杜思雨, 薛 生,b, 鄭春山,b
(安徽理工大學(xué)a.能源與安全學(xué)院;b.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南232001)
管道運(yùn)輸是城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔偷闹饕绞剑艿啦馁|(zhì)主要有鋼管和PE管兩種[1]。雖然管道運(yùn)輸被認(rèn)為是最安全的油氣運(yùn)輸方式,但由于管道使用年限過久、三方破壞等原因?qū)е氯細(xì)夤艿佬孤?]。泄露的燃?xì)鈺?huì)在土壤、大氣中擴(kuò)散,造成空氣污染及經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)燃?xì)膺_(dá)到一定濃度時(shí),可能引發(fā)爆炸,危及公共安全,甚至造成人員傷亡[3]。因此,及時(shí)探知泄漏的發(fā)生,并精確定位泄漏點(diǎn)的位置,為管道的修復(fù)贏得時(shí)間,是當(dāng)今管道運(yùn)輸急需解決的問題。
近年來,國內(nèi)高校搭建燃?xì)夤艿老到y(tǒng),對(duì)管道泄漏問題展開研究。李祖鵬[4]設(shè)計(jì)了一套由長輸管線作為氣源的高中低三級(jí)管網(wǎng)輸配系統(tǒng),用來模擬目前常用的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配系統(tǒng),研究管道基本參數(shù)對(duì)燃?xì)廨斄康挠绊?,管線泄漏對(duì)工況的影響,管網(wǎng)壓力平衡現(xiàn)象等;趙金輝[5]依據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缹?shí)際情況,搭建架空城鎮(zhèn)燃?xì)庵惫艿馈⒅罟艿篮铜h(huán)狀管道綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了不同泄漏孔徑下的管道監(jiān)測與定位研究;高華[6]敷設(shè)埋深約為0.5 m的直管道,研究埋地燃?xì)夤艿赖男孤U(kuò)散規(guī)律、泄漏定位等;潘碧霞[7]搭建了大型氣液管道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),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(duì)象,模擬泄漏工況,開展聲發(fā)射信號(hào)傳播特性等實(shí)驗(yàn)研究。
目前國內(nèi)高校設(shè)計(jì)搭建的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較少,且系統(tǒng)多以架空鋼管為主,埋地管道較少,且現(xiàn)有埋土管道埋深較小。本文根據(jù)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿缹?shí)際情況,設(shè)計(jì)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(tǒng);管道間連接、管道與變送器連接都選用法蘭連接,為后續(xù)不同管徑、不同泄漏點(diǎn)等研究提供了便利;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架空PE 管采用支架保護(hù)措施,深埋管道采用土體框架,管道埋深最大可達(dá)1.6 m。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為氣源控制模塊、架空環(huán)狀管道模塊、深埋土體管道模塊及數(shù)據(jù)采集控制模塊。氣源控制模塊由空壓機(jī)、過濾器、冷干機(jī)、儲(chǔ)氣罐等組成,為管道提供氣源;架空環(huán)形管道模塊分為架空環(huán)狀鋼管模型、架空環(huán)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示和閥門控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
開啟空壓機(jī),氣體通過空壓機(jī)加壓后,由過濾器對(duì)壓縮氣體中的粉塵、油、水進(jìn)行捕捉、吸附,進(jìn)入到儲(chǔ)氣罐,再經(jīng)過分水排水器排去液態(tài)水,除油器高精度除去壓縮空氣中油分,后由冷干機(jī)對(duì)壓縮氣體進(jìn)一步干燥。為了實(shí)現(xiàn)不同壓力、不同流量,在實(shí)驗(yàn)區(qū)域前安裝了精密的減壓閥和球閥。實(shí)驗(yàn)區(qū)域管道由電動(dòng)球閥控制,選擇管道模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集變送器數(shù)據(jù),上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和可視化,對(duì)是否有過壓、失壓等進(jìn)行安全判斷和反饋。壓縮空氣經(jīng)過實(shí)驗(yàn)區(qū)域管道后通過電動(dòng)球閥的控制,匯入第2緩沖罐以保證整個(gè)測試管道內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定,后經(jīng)過由電動(dòng)球閥控制的出口做放空處理,工作原理示意圖如圖2所示。
