天然氣管道泄漏擴散云團光譜檢測研究進展

吳國忠 李茜 王玉石 李棟 齊晗兵 王秋實

摘 要： 天然氣管道泄漏易造成環(huán)境污染、爆炸等事故，目前檢測天然氣管道泄漏方法眾多，而光譜檢測技術(shù)具有非接觸、快速、可高空測量等優(yōu)點受到行業(yè)人士的關(guān)注。首先分析了天然氣管道光譜檢測技術(shù)特點，然后綜述了天然氣管道光譜檢測技術(shù)涉及到的天然氣管道泄漏擴散特性和天然氣光譜性質(zhì)，論述了現(xiàn)有研究的不足以及發(fā)展趨勢。

關(guān) 鍵 詞：天然氣管道；泄漏；擴散特性；光譜檢測

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1721-04

Research Progress of Spectra Detection Technology of

Diffusion Cloud in Natural Gas Pipeline Leakage

WU Guo-zhong1，LI Qian1，WANG Yu-shi2，LI Dong1，QI Han-bing1，WANG Qiu-shi1

（1. School of Civil Engineer and Architecture， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163000，China；

2. Experiment and Detection Research Institute， PetroChina Xinjiang Oilfield Company， Xinjiang Karamay 834000，China）

Abstract： Natural gas pipeline leakage is easy to cause environmental pollution， explosion and other accidents， and now many methods can detect pipeline leakage， and spectrum detection technology has the advantages of non-contact， rapid and high altitude measurement. In this paper， characteristics of the spectrum detection technology was analyzed， and then gas diffusion characteristics of pipeline leak and gas optical properties were summarized， and the deficiency of existing research and development trend were discussed.

Key words： natural gas pipeline； leakage； diffusion characteristics； spectra detection

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，天然氣作為一種清潔、高效、便宜的能源正越來越受到人們青睞。這不僅為人們的生活提供了便利，與此同時也帶來了相應的風險。天然氣的輸送主要通過管道輸送，國內(nèi)天然氣管道總長里程約5.5萬km[1]，敷設形式主要有兩種架空管道和埋地管道。由于管道自身以及外界因素的影響，管壁很容易老化變薄，最終可能造成管道泄漏事故的發(fā)生。管道泄漏影響正常輸送，容易發(fā)生著火、爆炸，造成重大的人員傷亡，嚴重威脅周邊人們的身體健康以及經(jīng)濟財產(chǎn)安全。

天然氣管道泄漏的檢測方法有很多，如生物檢測[2]、聲波檢測法[3]、負壓波法[4]以及光譜檢測法[5]等。每種檢測方法都有各自的利弊，其中光譜檢測法屬于非接觸測量方法，具有可高空測量、響應迅速等特點，因此光譜檢測技術(shù)在天然氣管道泄漏檢測領域具有很好的應用前景。天然氣管道泄漏擴散云團光譜特性是天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵基礎。天然氣管道泄漏擴散云團光譜特性涉及天然氣管道泄漏擴散特性和天然氣光譜性質(zhì)，其中近年來有關(guān)天然氣管道泄漏擴散研究很多，然而對天然氣光譜性質(zhì)研究較少。

本文首先分析了天然氣管道光譜檢測技術(shù)特點，然后綜述了天然氣管道光譜檢測技術(shù)涉及到的天然氣管道泄漏擴散特性和天然氣光譜性質(zhì)，論述了現(xiàn)有研究的不足以及發(fā)展趨勢。

1 天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)

天然氣管道泄漏光譜檢測技術(shù)主要包括激光檢測技術(shù)、光纖檢測技術(shù)、紅外檢測技術(shù)。

1.1 激光檢測技術(shù)

激光檢測技術(shù)是目前應用較多的一項光譜檢測技術(shù)，其原理如圖1所示。該技術(shù)利用氣體對光譜選擇吸收的特性，當激光掃過泄漏點時，一部分激光能量被氣體云團吸收，另一部分氣體通過反射被探測器吸收，根據(jù)回波功率和初始功率利用朗博比爾定律反演氣體濃度，基本公式如[6]

（1）

式中：P — 激光的回波功率；

k — 光學接收效率；

P0 — 初始功率；

S — 吸收光程；

ν — 激光頻率；

CR — 甲烷氣體的路徑積分濃度。

圖1 激光檢測試驗系統(tǒng)原理圖[7]

