T為設計中采用的燃氣溫度，K；Q0為標況下燃氣管道的計算流量，m3／h；T0為標況下的絕對溫度，273.15 K；λ為摩擦阻力系數；ρ為燃氣的密度，kg／m3。

2.4.2 局部壓力損失

當燃氣流經閥門、變徑管等管道附件時，會產生局部壓力損失，可按下式計算：

式中：Δp2為局部阻力的壓力損失，Pa；∑ζ為局部阻力系數總和；v為管段中的燃氣流速，m／s。

為切合實際情況，實驗介質選擇天然氣，球閥開度為全開，依據目前城鎮管道的實際情況，選用經濟流速范圍，NG實驗系統水力學計算：ρ ＝0.75 kg／m3，υ ＝15 mm2／s，Δ ＝0.1／0.01 mm，設計溫度297.15 K，ζ ＝0.2（全開），公稱管徑為125 mm，ρa＝1.293 1 kg／m3。表3 為設計實驗系統的水力計算。

表3 實驗系統水力計算

2.5 熱力計算

熱力計算為實驗系統選取合適的溫度變送器提供了依據，實驗系統的管道較短，忽略摩擦生熱對沿程溫降的影響，忽略壓力變化引起的溫降（焦耳-湯姆遜效應），采用簡化的舒霍夫溫降公式：

式中：K為總傳熱系數，W／（m2·K）；cp為定壓熱容比，kJ／（kg·℃）；T1為起點介質溫度，℃；T2為終點介質溫度，℃；T0為管道環境溫度，℃；M 為實驗管道運輸量，m3／h。

埋地管K取值1.5 ～5 W／（m2·K）；D取值0.14 m；壓縮空氣的定壓熱容比cp＝1.4 kJ／（kg·℃）；管線起點介質溫度T1取值20 ～40 ℃，埋地管道環境溫度T0＝20 ℃，鋼管、PE管道實驗流速0.5 ～15 m／s，代入式（7）可得，埋地管道沿程溫降最小值為0.01 ℃，沿程溫降最大值為0.67 ℃。地上架空管總傳熱系數K取5 ～10 W／（m2·K），架空管道環境溫度T0為20℃，架空管道沿程溫降最大值0.71 ℃，沿程溫降最小值0.51 ℃。因為保證溫度測量的準確性，要選擇精確度比較高的溫度變送器。

2.6 實驗系統儀表選型

依據實驗管道流速設計與設計壓力要求，選用上海德蒙壓縮機械有限公司生產的空壓機DM-75G-30，額定排氣量為10 m3／min，額定排氣壓力3.0 MPa；為了去除壓縮氣體中的水蒸氣，使壓縮氣體中的水含量在合理范圍內，平臺采用冷凍式干燥機；依據系統水利計算表，壓力變送器選用北京星儀傳感器制造有限公司生產的CYYZ11，量程為0 ～2.5 MPa，精度等級為0.25%；正常情況下，氣體的起點壓力較小、流量較大時或閥門開度較小時，閥門兩端壓降較大，差壓變送器型號選用北京星儀傳感器制作有限公司生產的CYYZ3051，測量范圍0 ～200 kPa；依據表3 所計算最大流量662.7 m3／h，渦輪流量計型號選用江蘇榮豐自動化儀表有限公司生產的RF-LWQ-C-125 和RF-LWQC-25，RF-LWQ-C-125 測量范圍18 ～800 m3／h，耐壓1.6 MPa，RF-LWQ-C-25 測量范圍1.5 ～15 m3／h，耐壓4 MPa，準確度達±0.5%級；依據熱力計算，溫度變送器型號選用北京星儀傳感器制造有限公司生產的CWDZ11，量程－50 ～100 ℃，插入管道深度為30 mm，精準等級達±0.5 ℃。

