燃氣管道泄漏和置換放散研究

劉 瑤，李勝國，高 岷，陳濤濤，錢 迪，趙 欣

(北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035)

0 引言

甲烷的排放貫穿于燃氣供應的全過程，漏排現象已引起高度重視。城鎮燃氣輸配過程中，造成甲烷對空排放主要來源于3個方面：生產作業過程中為保障運行安全的主動降壓放散；埋地管線的孔泄漏；管線投運和搶修通氣前的置換放散。對于主動降壓放散，可以通過安裝在泄壓閥前后的合適計量裝置進行準確計量[1]。埋地管道泄漏以及置換放散過程造成的甲烷排放量，目前無精確的測算方法，本文對此進行了研究。

1 燃氣管道泄漏影響因素分析

1.1 管道條件

管道條件主要包括管道埋深、燃氣壓力、泄漏孔徑、泄漏孔形狀、泄漏孔位置。

夏軍寶等[2]在特定土壤箱中進行實驗研究，通過對9種不同中壓工況測定，得出結論：在管道埋深較淺時，豎直方向上泄漏燃氣的擴散速率大于水平方向的擴散速率; 否則，水平方向上泄漏燃氣的擴散速率大于豎直方向上的擴散速率；燃氣壓力越高，泄漏的甲烷體積分數越高。

根據泄漏孔徑的大小，一般可以分為小孔泄漏、管道泄漏及小孔-管道泄漏[3]。韓光潔[4]利用CFD軟件模擬了不同泄漏孔徑在一定時間的甲烷濃度分布。從模擬結論來看，天然氣泄漏的影響范圍與泄漏孔徑大小成正比。

實際工程中，管道穿孔的形狀不同，泄漏孔位置多方位。王向陽等[5]借助CFD軟件模擬比較了泄漏孔分別為圓形、三角形和正方形時的泄漏量，得出結論：三角形泄漏孔的泄漏量最大，圓形泄漏孔的泄漏量最小，但數值差較小。杜美萍[6]對泄漏孔形狀的影響研究得出了一致的結論。

1.2 測點條件

泄漏范圍內不同監測點的壓力、位置、與泄漏口的距離不同，因此測點的選取對濃度變化規律的影響有研究意義。

謝昱姝等[7]的實驗研究成果表明，同一工況條件下，天然氣擴散至檢測點的時間與檢測點與泄漏口的距離近似成冪指數關系，泄漏壓力和泄漏量是決定性因素。周苗[8]對埋地泄漏土壤中不同監測點濃度的變化進行了研究，通過數值模擬發現監測點與泄漏口水平距離和垂直距離都會影響甲烷濃度，水平距離影響更大。

1.3 土壤條件

土壤條件一般包括土壤孔隙率、含水率以及土壤的構成特性，是影響燃氣擴散速率與范圍的關鍵因素。王向陽等[5]關于土壤因素的模擬研究表明，泄漏量隨著土壤孔隙率增加而增加。孫立國等[9]提出的穿透性土壤環境燃氣擴散的實驗研究中，對不同土壤含水率、不同土壤特性工況下的泄漏規律給出了對應的結論:雨天使穿透性土壤含水率增大, 密實度增強而穿透性減弱, 從而使燃氣擴散范圍縮??；有水泥(或瀝青)的土壤覆蓋面燃氣泄漏擴散范圍更大。

1.4 其他因素

以上關于影響因素的研究都結合了較典型的相關研究成果來分析。通過調研發現，國內外學者對埋地管徑、多點泄漏、土壤分層的相關研究不足。

管道直徑對于泄漏量的影響，有不同的結論。杜美萍[6]通過CFD軟件模擬了3種不同管徑下的泄漏，得出泄漏量和擴散范圍與管徑無關的結論。Ebrahimi-Moghadam等[10]利用模擬軟件得出管徑與泄漏量的關系，管徑與管道的泄漏量成反比關系。

國內外學者對埋地管道小孔泄漏中單孔泄漏工況的研究更多。實際工程中的管道穿孔經常是多點多發的，各點泄漏的燃氣在土壤中的疊加效應成果不足。

已有考慮土壤的研究一般設定為均質土壤。而實際土壤多存在分層現象，需要考慮每層土壤可能有不同的質地、坡度、孔隙率、含水率等。Bezaatpour等[11]建立了分層土壤的模型，利用COMSOL Multiphysics模擬軟件開展研究。結果表明，土壤力學和水力特性的不同對擴散規律有顯著影響，比如因分層土壤的含水率不同，造成的土壤慣性阻力存在差異，直接影響天然氣的泄漏分布。