Fig.1 The principle diagram of the laser test system[7]

目前對天然氣管道泄漏的檢測，主要采用機載激光雷達技術(shù)。例如，張帥等[8]采用波長為1.65 μm可調(diào)諧半導體激光器對天然氣管道泄漏進行了測試，并通過進行了天然氣泄漏模擬實驗，針對遙測回波吸收光譜特性，提出了改進軟閾值小波去噪法，提高了移動遙測靈敏度，可達80×10-6。

1.2 光纖檢測技術(shù)

光纖檢測技術(shù)是一種新興的檢測技術(shù)，主要基于干涉的光纖傳感檢測技術(shù)，其原理是泄漏氣體使光纖內(nèi)兩束光的相位發(fā)生變化，從而檢測管道泄漏。光纖檢測可以快速檢測管道泄漏并定位泄漏位置，但需要接觸測量。周琰等人[9]基于Mach-Zehnder干涉原理，利用半導體激光器（LD）光源以及光纖作為傳感器，在管徑159 mm和長100 m的壓縮空氣管道進行檢測試驗，通過分析管道沿途的振動信號，實現(xiàn)管道泄漏檢測，其定位相對誤差為0.41%。

1.3 紅外成像檢測技術(shù)

紅外成像檢測技術(shù)[10-11]主要是通過紅外成像系統(tǒng)探測到泄漏氣體云團與背景的輻射差，或氣體泄漏前后溫度場的差異，實現(xiàn)管道氣體泄漏檢測，屬于非接觸式檢測方法。李家琨[12]等采用非制冷焦平面探測器設計了一套寬波段氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)，利用子波段切換方式，實現(xiàn)在3～12 μm紅外波段大多種氣體高靈敏度檢測。

2 天然氣管道泄漏擴散特性

2.1 架空天然氣管道

影響架空天然氣管道泄漏擴散特性的因素有大氣溫度、環(huán)境風速、日光、管道泄漏條件等。目前研究架空天然氣管道泄漏擴散特性的方法主要分為實驗研究和數(shù)值仿真研究。

氣體泄漏擴散實驗，是研究氣體擴散特性的基本方法，可以在不需要任何假設的情況下，獲得實際情況下的氣體擴散特性，得到的數(shù)據(jù)更加可靠。國外關(guān)于氣體或液化氣體泄漏擴散特性的實驗研究，從20世紀80年代到現(xiàn)在一直很活躍，試驗介質(zhì)包括液化天然氣、液化石油氣、二氧化硫、液氨及氟化氫等，多利用相似原理進行分析和野外風洞實驗[13]，已經(jīng)提出了一系列擴散模型，而且分析了風速等外界環(huán)境的影響。例如肖淑衡[14]等人利用1.2 m×0.6 m×0.6 m的有機玻璃罩模擬擴散區(qū)域，風機送風控制風向和風速，采用高度為20 cm的儲罐進行泄漏實驗，在10個不同位置設置探針取樣，對大氣邊界層天然氣泄漏擴散過程及影響因素進行了研究，結(jié)果表明，泄漏方向和風速對擴散濃度影響較大，靜風時空間點的氣體濃度隨泄漏時間逐漸增大，風速越大，空間點的氣體濃度值下降越大。

數(shù)值仿真在天然氣泄漏擴散中應用比較廣泛，現(xiàn)在常用的氣體擴散模型主要采用標準κ-ε湍流模型，組分模型采用不發(fā)生化學反應的物質(zhì)運輸模型，選用耦合隱式求解，一階迎風控制離散格式。李振林等人[15]利用FLUENT采用耦合隱式解法，標準κ-ε模型及不發(fā)生化學反應的物質(zhì)運輸模型，對高含硫天然氣管道破裂泄漏擴散規(guī)律進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，天然氣總能到達計算區(qū)域上邊界，低空受風速影響較小，高度越高，風速影響越大。

從多數(shù)學者的研究可以看出，影響天然氣擴散特性的因素主要有溫度、風速以及泄漏條件等。天然氣的溫度對其擴散影響很大，而天然氣具有光譜選擇性氣體，由此可見，分析天然氣光譜特性對其擴散的影響也是今后的研究內(nèi)容之一。