3 實驗系統相似性分析

模型實驗是流體力學實驗重要方法之一，相似理論是進行模型實驗的重要理論基礎，也是實驗結果推廣的依據。實驗系統模型必須滿足幾何相似、運動相似、動力相似、初始條件與邊界條件相似。在恒定流、管徑相等、時間相似情況下，滿足兩流動動力相似。依據力多邊形相似理論，滿足雷諾準則與佛勞德準則，即可實現動力相似。實際上兩個準則同時滿足較為困難，兩流動很難做到完全相似，只能近似相似，保證對流體起主要作用的力相似，忽略次要作用力［14］。氣體在管道流動時，黏性力起主導作用。

城市輸配系統管道多處于水力光滑區，若要兩流動動力相似，只需滿足雷諾準則，即實驗管道與實際管道中氣體流態同處于水力光滑區。使用經驗公式計算流態判斷雷諾數［15］：

根據雷諾公式，其他條件保持不變的情況下，流速越大時，雷諾數越大。如果實驗系統設計的最大流速下，氣體的流態處于水力光滑區，那么該實驗系統所有流速下氣體流態都將處于水力光滑區［16］。由表3 可知Re ＜Re1，系統氣體流態處于水力光滑區，兩流流動動力相似，滿足相似準則，模型具有實際意義。

4 實驗系統數據采集與控制系統

4.1 系統總體設計

系統的總體設計如圖4 所示，變送器組實時檢測管道信號，高速采集卡實時采集壓降與壓力信號，經參數調整后發送到工控機；渦輪流量計、溫度變送器直接與工控機進行串口通信；工控機的軟件系統數據采集、顯示、查詢等功能，并將采集數據保存到SQL 數據庫。當工控機采集的數據超過設置的閾值，工控機向PLC發送控制指令，控制現場閥門的開度。PLC 與上位機采用自由口通信。

圖4 數據采集與控制流程圖

4.2 系統硬件組成

系統硬件部分由變送器組、PLC、高速采集卡等組成。高速數據采集卡選用北京思邁科華技術有限公司生產的USB-3200 系列，分辨率16 bit，采樣率125 kSa／s，24 模擬輸入通道，4 數字輸入通道，4 數字輸出通道。PLC 選用三菱Fx3U，內置16 入／16 出（繼電器），運算處理速度：每一基本指令0.065 μs，每一應用指令0.642 ～100 μs。

4.3 系統軟件設計

溫度變送器、渦輪流量計通過串口直接與LabVIEW通信，選用LabVIEW VISA功能模塊；高速采集卡采集壓力、差壓信號，然后發送給LabVIEW，選過LabVIEW 的DAQ、動態鏈接庫等功能模塊；PLC 與LabVIEW采用自由口通訊，選用LabVIEW 的OPC 功能模塊。LabVIEW 對采集的值進行實時顯示［17］，通過Database模塊將數據保存至My SQL 數據庫，設置參數閾值和測試流量閾值，并對數據進行分析，判斷管道是否泄漏，當管道泄漏時，報警記錄并控制閥門開度。LabVIEW功能模塊如圖5 所示。

圖5 軟件功能模塊

5 結 語

本文設計了城市燃氣輸配管道系統實驗平臺，實驗管道包含深地與架空兩種管道敷設方式、PE管和鋼管兩種管道材質。對實驗平臺系統的結構及工作原理進行了介紹，依據規范確定了鋼管設計壓力為1.6 MPa，PE管設計壓力為0.7 MPa；對DN125 的鋼管、PE管直管段和彎管段壁厚進行計算，PE 管道壁厚11.4 mm、鋼管直管段壁厚5 mm，鋼管彎管段壁厚5.5 mm；對管道進行水力計算和熱力計算，確定不同運行工況下，管道的壓降和溫降；根據壓差、設計壓力、溫降等參數要求，對系統的氣源部分、變送器組進行選型；設計數據采集與控制系統，采用基于LabVIEW的上位機監測系統，采集數據保存到My SQL 數據庫。根據經驗公式，可得出實驗系統和實際管道都處于水力光滑區，系統滿足雷諾準則，實驗結果可推廣。