《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(GB50028—2006)》第6.1.6條規(guī)定[8],燃?xì)夤艿腊凑赵O(shè)計(jì)壓力分為:高壓燃?xì)夤艿繟(2.5 MPa <p≤4.0 MPa)、高壓燃?xì)夤艿繠(1.6 MPa <p≤2.5 MPa)、次高壓燃?xì)夤艿繟(0.8 MPa <p≤1.6 MPa)、次高壓燃?xì)夤艿繠(0.4 MPa <p≤0.8 MPa)、中壓燃?xì)夤艿繟(0.2 MPa <p≤0.4 MPa)、中壓燃?xì)夤艿繠(0.01 MPa≤p≤0.2 MPa)、低壓燃?xì)夤艿溃╬ <0.01 MPa)。規(guī)范要求,四級(jí)地區(qū)地下燃?xì)夤艿缐毫Σ灰舜笥?.6 MPa,因此系統(tǒng)鋼管設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,PE管設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa。
2.2.1 直管壁厚計(jì)算
圖2 氣源控制、架空管道和深埋管道工作原理圖
當(dāng)管道直徑較小時(shí),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(guī)范要求?!冻擎?zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(GB50028—2006)》第6.3.2條規(guī)定,燃?xì)怃摴芄鼙谟?jì)算
式中:δ 為鋼管壁厚,mm;σS為鋼管最低屈服強(qiáng)度,MPa;p 為設(shè)計(jì)壓力,MPa;F 為管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù);D為鋼管外徑,mm;φ 為焊縫系數(shù),根據(jù)GB50028 第6.9.4規(guī)定的鋼管標(biāo)準(zhǔn)時(shí)取1.0。
設(shè)計(jì)時(shí)選用不同鋼級(jí)計(jì)算來確定采用壁厚,表1是設(shè)計(jì)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(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管(GB/T9711—2017)》[10]。
表1 DN125 鋼管不同鋼種適用壁厚的比較結(jié)果
L245N 和L290N 鋼級(jí)的管材在國內(nèi)的長輸管道工程中被廣泛應(yīng)用,受最小生產(chǎn)壁厚的限制,選用L245 鋼級(jí)的無縫鋼管時(shí),鋼管外徑φ140 mm ×5.0 mm(20#)。
2.2.2 彎管壁厚計(jì)算
《中國石油天然氣管道工程有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/SY-GD-SJ)》第5.2 條規(guī)定[11],彎管成品管壁厚:
式中:δb為彎管的管壁計(jì)算厚度,mm;δ為彎管所連接的直管段鋼管計(jì)算壁厚,mm;m為管壁厚度增大系數(shù);R為彎管的曲率半徑,mm;D為彎管的外直徑,mm。
結(jié)合不同等級(jí)鋼管的選用壁厚,分別對(duì)3 級(jí)和4級(jí)地區(qū)的彎管段壁厚進(jìn)行計(jì)算(見表2),確定用無縫管制作,管徑φ140 mm ×5.5 mm。依據(jù)《中國石油天然氣管道工程有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/SY-GD-SJ)》及《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(GB50028—2006)》規(guī)定,對(duì)所選埋地管道進(jìn)行管道強(qiáng)度校核、穩(wěn)定性校核、徑向穩(wěn)定性驗(yàn)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(jù)材料的長期靜液壓強(qiáng)度的置信下限可分為PE32、PE40、PE63、PE80 和PE100 5 個(gè)等級(jí),燃?xì)廨斔陀肞E80 和PE100 等級(jí)的中/高密度聚乙烯管。根據(jù)《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁≒E)管道系統(tǒng)第一部分:管材(GB15558.1—2015)》[12],考慮管道的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、裂紋抵抗能力、剛度、埋深等,選用等級(jí)為PE100,SDR(標(biāo)準(zhǔn)尺寸比)11 的管材,PE 管道外徑(140 ×11.4)mm。
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(jié)構(gòu)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(qiáng)筋鋼板整體焊接而成,實(shí)驗(yàn)用鋼管和PE 管從下部第2 層框架通過。
2.4.1 管道摩擦阻力
圖3 深埋土體框架立體圖
在實(shí)際城鎮(zhèn)燃?xì)饩W(wǎng)水力計(jì)算中,計(jì)算流量按高峰小時(shí)流量考慮,燃?xì)饬鲃?dòng)按照穩(wěn)定流量考慮。在穩(wěn)態(tài)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]。《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(GB50028—2006)》附錄C.0.2 規(guī)定,高中壓鋼管和PE管摩擦阻力公式為:
式中:p1為管道起點(diǎn)燃?xì)獾慕^對(duì)壓力,kPa;Re為雷諾數(shù);p2為管道終點(diǎn)燃?xì)獾慕^對(duì)壓力,kPa;ν為燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;L為燃?xì)夤艿赖挠?jì)算長度,m;Δ 為管壁內(nèi)表面的絕對(duì)粗糙度,mm;d 為燃?xì)夤艿赖墓軓?,mm;T為設(shè)計(jì)中采用的燃?xì)鉁囟?,K;Q0為標(biāo)況下燃?xì)夤艿赖挠?jì)算流量,m3/h;T0為標(biāo)況下的絕對(duì)溫度,273.15 K;λ為摩擦阻力系數(shù);ρ為燃?xì)獾拿芏龋琸g/m3。
2.4.2 局部壓力損失
當(dāng)燃?xì)饬鹘?jīng)閥門、變徑管等管道附件時(shí),會(huì)產(chǎn)生局部壓力損失,可按下式計(jì)算:
式中:Δp2為局部阻力的壓力損失,Pa;∑ζ為局部阻力系數(shù)總和;v為管段中的燃?xì)饬魉伲琺/s。
為切合實(shí)際情況,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)選擇天然氣,球閥開度為全開,依據(jù)目前城鎮(zhèn)管道的實(shí)際情況,選用經(jīng)濟(jì)流速范圍,NG實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水力學(xué)計(jì)算:ρ =0.75 kg/m3,υ =15 mm2/s,Δ =0.1/0.01 mm,設(shè)計(jì)溫度297.15 K,ζ =0.2(全開),公稱管徑為125 mm,ρa(bǔ)=1.293 1 kg/m3。表3 為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的水力計(jì)算。
表3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)水力計(jì)算
熱力計(jì)算為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選取合適的溫度變送器提供了依據(jù),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管道較短,忽略摩擦生熱對(duì)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(yīng)),采用簡化的舒霍夫溫降公式:
式中:K為總傳熱系數(shù),W/(m2·K);cp為定壓熱容比,kJ/(kg·℃);T1為起點(diǎn)介質(zhì)溫度,℃;T2為終點(diǎn)介質(zhì)溫度,℃;T0為管道環(huán)境溫度,℃;M 為實(shí)驗(yàn)管道運(yùn)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(diǎn)介質(zhì)溫度T1取值20 ~40 ℃,埋地管道環(huán)境溫度T0=20 ℃,鋼管、PE管道實(shí)驗(yàn)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(shù)K取5 ~10 W/(m2·K),架空管道環(huán)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?yàn)楸WC溫度測量的準(zhǔn)確性,要選擇精確度比較高的溫度變送器。
依據(jù)實(shí)驗(yàn)管道流速設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)壓力要求,選用上海德蒙壓縮機(jī)械有限公司生產(chǎn)的空壓機(jī)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(nèi),平臺(tái)采用冷凍式干燥機(jī);依據(jù)系統(tǒng)水利計(jì)算表,壓力變送器選用北京星儀傳感器制造有限公司生產(chǎn)的CYYZ11,量程為0 ~2.5 MPa,精度等級(jí)為0.25%;正常情況下,氣體的起點(diǎn)壓力較小、流量較大時(shí)或閥門開度較小時(shí),閥門兩端壓降較大,差壓變送器型號(hào)選用北京星儀傳感器制作有限公司生產(chǎn)的CYYZ3051,測量范圍0 ~200 kPa;依據(jù)表3 所計(jì)算最大流量662.7 m3/h,渦輪流量計(jì)型號(hào)選用江蘇榮豐自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)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(zhǔn)確度達(dá)±0.5%級(jí);依據(jù)熱力計(jì)算,溫度變送器型號(hào)選用北京星儀傳感器制造有限公司生產(chǎn)的CWDZ11,量程-50 ~100 ℃,插入管道深度為30 mm,精準(zhǔn)等級(jí)達(dá)±0.5 ℃。
模型實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)重要方法之一,相似理論是進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)的重要理論基礎(chǔ),也是實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型必須滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、初始條件與邊界條件相似。在恒定流、管徑相等、時(shí)間相似情況下,滿足兩流動(dòng)動(dòng)力相似。依據(jù)力多邊形相似理論,滿足雷諾準(zhǔn)則與佛勞德準(zhǔn)則,即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力相似。實(shí)際上兩個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足較為困難,兩流動(dòng)很難做到完全相似,只能近似相似,保證對(duì)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(dòng)時(shí),黏性力起主導(dǎo)作用。