2.2 埋地天然氣管道

在埋地管道泄漏擴散的實驗方面，多數(shù)學者做了有關(guān)氣體滲流的實驗，從而研究氣體在土壤中的擴散過程。熊兆紅等人[16]以泄漏孔徑為20 mm的埋地管道為研究對象，利用0.5 m×0.5 m×0.5 m的土箱進行實驗，土箱側(cè)面鉆有測壓孔，在測壓孔處連有壓力傳感器，通過測得的壓力值研究天然氣在土壤中的擴散規(guī)律，得到了非達西滲流系數(shù)的經(jīng)驗公式。謝昱姝等[17]在實驗坑（4 m×4 m×2 m）中布置泄漏口為2 mm的管道，泄漏口在坑正中央，泄漏口周圍埋有濃度傳感器，并通過GasClam系統(tǒng)每隔3 min自動檢測土壤溫度、壓力及大氣壓力，實驗結(jié)果表明，擴散時間與距泄漏口距離呈近似冪指數(shù)關(guān)系，泄漏量和泄漏壓力直接影響泄漏過程。

埋地管道泄漏擴散數(shù)值模擬方面，張鵬和程淑娟[27]建立燃氣在土壤中泄漏的計算模型和擴散模型，通過量綱分析方法進行求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力一定條件下，泄漏孔徑越大，泄漏量越大，擴散速率越大，同時發(fā)現(xiàn)土壤屬性是影響擴散的關(guān)鍵因素。Qin等人[18]基于單相滲流和高速非達西滲流理論，研究了埋管道小泄漏的擴散規(guī)則，建立了滲流的數(shù)學模型用FVM求解控制方程，最后通過實驗驗證。

從上述文獻可以看出，現(xiàn)在常用的埋地管道泄漏氣體擴散研究方法主要是通過非達西定律理論建立擴散模型，利用CFD模擬采用標準κ-ε湍流模型和多組分模型并用FVM求解，影響因素中土壤的屬性天然氣擴散距離和擴散濃度影響較大。

3 天然氣光譜特性

天然氣光譜特性是指天然氣的吸光度、透射率以及光學常數(shù)等光學物性隨波長的變化情況。光譜學測量技術(shù)是測量天然氣光譜特性的主要方式，包括傅立葉紅外光譜技術(shù)、可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)、差分光學吸收光譜技術(shù)和聲光聲譜法。

3.1 傅里葉紅外光譜技術(shù)

傅里葉紅外光譜技術(shù)是基于邁克爾遜干涉原理，利用傅里葉變換光譜儀測得物質(zhì)的原始光譜圖，然后計算機對原始光譜圖進行快速傅里葉變換計算，從而得到波數(shù)或波長的函數(shù)光譜圖。此方法具有靈敏度高、控制系統(tǒng)簡單、測量范圍廣等優(yōu)點。

陳淑星[19]采用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)研究了甲烷的光譜特性，通過實驗得到甲烷主次吸收峰（主吸收峰 3 017 cm-1，次吸收峰1 305 cm-1）附近波數(shù)光譜，通過光譜數(shù)據(jù)建立偏最小二乘法（PLS）預測模型，分析了溫度和壓強對甲烷紅外光譜的影響。其結(jié)果表明，壓強范圍為20～205 kPa，溫度范圍為28.5～140 ℃時，甲烷紅外光譜的譜帶吸收強度和寬度均隨溫度和壓強的升高而增大，吸收峰面積與溫度和壓強變量之間均近似成線性關(guān)系，預測模型相對誤差不超過2.79%。

3.2 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)

可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）是利用氣體紅外吸收的性質(zhì)，把近紅外可調(diào)諧半導體激光器和基于波長或頻率調(diào)制的探測技術(shù)相結(jié)合，得到被測氣體在特征吸收光譜范圍內(nèi)的吸收譜線，通過分析求出待測氣體的濃度。半導體激光器因其快速調(diào)諧和單色性高的特性，在對目標氣體測量過程中能夠有效地避免干擾氣體的影響?？烧{(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)的原理也是朗博比爾定律，波長調(diào)制過程是通過把一個正弦分量疊加到激光器注入電流來實現(xiàn)。

夏慧等[20]基于TDLAS技術(shù)采用分布反饋式砷化鎵半導體激光器掃描甲烷在1 653.72 nm波長附近吸收峰，通過對不同溫度和不同濃度兩種條件的測量表明，370 K和500 K時最小探測限分別為100×10-6和245×10-6。

3.3 差分吸收光譜技術(shù)

