基于稳态模型的井下抽采主管道泄漏检测方法研究.pdf

第16卷第9期 2020年9月 Vo l . 16 Na . 9 Sep . 2020 中国安全生产科学技术 Jo u r n a l o f Sa f et y Sc ien c e a n d Tec h n o l o g y doi 10. 11731/j . issn . 1673-193-. 2020. 09. 010 基于稳态模型的井下抽采主管道泄漏检测方法研究 张逸斌1,2，张浪1,2，张慧杰1,2，李伟1,2，刘彦青1,2，朱南南1,2 1煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013 定位精度；压力梯度法 中图分类号X936 ；TD712 文献标志码A 文章编号1673 - 193X2020 -09 -0064 -07 Rrsearch on iakagr drtr eton mrtod of undrrground ex traction main pipeline based on steady-state modei ZHANG Yibin12 , ZHANG La n g12 , ZHANG Hu ij iv12 , LI Wei12 , LI Ya n qin g12 , ZHU Na n n a n1 1. Min e Sa f et y Tec h n o l o g y Br a n c h , Ch in a Co a t Resea r c h In st it u t e , Beij in g 100013 , Ch in a 余小广等*10建立 管 体运动 模型, 提出对泄漏状态和严重程度的判别模型；郭寿松等*11 管道泄漏模拟实验,优化泄 产生的声波频 率与管 及测定距离间的数学关系模型； 伟 等*12 采用实验室模拟和现场实验的方法,验使用管 平方 曲 率对 管 识的 性；刘伟等*13 、韩宝坤等*14 学软件与 数值模拟软件相结合,对 然气管道内泄 特性进 行研究;许凌云等*15 针对油气管道泄漏检测过程中采 集数据信息精度低的问题，提出Ka l ma n滤波算法，改善 了管道泄 测精度 综上,大多数学者对于管道泄漏检测定位方法的研 究更偏向于地面正压流体管道，如天然气管道、石油输 送管道等,对于 管道泄 测方法的 研究相对较少,个别方法仅对管道泄漏区间进行检测, 且缺乏对泄 管道内流体运动规律的细化研究 本文主要针对泄漏程度较大的 主、干管 测,除关停、调泵等特殊情况外，长期 主管道内 及流量相对稳定， 基于稳态模型的压 力梯度法进行检测。依次 Co mso t数值模拟、宏岩 矿地面实验、阳煤五矿井下实验的方法验证其有效性及 性 1 基于稳态模型的管道泄漏检测原理 1・〔 压力梯度法管道泄漏检测原理〔 压力梯度法管道泄漏检测原理 管道内气体的稳态流动是指管道沿程上任1点的 流动参数只与该点的位置有关，而与时间无关压力梯 测原理为分 管道首 的压才 变化从而判断管道泄漏与否。当管道处于稳定状态时, 以近似认为管内 性变化 ；当管道突 发泄漏并再次达到稳定状态后，抽采管道内 分布如 图1所示。由于 管道发生泄漏时外界气体瞬间流 入,使得漏点 较无泄漏时发生突变， 点 后的压力梯度不一致且图像出现明显的 现象时则 认 为管 生 泄 , 为管 点 图1压力梯度法定位示意 Fig. 1 Schematic diagram of locating with presssre grad nent 1.2 管道阻力计算公式修正管道阻力计算公式修正 系统的复杂化，抽采管道阻力的 准确核算极为重要,但实际工作中 系统 计算结 与实际结 在较大偏差,因此为了更为 i地 对 管 程 计 , 得 到 管 度，添加局部摩擦阻力修正系数9“,抽采管道总阻力修 正系数92 ,得到最终 管道的 计算修正如 式（1）所 [919681 [ 41923 Z 务。（1“ 式中[为管道损失压力，Po； L为管长,m； 为管 道内气体为时的绝对温度,K； 为标况下绝对温度, 0 273 K；0为标况下气体密度,kg /m3 ；卩为管道内气 体绝对压力,Po；C为标况大气压力，Po；.为标况气体 运动黏度,Y/t； Z为标况管道内气体流量,m3/h ； 为 管道内壁的当量绝对粗糙度,m； F为管道内径，m； 9“为 局部摩擦阻力修正系数；9为 管道总阻力修正系数 1.3 管道漏点定位原理管道漏点定位原理 管道检测参数显示负压发生明显 突变时， 管 生泄漏，由管首 数 据，带入抽采管道阻力计 中,计 点管 r , 推 出管道首 及 拟合方程, 计算拟合方程交点即为漏点位置 2压力梯度法管道检测数值模拟研究 281 为了模拟不同泄漏程度下抽采管道内流体运动规 律，并判断漏点检测可行性，采用COMSOL Mu l t ip h y sic s 软件进行模拟建立长为100 m,管径800 mm的三维 仿真管道,管内 料 为 体,模型 Re a l iza bl e 9 - 流模型。