2017年通车的高铁:高(中)压燃气输送干管的漏气判别及漏气点确定方法

高(中)压燃气输送干管的漏气判别及漏气点确定方法  〖内容提要〗本文对高(中)压燃气输送干管在漏气时的管道流体参数变化作了较为详尽的分析，提出了判断漏气和确定漏气点的数学方法。
〖关键词〗输气干管 漏气 漏气点 输差

　　常见的城市燃气输送系统是多级的，其中，城市门站与区域调压室之间用高(中)压输气干管相连，构成一级管网，担当起输气的任务。管网的工作可靠性对于城市供气系统的可靠性是尤为重要的，其可靠性的重要表征是干管漏气事故的防止及漏气事故的及时发现。防止漏气可以在安装时以一定的技术要求作保证，而漏气发生后的及时发现则是靠完备的检测系统和准确的检测数据以及完善的管网运行数据资料来完成的。从一般运行管理的角度而言，往往较多的关注城市门站的燃气流量和压力，而并不关注区域调压室的流量，而且，即使有所关注，其目的也只是出于判断供给用户的用气量是否满足，基本上设有对管网的漏气状况予以判断，这显然是运行管理工作中的一种不足。
　　一、干管内气体泄漏时输气参数的变化
　　1.管内气体的稳态流动特征
　　以简单的支管构造来分析，参见图一，通过千管的输气量与干管始，末端的压力之间存在如下关系：

　　　Pa²-Pb²=aQ²
　　

　　其中：　　Pa—干管的始端压力
　　　　　　　Pb—干管的末端压力
　　　　　　　a—管道的阻抗(与管道长度有关)
　　　　　　　Q—管道的流量

　　2.漏气事故发生时管道输气参数的变化
　　假定图一所示的输气系统中，干管某处出现漏气事故，这意味着其中某一点出现气体分流，如图二．考察此时输气参数的变化，
　　正常工况　　P₁²-P₂²=aQ²(1)

　　事故工况　　P_1s²-P_2s²=a_sQ_s²　　　　　(2)

　　其中：　p₁，P_1s—正常和事故工况下干管始端压力

　　　　　　P₂，P_2s—正常和事故工况下干管末端压力

　　　　　　a，a_s—正常和事故工况下干管阻抗

　　　　　　Q，Q_s—正常和事故工况下干管流量

　　

　　式(2)与式(1)难以比较，但如果作如下简化，便可作出比较：
　　①对于起点有调压装置的系统，可以认为正常工况和事故工况下的干管起点压力维持不变，即：P₁=P_1s；(3)

　　②把对输气干线系统写出的气体流动特性方程变成对整个系统写出，即将末端延至大气，因为高(中)压干管后续的低压管网或高(中)压燃烧装置的气体终点都是大气。
　　这样，正常工况下有：
　　　　　　　　　　　　P₁²-P₂²=aQ²

　　　　　　　　　　　　P₂²-P_O²=a_1Q²

　　即　　　　　　　　　P₁2-P_O²=(a+a₁)Q²(4)

　　其中：　　a₁—干管末端到用户末端的总阻抗

　　　　　　　P_O—大气压

　　事故工况下，有：P_1s²-P_O²=a_s^,Q_s²　　　　　　　　(5)

　　联合式(3)，比较式(4)和式(5)，则有：

　　　　　　　　　　　　a_s^,Qs²=(a+a₁)Q²

　　
　　分析式(6)，将事故工况下管网的阻抗用图三表示，
　　
　　干管A-B的阻抗由于事故点S的出现而分成两部分：
　　　　　　　　　　a=a_A-s+a_S-B

　　设事故点到大气的阻抗为a2，根据并联阻抗的计算原则，有

　　　　　　　a_s^,=a_A-s+a_s-C　　　　　　　　　　　　　又
　
　　

　　从式(7)不难看出，a_S^,＜a+a₁总是成立。即总有：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Qs＞Q　　　　　(8)

　　这就是说，漏气事故发生时最显著的输气参数变化就是干管的输气流量增加，而引起这一变化的主要原因是管道系统阻抗的变化。
　　3.判断漏气点位置的数学模型
　　考察漏气的位置时，参见图二，若在A、B之间的S点出现漏气，设S点距A点的距离为X，那么干管的气流能量方程式在正常工况下式(1)仍然成立，事故工况下则有：
　　　　　　　　　　　　P_1s²-P_X²=a_A-sQ_A-s²(9)