差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）是利用同一氣體或不同氣體對不同波段吸收不同的特性，通過分析某一波段的的吸收光譜，從而得到待測氣體的濃度。此方法具有工作效率高、測量范圍廣、濃度測量下限低等優(yōu)點，由于測量極限取決于差分吸收截面，可測得濃度低于1×103 mg/m3的氣體[21]。周斌等人[22]在利用差分吸收光譜技術(shù)對大氣污染物的研究中，并通過最小二乘法擬合光譜曲線，發(fā)現(xiàn)噪聲和其他氣體影響差分吸收光譜系統(tǒng)精度信噪比越小測量誤差越大，干擾氣體吸收截面與待測氣體越相似誤差越大，因此選擇合適的波段很重要。

3.4 光聲光譜法

光聲光譜法是利用紅外吸收的原理，一般采用半導體激光器作為光源，照射到光聲池，光聲池內(nèi)氣體吸收特定波長的光被激發(fā)，又通過受輻射躍遷回基態(tài)而引起溫度和壓強的變化，產(chǎn)生光聲信號，實現(xiàn)光、溫、聲的能量轉(zhuǎn)化，原理如圖2。

圖2 光聲光譜原理圖[23]

Fig.2 The principle diagram of the photoacoustic spectroscopy[23]

光聲光譜法具有選擇性好靈敏度高、響應快等優(yōu)點，對一氧化碳、瓦斯、乙炔等氣體的檢測都有較好的效果。例如，陳偉根[23]等人利用分布反饋式半導體激光器搭建了實驗平臺，研究26 ℃、0.1 MPa條件下，CO分子在近紅外1.567 μm光聲信號與紅外特性，及其與氣體濃度和激光功率的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，當氣體吸收不飽和時，光聲信號與氣體濃度和激光功率呈線性關(guān)系。

4 結(jié) 論

現(xiàn)有的關(guān)于天然氣管道泄漏擴散云團光譜性質(zhì)的研究，主要是對天然氣管道泄漏擴散特性和天然氣光譜性質(zhì)分別討論，但沒有擴散云團的光譜特性的研究。天然氣管道泄漏擴散特性多采用商業(yè)軟件進行模擬，但大多數(shù)研究只考慮風速、壓力等的影響，并沒有考慮天然氣溫度、粘度等物性和天然氣的光譜特性對其擴散過程的影響。對于天然氣光譜特性的研究，天然氣光譜特性的數(shù)據(jù)仍不是很完善，特別是天然氣光譜特性與溫度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究不深入或研究范圍較窄，因此還有待更進一步研究。天然氣管道泄漏擴散云團的光譜特性的研究，將更好地為激光檢測技術(shù)提供理論和實驗依據(jù)。

參考文獻：

[1]王保群， 林燕紅， 焦中良. 我國天然氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 國際石油經(jīng)濟， 2013 （8）： 76-79.

[2]Batzias F A， Siontorou C G， Spanidis P M P. Designing a reliable leak bio-detection system for natural gas pipelines[J]. Journal of hazardous materials， 2011， 186（1）： 35-58.

[3]Lee L H， Rajkumar R， Lo L H， et al. Oil and gas pipeline failure prediction system using long range ultrasonic transducers and Euclidean-Support Vector Machines classification approach[J]. Expert Systems with Applications， 2013， 40（6）： 1925-1934.

[4]劉恩斌， 李長俊， 彭善碧. 應用負壓波法檢測輸油管道的泄漏事故[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報， 2009， 41（11）： 285-287.

[5]Bushmeleva K I， Plyusnin I I， Bushmelev P E， et al. Modeling the optimal parameters for a remote sensing device[J]. Measurement Techniques， 2011， 54（3）： 294-299.

[6]李正文， 亓洪興， 肖功海， 等. 實用化機載天然氣管道泄漏監(jiān)測紅外激光雷達[J]. 紅外與毫米波學報， 2011， 30（2）： 184-188.

[7]李克， 李振林， 宮敬， 等. 天然氣管道小泄漏高空激光檢測試驗[J]. 中國石油大學學報： 自然科學版， 2010， 34（1）： 129-133.

[8]張帥， 劉文清， 張玉鈞， 等. 基于激光吸收光譜技術(shù)天然氣管道泄漏定量遙測方法的研究[J]. 物理學報， 2012， 61（5）： 50701-050701.

[9]周琰， 靳世久， 張昀超， 等. 分布式光纖管道泄漏檢測和定位技術(shù)[J]. 石油學報， 2006， 27（2）.