城市輸配系統(tǒng)管道多處于水力光滑區(qū),若要兩流動(dòng)動(dòng)力相似,只需滿足雷諾準(zhǔn)則,即實(shí)驗(yàn)管道與實(shí)際管道中氣體流態(tài)同處于水力光滑區(qū)。使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流態(tài)判斷雷諾數(shù)[15]:
根據(jù)雷諾公式,其他條件保持不變的情況下,流速越大時(shí),雷諾數(shù)越大。如果實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大流速下,氣體的流態(tài)處于水力光滑區(qū),那么該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所有流速下氣體流態(tài)都將處于水力光滑區(qū)[16]。由表3 可知Re <Re1,系統(tǒng)氣體流態(tài)處于水力光滑區(qū),兩流流動(dòng)動(dòng)力相似,滿足相似準(zhǔn)則,模型具有實(shí)際意義。
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖4 所示,變送器組實(shí)時(shí)檢測管道信號(hào),高速采集卡實(shí)時(shí)采集壓降與壓力信號(hào),經(jīng)參數(shù)調(diào)整后發(fā)送到工控機(jī);渦輪流量計(jì)、溫度變送器直接與工控機(jī)進(jìn)行串口通信;工控機(jī)的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、顯示、查詢等功能,并將采集數(shù)據(jù)保存到SQL 數(shù)據(jù)庫。當(dāng)工控機(jī)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)置的閾值,工控機(jī)向PLC發(fā)送控制指令,控制現(xiàn)場閥門的開度。PLC 與上位機(jī)采用自由口通信。
圖4 數(shù)據(jù)采集與控制流程圖
系統(tǒng)硬件部分由變送器組、PLC、高速采集卡等組成。高速數(shù)據(jù)采集卡選用北京思邁科華技術(shù)有限公司生產(chǎn)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(shù)字輸入通道,4 數(shù)字輸出通道。PLC 選用三菱Fx3U,內(nèi)置16 入/16 出(繼電器),運(yùn)算處理速度:每一基本指令0.065 μs,每一應(yīng)用指令0.642 ~100 μs。
溫度變送器、渦輪流量計(jì)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(hào),然后發(fā)送給LabVIEW,選過LabVIEW 的DAQ、動(dòng)態(tài)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(duì)采集的值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[17],通過Database模塊將數(shù)據(jù)保存至My SQL 數(shù)據(jù)庫,設(shè)置參數(shù)閾值和測試流量閾值,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷管道是否泄漏,當(dāng)管道泄漏時(shí),報(bào)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
本文設(shè)計(jì)了城市燃?xì)廨斉涔艿老到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)管道包含深地與架空兩種管道敷設(shè)方式、PE管和鋼管兩種管道材質(zhì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了介紹,依據(jù)規(guī)范確定了鋼管設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,PE管設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa;對(duì)DN125 的鋼管、PE管直管段和彎管段壁厚進(jìn)行計(jì)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(duì)管道進(jìn)行水力計(jì)算和熱力計(jì)算,確定不同運(yùn)行工況下,管道的壓降和溫降;根據(jù)壓差、設(shè)計(jì)壓力、溫降等參數(shù)要求,對(duì)系統(tǒng)的氣源部分、變送器組進(jìn)行選型;設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),采用基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng),采集數(shù)據(jù)保存到My SQL 數(shù)據(jù)庫。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,可得出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)際管道都處于水力光滑區(qū),系統(tǒng)滿足雷諾準(zhǔn)則,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推廣。