抽采管道泄漏模型示意如图2 所示,并提出以下假设 ・66・中国安全生产科学技术第16卷 流量传感器瓦斯抽采漏点 主管道r 压力传感器 △Mg 图2瓦斯抽采主管道泄漏示意 Fig. 2 Schematic diagram for leakage of maic gas extraction picelice 1 “假设瓦斯抽采管道内为一维不可压缩气体的稳 态流动。 。 2 暂不考虑温度对管道的影响，气体在管道内的流 动为等温流动。 。 现场实际情况,管道内部为负压设置,管道入 口选取速度入口,管道出口选取压力出口，中间漏点设 置为压力出口， ，模型边界设置为壁， ，管道粗糙度为0. 000 5 m 模型中网格划分 自由剖分三角形网格进行划 分， ，物理场 格单元大小 常规, ,单元数为 1 459 933 模型具体网格划分效果局部图如图3所示 图3管道泄漏网格划分局部效果 Fig. 3 Locai diagram for mesh partition effect of picelice leakage 抽采管道泄漏程度对管道泄漏检测定位精度存在 一定的 ， ，为了验 的 性并总结 I 规律， ，对 同泄漏程度管 仿真模拟 建立 i气 体负压管道模型，速度入口设置为13 m/s，压力出口设 置为相对压力-40 000 Po, ,漏点设置为压力入口 0 Po, , 漏点位置设在管道中心50 m , ,泄 次设置 为0.03 , ,0.05 , ,0.08 m并与未发生泄漏情况进行对比 2.2管道泄漏检测模拟分析管道泄漏检测模拟分析 图4为不同泄漏程度下管道内部流速云图, ,图5为 不同泄漏程 管道内 图。由图4可知抽采 管道正常运行时管道内流 于 且管内流 均 分布 ； ； 管泄 的增大, ,管内流线呈 现出 的 ， ，说 管道泄漏程度的加大，漏点 、 、 显著突变， ， 湍流效应的 ， ，这一 特征符合管道流体运动规律预期。由图5可知 当管道 正 常 运 , , 管 内 分 布 现 出 管 降的 ； ；当发生泄漏时，漏点 显 ， ，且 ‘ 管道泄漏程 大，漏点 减小, ,因此管道内 使 波 点处向管 传播 为了验证基于管道稳态模型的 对抽采 管道泄 测的 性，各泄程 分别截取管道相 同位置的首 数 拟合, ,求得首 拟合 方程的交点即为理 点, ,并分析理 点与实 点 间的相对误差 管道泄漏程度对定位结果影响统计见 1 1 以出， ， 对于管 点的判 定具有较高的准确性, ,且其他条件恒定时，随着管道泄 的扩大, ,管的漏入量越大， ， 的相对 越 小 ， ， 管 泄 程 的 大 ， ， 管 泄 测 的 越好 3基于压力梯度法的泄漏检测实验 3. . 实验方案设计实验方案设计 在 吕 面泵站搭建瓦斯抽采管道泄 逮度场 尹, 10 9 L/m-s_1 14 13 WCm-s-1 100 80 60 4“ 流线速丿 a不发生泄漏b漏孔半径0.03 m c 漏孔半径0.05 md泄漏孔半径0.08 m 图4 不同泄漏程度下管道内部流速云图 Fig. 4 Cloud map of icternai flow velocity ic picelices with different leakage degrees 第9期中国安全生产科学技术・67・ （a）不发生泄漏 -4.000 -4.050 -4.100 -4.10 4.20 f 4550 （c）漏孔半径0.05 m （b）漏孔半径0.03 m 图5不同泄漏程度下管道内部压力云图 Fig. 5 Cloud map of inte rnai pre s sure in pineline s with diffe re nt leakage de g re e s 表1管道泄漏程度对定位结果影响统计 Table 1 Statistics on influe nc e of pine line leakage de g re e on locating r e s uUs 点 首拟合方程拟合方程计 点/m实 点/m相对 / 点 0.03 mA - 1. 096 91 b -39 883. 27A - 1. 1 34 96b -39 881. 3 949.46501.08 漏点半径0.05 mA - 1. 097 41 b -397 66. 1 2A -2. 080 16b -398 15. 6950.44500.88 点 0.08 mA - 1. 1 00 39b -39 875. 85A -5. 1 93 15b -39 669. 