[10]Inagaki T， Okamoto Y. Diagnosis of the leakage point on a structure surface using infrared thermography in near ambient conditions[J]. NDT & E International， 1997， 30（3）： 135-142.

[11]Sadovnychiy S， Ramirez T. Theoretical base for pipeline leakage detection by means of IR camera[C]//Aerospace /Defense Sensing， Simulation， and Controls. International Society for Optics and Photonics， 2001： 177-183.

[12]李家琨， 頓雄， 金明磊， 等. 寬波段氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)設計[J]. 紅外與激光工程， 2014， 43（6）： 1966-1971.

[13]Hodgkinson J， Shan Q， Pride R D. Detection of a simulated gas leak in a wind tunnel[J]. Measurement Science and Technology， 2006， 17（6）： 1586.

[14]肖淑衡， 梁棟. 液化天然氣站氣體泄漏擴散的模擬實驗[J]. 中山大學學報論叢， 2007， 27（2）： 92-95.

[15]李振林， 姚孝庭， 張永學， 等. 基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J]. 油氣儲運， 2008， 27（5）： 38-41.

[16]熊兆洪， 李振林， 宮敬， 等. 埋地管道小泄漏模型及數(shù)值求解[J]. 石油學報， 2012， 33（3）： 493-498.

[17]謝昱姝， 吳宗之， 呂良海， 等. 城市管道天然氣在土壤中泄漏擴散實驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)， 2012， 8（4）： 13-17.

[18]Luo Q， Li Z， Li K， et al. Numerical Model for Small Leakage of Buried Natural Gas Pipeline[C]//ICPTT 2013@ sTrenchless Technology.ASCE，2013： 366-379.

[19]陳淑星. 溫度壓強對甲烷紅外光譜的影響[J]. 光譜實驗室， 2012， 29（006）： 3273-3278.

[20]夏慧， 劉文清， 張玉鈞， 等. 可調(diào)諧半導體激光吸收光譜法對高溫甲烷的測量研究[J]. 光學技術(shù)， 2008， 34（2）： 298-301.

[21]周斌， 劉文清. 差分光吸收光譜法測定大氣污染氣體的研究[J]. 環(huán)境科學研究， 2001， 14（5）： 23-26.

[22]周斌， 劉文清. 差分吸收光譜法測量大氣污染的測量誤差分析[J]. 光學學報， 2002， 22（8）： 957-961.

[23]陳偉根， 彭曉娟，等. 基于分布反饋半導體激光器的CO氣體光聲光譜檢測特性[J].中國電機工程學報， 2012， 32（13）： 124-130.

Freeport-McMoRan公司可能削減北美小型銅鉬礦產(chǎn)量

自由港麥克莫蘭（Freeport-McMoRan）在北美的小型銅礦和鉬礦可能減產(chǎn)，以幫助削減成本，此前該公司在大宗商品價格低迷之際對成本和支出進行了評估。作為最大的美國上市銅生產(chǎn)商，自由港公司稱正在重新審視礦業(yè)及石油天然氣業(yè)務，以便額外大幅削減資本支出和運營成本，因銅、鉬、石油和黃金價格疲軟。 今年該公司估價下跌一半，因擔心該公司沉重的債務負擔，且銅價跌至六年低位。倫敦金屬交易所（LME）三個月期銅周二收盤上漲2.2%至每噸5，300美元，周一收報5，188美元，且曾觸及六年低位5，164美元。

Morningstar的分析師Daniel Rohr表示，該公司可能減少旗下北美一些運作的產(chǎn)量來削減成本，2008-09年度也曾如此。

鉬是一些銅礦生產(chǎn)的副產(chǎn)品。

自由港并未給出這些礦山的成本數(shù)據(jù)。在截至6月的三個月內(nèi)，北美礦場生產(chǎn)的凈現(xiàn)金成本為每磅1.74美元。而位于印尼礦廠生產(chǎn)銅的凈現(xiàn)金成本僅為每磅81美分，位于非洲的Tenke礦為1.07美元，而南美運作為1.90美元。

福四通金屬分析師Ed Meir指出，減產(chǎn)將成為“明年多數(shù)商品市場的主題”。Jefferies的分析師Christopher LaFemina在一份給客戶的報告中稱，盡管減少成本和支出是正確的方向，投資者可能將繼續(xù)關(guān)注該公司高達209億美元的沉重債務負擔。