spe 57461
空中檢測天然氣管道洩漏的評價
k. aminian, spe, a. chamorro, spe, s.
ameri, spe, and h.i. bilgesu, spe, west virginia university
摘要管道的洩漏是天然氣工業關注的主要問題之一。它可能導致收入損失、對環境的破壞以及對公共安全存在潛在危害。為保證管道的安全性和可靠性，每年都要在地面上進行檢測。
考慮到天然氣管道的里程數，這種方法會非常的耗時而且**也非常昂貴，所以開發其它能夠快速檢測天然氣管道的專案是非常有前景的。依靠識別死去的植被來檢測洩漏源的空中視覺檢測法有很大侷限性。而基於管道洩漏點與周圍環境的發熱差異利用紅外技術來檢測洩漏的方法還沒有發展到乙個非常可靠的水平。
最近，一種有效的管道洩漏空中檢測系統已經發展起來了。這個系統是一架裝備有烴焰電離檢測器的飛機。這種烴類檢測器可以對在管道地帶上方飛行時所採集的樣本進行分析。
比背景天然氣濃度水平高的異常地帶就可能是乙個潛在的洩漏點。然而空中檢測的準確性和可靠性仍是值得懷疑的。這篇文章陳述了對空中檢測的準確性和可靠性進行評估的模擬研究和現場實驗的的結果。
浮煙的上公升與擴散已經研究的很透徹了，因為他的主要機理就是就是煙氣在環境中的擴散。這項研究包含了乙個能夠**垂直噴射氣上公升體軌跡和擴散過程的模型。為了進行現場實驗，這個裝置隨後得到了改進，開發出了有好的（基於windows的）輸入輸出介面，並進行了靈敏度分析。
這個模型的研究結果被應用到了飛機航線的選擇中。在現場實驗的過程中通過釋放天然氣來仿造管道洩漏點。通過把模型預報與實測的氣含量相比較來評估模型的可**性。
結果顯示這個模型可以用作設計航線以及分析現場資料。
概述考慮到天然氣管道的里程數，天然氣管道肯定存在洩漏。乙個有效保證天然氣管道可靠性和安全性的策略是在早期檢測出洩漏點，以免其造成大的破裂。每年的地面管道檢測是檢測管道洩漏的主要方法，然而這種方法不但耗時而且昂貴，所以發展一種快速的天然氣管道檢測方法對天然氣工業來說有著重大的意義。
空中視覺檢測就是飛行員在管道地帶上方飛行全程的視覺檢測。這種傳統的方式是依靠識別死去的植被來檢測洩漏源的，它只限於在夏天和植被茂盛的的地區使用。紅外技術也被考慮用於管道洩漏檢測，這種方法利用管道洩漏點與周圍環境放熱的差異來識別管道洩漏點，但是這項技術難於應用在氣候寒冷或有茂密植被覆蓋的地方。
現在已經研製出了一種裝備有火焰電離探測器的用來探測洩漏產生的煙柱的新型空中檢測系統1，它的重要潛質是能能節約時間和費用。執行空中檢測的首選是雙引擎飛機，當地形條件不利於操作固定翼飛機時也可使用***。這個系統的核心是乙個應用火焰電離檢測器（fid）分析從飛機進氣孔吸入的未經擾動的空氣的烴分析器，通過機載資料採集系統可以獲得氣體檢測結果並且能把結果進行數位化儲存以便稍後進行的再現和分析。
在飛行過程中，各個取樣點的位置也會被機載地理定位系統（gps）記錄下來，這些資料由攝像機採集並在顯示器上顯示出來。通過這種方法飛機上的人員就能告知地面上的人員哪個地方可能存在洩漏。在緊急情況下，這種方法對迅速查明洩漏源是非常有幫助的。
通過顯示器操作人員也能識別出顯而易見的烴釋放源，比如農場和壓氣站等。溫度、風速和降雨等因素會影響檢測結果。一般溫度在零度以上，風速在10海浬以下並且沒有降水的天氣是比較理想的。
在這樣的條件下，由洩漏點釋放出的氣體才會被較好的檢測到，並且洩漏源的位置也會被資料採集系統根據檢測結果所確定。