　　　　　　　　　　　　P_X²-P_2s²=a_s-BQ_s-B²　　　　　　　　　　　　(10)

　　即：　　　　　　　　P_1s²-P_2s²=a_A-sQ_A-s²+a_s-BQ_s-B²　　　　　　　 (11)

　　且：　　　　　　　　a_A-s=a_OX　a_s-B=a_O(L-X)

　　其中：　　　　　　　L—干管总长

　　　　　　　　　　　　X—漏气点离干管起点之距

　　　　　　　　　　　　Q_A-s—起点至事故点的管段流量

　　　　　　　　　　　　Q_s-B—事故点至于管末端的的管段流量

　　　　　　　　　　　　P_X—事故点的压力

　　　　　　　　　　　　a_O-与长度无关的管道阻抗

　　则有：　　　　　　　P_1s²-P_2s²=a_OXQ_A-s²+a_O(L-X)Q_s-B²

　　　　　　　　　　　　

　　式(12)反映了在漏气事故发生时，干管始、末端的流量和压力变化与漏气点之间的关系。
　　二、漏气及漏气点的判断方法
　　1.依据总流量变化的判断方法
　　根据上述分析，判断干管是否漏气，从理论上讲是不难的，简单的判断方法就是事故工况下的供气量大于正常工况下的供气量。即式(8)成立，可以称这一方法为依据总流量变化的判别法。但这一方法的实施需要以下条件：
　　(1)正常工况下的总流量变化规律；通过门站供应给城市管网的总流量，从燃气提供者的条件出发应该是恒定的，即小时流量是基本不变的。而从城市使用者的角度出发则是变的，具有很明显的不均匀特性，这一矛盾需要一个具有充分储气设施的城市燃气输配系统加以克服，许多城市的输配系统均能做到这一点，因而可以认为总流量的变化是相对稳定的，如果将一天作为一个供气周期，作一条Q=f(t)曲线，则为图四中的曲线1，见图四。
　　
　　(2)事故工况下的总流量变化规律
　　一旦在某一时刻t1出现漏气事故，曲线1上会出现一个阶跃变化，而且一直保持(曲线2)。
　　但是，在管网正常运行过程中，Q=f(t)的阶跃变化并不只出现在事故状态，如季节性用气量的升高也会导致用气量增大。因而，总流量的突变可以判断管道工作状态是否正常，必须在认真分析管网运行资料的情况下得出结论，这一方法也不能判断漏气点大致出现在何处。
　　2.根据管道始、末端流量差的判断方法
　　回顾式(12)，该式成立的条件就是：Q_A-s-Q_s-B＞O，而这一值正好是流进干管和流出于管的流量差。这说明，一旦其差值出现，便证明出现了漏气。这种靠流量差来判断漏气的方法不依赖正常工况下的干管流量，因而它在判断过程中的结论是即刻得出的，但两方法依赖着不同的技术保证。
　　3.判断漏气的技术保证
　　若以总流量变化作为判断漏气的标准，只需准确检测并记录干管始端的压力P1和流量Q。这种情况是现有许多输配系统中所采用的技术手段可以做到的。目前大部分系统中只在门站设有调压和流量计量装置并有记录，在区域调压站只设调压装置，不设计量装置，且一般不作记录。这种方法要求的技术条件很低。
　　以流量差值作为判断是否漏气的方法，它需要一套包括门站和区域调压室的完善的流量、压力测量系统，数据采集系统，数据处理系统和漏气报警系统。因为采用这种方法时，漏气是及时发现的，因而需要较先进的技术条件，而且在实施这一方法时，对流量与压力参数的采集还有以下要求：
　　(1).供气始端的流量与压力参数取值点应在调压计量装置之后，而末端的压力参数采集应在调压之前，流量参数应在调压之后；
　　(2).采集点应靠近始端或末端(符合安装技术要求)，若距离太远，可能不能判断，比如漏气出现在干管始端计量装置之前，调压装置之后，则流量差是不存在的，即使是发生漏气事故时；
　　(3).稳定的、合理的输差参考值。由于流量计量的误差和干管本身可能存在的微小泄露构成输气过程中的输差，这一值在容许范围内不能作为漏气，而只是超出某个范围时才能判别为漏气，因而需要一个允许输差标准；
　　(4).管道的实际结构参数及阻抗。有关漏气点的判断式中，阻抗值不能用理论值计算，否则将对漏气点位置的计算产生较大的误差，这一数据应在管网的运行初期得到。