9150.32500.64 漏检测实验平台，通过人为设置漏点，采集管道泄漏前 后管道监测参数,验证压力梯度法对管道泄 测与漏 点 的有效性及可靠性 管泄 测现场实 验示意如图6所示在宏岩矿地面泵站连接1根长约 100 m的井下抽采软管并使用管 和生料 E 行密封在管道中间安设孔板及 ，分 于测量管 道负压、流量及控制管道泄漏程度,并对管道泄漏前后 参数进行现场采集,对比分析各泄漏程度下的泄漏检测 稳定性 ①， ②， ③， ④， ⑤号 板 、 流 量 3）上述 的管道参数代入宏岩矿地面管道阻 力计算修正 求得管 点 ，并绘制管道首 J 、流量变化图,分管道泄 测 3・2 实验数据采集 现场测得的孔板前后端压差值,测量地点的大 气压力，管内的气体 、温、 ，推出管 中的流量大小,并对管道泄漏前后测得参数进行对比 分析管道实验参数统计见表2 图6抽采管道泄漏检测现场实验示意 Fig. 6 Schematk diagram for fieli experiments of iakage detection on extraction pineline 实验具体步骤为 1） 模拟不泄漏条件,调节控制阀，依次测定①,②, ③，④，⑤号孔板的 、流量，并计算管道修正系数92 2） 模拟泄 件，开启管道中心 ，并次测定 表 2 实 计 Table 2 Statistics on pineline experimental parameters 管道参数统计结果 管道直径（ ） /mm50 孔板直径（F ） /mm25 截面比（8 ）0.25 管道测试温度（Q/C27.4 当地大气压（）/kPa88.9 管道内壁当量绝对粗糙度（-）/m0.000 5 标准状况下气体运动粘度（；）/（m2・s-1 ）1.578 7 x 10 -5 标准状况下气体密度（0 ）/（ kg・m-3 ）1.293 实际孔板流量特性系数（1）0.063 3 ・68・中国安全生产科学技术第16卷 3.3 实验结果分析实验结果分析 实验现场 的管道参数数据， ，排除实验存在 不可避免的系统误差，宏岩矿地面管道泄漏前后参数对 比如图7所。由图7可知，当管未发生泄漏时，宏 面管道的流量几 ， ， 流体在管 道中的运动方向呈现出较为 的趋势， ，上述规律 均符合管道流动客观规律。当管 中心 泄 时，由于外部空气大量涌入， ， 点 管道 压力呈现出明显突变，漏突变，漏点 较较小，漏，漏点 E 力梯度较大，漏点 分布曲线呈现出明显的偏折 现象 同时漏点 管道流量也呈现出明显的突变现 象，漏点 流量增量较小，漏点后流量显著增大， ，验 了 基于稳态模型的 对于管道泄 测与定位 的 性 U U I M *垢 管长/H1 图7宏岩矿地面管道泄漏前后参数对比 Fig. 7 Comparison of parameters before and after leakage of ground pinelines in Hongyan mine 本次实验位于宏岩矿地面泵站，由于实验所用材料 均为现场制备， ，管道搭建过程中存在微小漏气的情况在 所难免， ，且管道参数的读取并非采用精密传感器，故存 在 系统 的 情 对 管 点 运 检测与定位，基于管道压力损失推导公式1及现场观 测数据， ，推得到 面实验管 计算修正公 式2 ，，于幅所限， ，且计 程与 五 测试 相似，故省略部分数据。当人为设置漏点位置为22.5 m 时， ，拟合管道首 分布方程， ，推 出理 点位 置为27 m，实验计算结果绝对误差为4.5 m，相对误差 为 6 ， ， 验 了 对 于 现 场 实 管 泄 测 定位的可靠性及准确性 [[1 -“96 7 68.8[ ■| 1 923 斛 等％ 斛 等％ C 2 4阳煤五矿井下抽采管道检测效果分析 阳煤五矿位于山西省平定县城西南侧，本次管道泄 漏检测与定位井下现场实验选择在位于 南方向 的 系统中的842“高 及其所连接的小南 ， ， 系 统管 全 7 542 m ， ， 管 为 700 mm ， ， 为 27 实 ， ， 最终 管 有人工检测孔的 “ 685 m的抽 管 测 ， ， 测 数 3 所 五 现 场 实 测 参 数 ， ， 对 管 计 修 正 ， ， 得到 合 五 现 场 情 的 修 正 ， ， 并 得 到 煤五矿现场 测数据计 4所示 局部摩擦 修正系数 9 1 为 1.1 ， ， 4 现 场 数 计 得 抽采管道总阻力修正系数92为“.“7， ，推导得出适用于 次 实 验 的 管 3 口 口 1 1 1 「 「 ； F|025 LO0 C T [ 1.“ X“.“7 X 68. 