為了檢測到氣體的異常，飛機在通過甲烷濃度高於背景濃度的的洩漏點時要能夠保證fid有足夠長的反映時間。fid能在5秒內達到訊號最大強度的85%，飛行高度上的氣體也可能不能使儀器訊號強度達到100%，但應當指出的是即使取樣時間短也可檢測出天然氣的存在，雖然訊號強度會降低。然而天然氣的精確濃度並不是問題的關鍵，它只需要定性的檢測到天然氣濃度高於背景濃度進而找到乙個潛在的洩漏源。
這種天然氣管道洩漏檢測系統需要像其他檢測方法一樣考慮它的試用條件。。這些問題可能導致在飛行檢測中一些洩漏點的漏檢。為了解決這些問題就必須研究甲烷氣體在特定氣象條件下的擴散規律。
這項研究採用了理論和實際兩種途徑研究了飛行高度上的氣象條件對甲烷氣體擴散和對檢測結果的影響。
研究概況
浮煙的上公升與擴散已經研究的很透徹了，因為他的主要機理就是就是煙氣在環境中的擴散。這個浮煙上公升模型是在流體流動規律的基礎上發展起來的。早期浮煙上公升模型的背景資料能在大量的文獻上被的檢索到。
最近開發除了一種被稱作degadis (dense gas dispersion)的完善的計算機模型。該模型已被風洞試驗以及涉及液化天然氣、丙烷、氟里昂、氨氣、四氧化二氮和氫氟烴的平坦地形洩漏檢測實驗所驗證。degadis最初是為研究比空氣重的毒性可燃蒸氣煙柱的擴散開發的，後來乙個噴氣源模型與degadis進行了結合，進而提供了一種**噴射氣體在正負浮力作用下在垂直方向上的軌跡和擴散情況的模型。
氣體是被從同樣外形的圓孔以同樣的速度噴出的，雖然原始的洩漏源不是圓的，但可以用同樣面積的圓孔模擬出來。所以雖然degadis並沒有被證明對甲烷也試用，但也可以用來研究天然氣在大氣中的擴散。
在這裡有必要討論一下一些重要的氣象學因素，因為它們對氣體在大氣中的擴散作用影響很大，風速、風向以及大氣的穩定性對評價任何源的擴散都是非常重要的。風通過在氣體洩漏時分散氣體分子來對其進行稀釋，渦流是通過使氣體與周圍空氣混合來降低氣體濃度，而垂直方向上的對流要受到地表地形和大氣穩定性的影響。在這些最簡單的條件下，大氣的穩定性就是其抑制或者加強垂直運動的趨勢，要麼抑制要麼加強渦流。
雖然表面光潔度、風速、風的剪下對大氣渦流有一定影響，但在低氣壓的時候它很大程度上取決於豎直方向上的溫度梯度。表1中列出了常用的6類大氣穩定程度並用字母進行了等級劃分。在大氣穩定程度範圍的劃分中最強大的渦旋對應著最不穩定等級，最弱的渦旋對應著最低一級的不穩定程度。
在表1中已經給出了最常用的基於氣象學的大氣穩定程度的測量方法。
方法學這項研究的目的在於評估空中洩漏檢測系統找出地面天然氣洩漏的能力。為了達到這個目的，首先我們要得到degadis模型並在友好的輸入輸出程式方面進行加強。而後要進行一項應用這個模型識別影響天然氣在大氣中擴散的主要引數的引數研究，這項研究的結果可以被應用到了最佳航線的設計中。
隨後這個空中檢測系統可被應用到測試通過在飛行高度上進行空氣取樣是否能檢測出仿造的地面洩漏的研究中。最後用空中檢測的結果與模型的**進行比較，。
（1）模型
degadis有關噴射洩漏的輸入輸出程式是用高階程式語言編寫的並且使用起來非常麻煩，此外它還不能提供任何的**。但重要的資料處理過程又必然要求生成令人滿意的**輸出。為了增加這個模型的可用性，科研人員已經用vb開發出了一種新的輸入程式。
這個程式包含了乙個能夠建立、編輯檔案並能把輸入的檔案列入目錄的有好的檔案管理器。然後科研人員又編制了乙個能夠讓主要高階語言程**對輸入檔案進行處理的高階語言互動程式，然後這個互動程式把輸出結果返回到新的vb輸出程式以加強可用性。當然這個程式中也包含了為**加工服務的互動程式。
該模型需要輸入大量的引數。這些引數可以歸納為大氣引數、氣體汙染物性質和洩漏條件三類。大氣引數包括風速、表面光潔度、穩定程度、周圍的氣壓、溫度及濕度等。