2 燃氣管道置換放散分析

關于天然氣管線置換放散過程中甲烷排放量的研究，國內針對經驗性施工階段的投入較多，一般都是對某管線置換方法的選擇和研究，以及施工步驟的總結?，F場燃氣置換過程存在一定的誤差，造成資源設備、材料和人力的浪費。

總體來說，目前對燃氣管道置換過程的仿真研究，缺少有關管內氣體流動規律的深入分析；研究的影響因素不夠全面。

2.1 工程分析

工程中多采用分級置換的方法，以保證置換安全。置換原因一般有降壓作業需求、新管道投入運行、舊管道的維修等。通氣開始之前通常要有一定的準備工作，包括工況準備階段，作業現場準備，設備及工器具準備，通訊準備等。還要相關工作配合以及作業前的危險評估和應對措施。置換通氣過程，常借助相應管徑的跨接，多憑借日常經驗和施工規范控制調節燃氣置換的速度和壓力。在置換放散口時隔15～30 min進行連續監測，當出口燃氣濃度達到90%～95%時，即判定置換合格。

圖1屬于建成后未接線通氣，需要通過此次作業完成2段管線的通氣。管線總長約2.8 km，次高壓管線管徑均為DN500。

圖1 北京市某路段次高壓A線接線通氣作業示意圖

經過跟蹤調研，操作步驟包括：

(1)前期準備工作。

(2)開平衡孔，置換檢測。通氣借助相應管徑的跨接，技術人員控制置換的速度和壓力，濃度檢測過程中連續取樣了3次，每次間隔5 min，使用XP3140檢測甲烷濃度達到90%為合格。新線置換合格后，還需要注意對焊接口進行嚴密檢測，修補各焊口至合格。

(3)升壓檢測。在作業坑開孔機處進行壓力觀測，壓力分別升至規定值，技術工人對接線作業坑內各設備法蘭接口逐級測漏檢查，發現漏點及時處理，無漏點繼續升壓，直至升壓完畢。

(4)對接線點管件作防腐處理，恢復作業坑。

圖2置換長度較短，目的是系統及進出站管線置換通氣、升壓、調試。作業步驟包括：

圖2 北京某高校窯爐系統復氣方案作業示意圖

(1)拆除高壓A閘1主閥門后盲板。

(2)開啟高壓A閘1跨接旁通閥。

(3)開啟高壓B站處放散閥，并在放散口取樣檢測，連續檢測3次,間隔5 min，直至濃度達到90%為合格。

(4)觀測進口壓力表，對系統進行泄漏檢查，無漏點繼續升壓。確認無漏氣后，開啟高壓B站次高壓主閥。

(5)由調壓設備廠家對調壓支路進行調壓試驗，確定調壓器良好。

(6)確認合格后，進行中壓置換作業，同樣需要控制置換壓力和速度。

(7)確認供氣需求、出口壓力。

在調研過程中發現：對于置換過程流速和壓力等的調節具有一定的誤差，缺少理論計算支撐；跨接管道的使用不方便，增加了工作量；對于置換放散的甲烷總量沒有精確的計算方法。為了簡化施工步驟，應使用移動計量臺架進行監測，另外為了降低甲烷放散量并更好地測算，有必要利用仿真模擬給出較精確的計算方法。

2.2 置換放散量的測算方法

為了確定置換工藝參數，精確測算和減少置換過程中甲烷排放量，應在流動分析的基礎上，結合CFD仿真對氮氣置換過程進行“數字孿生”，并通過工程實驗驗證，不斷提高模型在各種工況下的適應性。

研究內容應包含：

(1)建立過程仿真模型，通過研究各參數的影響規律，結合工程實際，建立數字孿生模型，實現替代現場測量的目的。

(2)形成可行的控制、測量方案，分成計量區、置換區、放散檢測區，逐區研究，分兩路管路分別實現對次高壓放散及中壓放散的計量。建立工程計量檢測平臺，通過實驗測試不同工況下燃氣置換、吹掃等作業時的天然氣放散量，以此不斷完善工程數據庫。

(3)應用數字孿生和機器學習技術，不斷提高模型預測精度。實現通過模型研究，為工程置換方案的優化提供參考，精細管控置換過程以降低燃氣的排放量。

3 結束語

(1)不同于架空管道等直接泄漏到大氣的情況，埋地管道孔泄漏的影響因素較多，土壤因素的影響較復雜。本文對影響管道泄漏的影響因素進行了分析，并介紹現有研究存在欠缺的領域，相關研究應更加深入和完善。

(2)城鎮燃氣管道置換的工程操作，在精細化方面還需完善，造成了大量甲烷對空的無效排放，且不能計量。應重視此方面的漏排，并結合先進的數值仿真和數字孿生等技術進行研究。