81 “ 923 I 0 3 842“高抽巷前后端设置“对检测孔，采用U型压 差计对管道首 、 、流量 测， ，现场 管道 布置如图8所示，当阀门关闭时，842“高抽巷近似于“ 无泄漏的负压管道打 时，连接裂隙帶 的管 工作，由于此处裂 较低，漏入 气体可近似视为空气，查表4空标况气体 ，从而 达到不破坏现场管道且不影响抽采管道正常运行即可 模拟管 生泄漏的目的 表3 8421高抽巷管道测试数据 Table 3 Piteline testing data of 8421 high extraction roadway 高 管管 Ta管 流量/m3・min-1 /温 TC 842“高抽巷测试管道首端-6 1663622713.5 8421 高 测 管 -“4 2604501912.8 第9期中国安全生产科学技术・69・ 表4阳煤五矿现场抽采检测数据计算 Table 4 Calculaticg table of fieli extraction detection data ic Yangmei No. 5 coai mice 抽采管道 管 粗糙度/m 管 / mm 标 体 / m2 ・ s-1 标况管道流量 /m3 ・ h-1 管长/ m 计管 i 失压力/Pa 总管道损失 压力/Pa 实测管道损 失压力/Pa 8136 高 5 X10-47001.578 7 x 10 -520 5406 27214 330.2014 330.2021 089 .60 5 x 10-48001.578 7 x 10 -521 904770 1 040.92 8406 高 5 x 10-46001.578 7 x 10 -521 9041 3897 438 .7920 025 .4125 453.76 5 x 10-47001.578 7 x 10 -521 9044 51111 545 .69 5 x 10-48001.578 7 x 10 -523 2351 5702 355.19 8410高抽巷5 x 10-46001.578 7 x 10 -523 2351 3898 259 .4223 429 .6225 935 .20 5 x 10-47001.578 7 x 10 -523 2354 51112 815.02 裂隙带抽采区 模拟泄漏位置 阀门 nTji 图8 8421高抽巷检测示意 Fig. 8 Schematic diagram for detection of 8421 high extract con roadway 基于压力梯度法检测原理，根据表3所测8421高 抽巷抽采管道首末端所测数据，带入公式3 推导得出 表5中管道首末端压力拟合方程如图9所。井下长 约1 685 m的抽采管道最终计算得到的泄漏位置距离管 道首端检测点约354 m,与管道实际泄漏位置220 m的 绝对误差约为134 m,相对误差约为7.95。由于井下 现场情况较为复杂，本次井下实验在不影响管道正常工 作的前提下进行测试,且采用人工测量管道负压的方 ,在人为因素 测量误差，最终 管道稳 态模型的 测出管道漏点 ， 以接 受，现实中 适量添加传感器数量或 高精度传 感器的方法提升检测精度对于漏点较多的问题，可以 表5 8421高抽巷漏点定位统计 Table 5 Statistics on location of leakage poicts ic 8421 high extraction roadway 管首拟合方程 管 拟合方程 测管 Tm 计 点 Tm实 点 Tm对 Tn 相对 / A - 2. 646 3b - 6 166 a - 5. 378 6b - 5 197 1 685 3542201347 .95 依据此方法，适当提升传感器密度加以解决 图9 8421高抽巷管道首末端负压推导 Fig. 9 Negative presssre derivation at head and end of picelice ic 8421 high extraction roadway 5结论 1 分析泄漏前后管道内压力变化规律，管道未泄漏 时，管内 分布，管 泄漏时，漏点 产生明显突变，且管内 分布呈现明显 现象，弯 为管 点 ， 此 出 基 于 稳 模 型 的 管道泄 测方法 2 对管 同泄漏程度进行模拟，结果表明， 随着管道泄漏程度的加大，湍流效应显著 ，漏点 速度、压力产生明显突变且 他条件恒定时，随着 管道泄 的扩大，管道的漏入量越大， 的相对 越小， 管泄漏程度的增大，管泄位 检测的 越好，并验证了检测方法的 性 3 基于 在 面 实验，实验结 果显示绝对误差为4.5 m，相对误差为6 依据阳煤 五 数据，对管 计 修正，局摩 -70 -中国安全生产科学技术第16卷 擦阻力修正系数91为1.1，抽采管道总阻力修正系数9 为1.17，最终在阳煤五矿井下8421抽采巷进行现场应 用，当测量管道长为1 685 m时，绝对误差为134 m相 对误差为7.95 参考文献参考文献 *1 刘见中，孙海涛，雷毅，等煤矿区煤层气幵发利用新技术现状及 发展趋势* J 煤炭学报,2020,45 1 258线67. 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