汙染物性質包括分子量、洩漏溫度和比熱。該模型的程式有乙個包含了一系列氣體如氨、氯、甲烷、氮氧化物以及丙烷等汙染物性質資料庫，通過新增必要的性質，新的汙染物也可以被新增到資料庫中。汙染物釋放條件包括洩漏速度，源直徑，和源高程。
該模型的輸出資訊能夠提供洩漏氣體中心下風向的位置和濃度資訊，更好的是它還可以在輸出資訊中顯示在任何高度上洩漏氣體的濃度和寬度。這些資訊可以被運用到繪製必要的顯示特定高度下氣體濃度在下風向的變化的輸出圖形（如圖1到3）或繪製特定高度的等濃度線（如圖4）。
（2）引數研究
degadis模型被用來**甲烷在一系列大氣條件下擴散作用的特徵，這些條件有風速、穩定性以及洩漏速度、源直徑和源高程等。在表2中已經給出了一系列變化的引數，其中洩漏速度、風速、大氣穩定性是影響由源洩漏出的天然氣在大氣中擴散的主要因素。圖1顯示了在海拔100英呎的區域上**的在一系列特定引數下不同洩漏速率下的氣體濃度。
在風速為4.5英里/小時且大氣穩定程度為中等的條件下，濃度的峰值會出現在下風向600-700英呎處。圖1顯示在25標準立方英呎/分（scfm）的洩漏速率下，該氣體的濃度不會超過百萬分之二，這個濃度低於空中檢測系統所探測到的最低濃度，但是在洩漏速率達到50或100scfm的時候，在100英呎高度上的氣體濃度將處在可探測範圍內。
飛機在以100英里的時速飛行時，fid探測器將有足夠長（6-7秒）的響應時間。但當飛行高度為200英呎時，無論以什麼樣的洩漏速率和什麼樣的飛行速度，氣體濃度都不會達到儀器所能探測到的最低濃度。
如圖2和3所示，在洩漏速度為100scfm或其它特定條件下，風速和大氣穩定程度對氣體濃度有著非常大的影響。這裡著重要指出的是，圖1、2、3所給出的濃度是100英呎高度處氣體的中心濃度。然而，在進行空中檢測的時候並不能確定洩漏點的位置，並且飛機的航線可能與中心線並不一致。
所謂中心線就是洩漏點的下風向，它有最大的氣體濃度和無線的長度。因此在任何條件下都要考慮煙柱的寬度。圖4給出了乙個典型的等濃度線。
從中我們可以看出，濃度和煙柱長度是隨著側風帶長度的增加而減小的。所以如果飛行航線不與洩漏點的煙柱相交空中洩漏檢測系統可能就不能檢測到煙柱。因而保證飛行航線與煙柱在下風向和側風向上相交若干次是非常重要的。
（3）現場實驗
為了評估空中洩漏檢測系統在多種地形和洩漏速率下檢測洩漏的能力，科研人員在西維吉尼亞州的韋特格爾縣進行了三個實驗，這三個測試點均位於乙個直徑為兩公里的圓形區域內，測試站點1和2分別位於乙個極其陡峭的山坡的底部和頂部的附近，這座山在兩個相鄰的山谷之間形成了一道山脊。他們的水平距離約1000英呎，測試點2的海拔高度比測試點1高650英呎。測試點3靠近乙個南北走向的山脊的頂部，在其東邊是乙個緩坡，在其西邊是乙個植被茂盛的峭壁。
測試點3的西邊還有乙個植物提煉廠和乙個壓氣站。地面管道洩漏點是由乙個運送天然氣的直徑2英吋長50英呎的彎曲的pvc管和乙個散射器來模擬的。
在認真研究了引數研究的結果後，科研人員為本次空中檢測設計出了最佳航線。飛行高度被定為100英呎，因為如果高於100英呎就會有錯過煙柱的風險，如果低於100英呎，飛行中就會遇到很多障礙。這個實驗先從乙個可計量的常規燃氣管道的洩漏開始，然後經過幾分鐘的煙柱穩定，三個測試點在順風和側風方向上的空中檢測就可以開始了。
因為周圍地形的關係，空中監測系統被安裝在了***上。在所有的飛行中選擇的偏移距離、洩漏點的下風向、和取得的成果均是不同的，其所對應的實驗條件諸如飛機的速度和高度、風速、天然氣洩漏速率、氣溫和氣壓都要在地面上進行記錄，所以在實驗過程中地面人員要時刻和飛機保持聯絡。地面人員要向機組人員提供風況資訊以幫助飛機調整航線。
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