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1、收稿日期:2006 - 09 - 11 收修改稿日期:2007 - 03 - 02输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法述评于 明1,狄 彦2,帅 健1(1.中国石油大学(北京)机电学院,北京 102249;2.中石化科技部装储处,北京 100029)摘要:分析了研究输气管道泄漏率计算与扩散模拟对管道泄漏事故后果评价和事故处理的重要意义,综述了国内外输气管道泄漏率的稳态、 瞬态计算模型,指出其适用范围;总结了输气管道泄漏扩散模拟的各种方法及其优缺点,建议建立较简单的气体扩散模型,应用三维计算模型及湍流统计、 模式理论模拟输气管道泄漏情形。关键词:管道;天然气;泄漏率;风险评价;扩散模拟中图分类号:T
2、E973 文献标识码:A 文章编号:1004 - 9614(2007)04 - 0015 - 04Review on Leakage Calculation and Discharging Dispersion Simulation for G as PipelineY U Ming1,DI Yan2,SHUAIJian1(1. Department of Mechanical and Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2. Technology Development Department,SINOP
3、EC,Beijing 100029,China)Abstract :The important meaning of studyon leakage model and discharging dispersion simulationfor gas pipeline to accident conse2quence evaluation and accident treatment of pipeline leakage was analyzed. The steady and transient calculation models for gas pipelinewere summari
4、zed , and the applicable extension was indicated. Discharging dispersion simulation models and their characteristics for gaspipeline were presented. Establishing simple simulation models , simulating with 3 - D models and turbulent statistics theory and turbulentmodels theory were proposed.Key words
5、 :pipeline; gas;leakage rate; risk evaluation; dispersion simulation0 引言随着输气管道向大口径、 高压的方向发展,管道泄漏和爆裂的危险性随之增加,而天然气管线一般经过城市及居住区,一旦发生泄漏事故,将严重危害居民的人身及财产安全1 - 3。为了提高管道运输的安全性,管道管理部门必须对输气管道进行定量风险评价,把管道的盲目被动维修变为预知、 主动性维修,达到风险最小、 效益最大的目标,为准确制定天然气管道安全运行与抢修规程提供依据4 - 5。长输管道的定量风险评价包括管道的失效概率估算和失效后果估算。分析输气管道的失效后果时,
6、首先要确定气体的泄漏率,才能选用相应的气体扩散模型进行浓度预测和失效后果估算。管道泄漏危险区域的确定与泄漏率有直接的关系2,而输气管道泄漏扩散规律相当复杂,必须从扩散模式、 扩散规律及模拟方法等诸多方面进行深入研究,才能够较好地进行管道的风险评价4 - 5。1 天然气泄漏及扩散过程分析1.1 天然气管道泄漏过程分析引起管道输送介质大量意外流失的原因主要是管道泄漏和管道破裂2种情况6 - 7。大量管道事故分析报告的统计结果表明,导致管道泄漏的因素主要有内、 外腐蚀,施工损伤,焊接缺陷,接头缺陷和第三方破坏等;导致管道破裂的因素主要有第三方破坏、 超压、 焊接缺陷和腐蚀等。天然气泄漏过程实际上是射
7、流与膨胀过程的耦合8。天然气泄漏时的射流过程实质上是孔口喷出的天然气与周围空气进行动量、 质量和热量的交换,通常在孔口形成湍流自由射流,沿射流轴线整个射流的动量保持不变。天然气泄漏膨胀过程是一个绝热膨胀过程,由于其孔径较小,所以又可看作是一个平壁圆孔口。因此,输气管道天然气泄漏的膨胀过程是一个在平壁圆孔口上的绝热膨胀过程,其膨胀形状可模拟为半圆球状,其绝热膨胀过程可视为一个定熵过程。1.2 天然气管道泄漏扩散过程及其影响因素分析天然气在大气中的扩散是湍流过程,而且影响因素较多,多为不可控因素,主要有以下因素(包括泄漏条件及环境因素)5 ,8 - 12:(1)气体泄漏条件。包括气体泄漏速率、 泄
8、漏口径、 泄漏源的高度与位置、 泄漏时间等因素。泄漏速率较大时,下风向上各处气体浓度较大且危险区域大;泄漏口径较大、 泄漏时间较长,则危险区域较大。(2)重力及浮升力。由于天然气的密度与周围密度不同,所受的重力与浮力不平衡,使得整个射流和膨胀部分将上浮。天然气泄漏扩散中以浮力作用为主,重力作用导致其趋于下沉,地面浓度增加,下沉趋势随空气的不断稀释而减弱;浮力作用在泄漏扩散初期导致其趋于上升,地面浓度降低,上升趋势随空气不断稀释而减弱,并受温度的影响,当其被冷却至大气温度后,上升作用丧失。(3)风速、 风向。风向决定了气体扩散的范围,风速对天然2007年第4期管道技术与设备 Pipeline T
9、echnique and Equipment2007 No14 气扩散的影响较复杂。风速的大小决定了大气扩散稀释作用的强弱及污染物输送距离的远近。不同高度的风速是不断变化的,风速的影响会加剧空气和天然气之间的传热和传质,使天然气的扩散加剧,风速对扩散气团的迎风面和背风面的影响也不一样。天然气在扩散过程中,主风向的平流输送作用占主导地位。一方面,由于风对天然气气团的平流输送作用加剧,使天然气气团有往下风向输送的趋势,风速越大,输送作用越显著,由于气流卷吸混合作用加强,造成下风向处的气体浓度降低;另一方面,风使得湍流运动加剧,风速增大,引起脉动速度增大,湍流扩散作用增大,使天然气气团浓度下降,同时
10、湍流运动的加剧也使天然气气团与周围环境的热交换变得剧烈,使扩散的过冷气体温度迅速上升,天然气气团密度下降,在风的作用下更容易扩散,从而导致天然气气团浓度下降。(4)大气稳定度。是指在竖直方向上大气稳定的程度,即大气是否易于发生对流。稳定大气不利于气体的扩散,其气体扩散范围较小,浓度较高,同样条件下气体的停留时间较长。不稳定大气有利于气体的扩散,其气体扩散范围较大,浓度较低,停留时间较短。(5)其他因素。大气湿度与温度、 地表情况及气体密度(对其他气体而言)。2 天然气管道泄漏率计算模型气体泄漏率的常用计算方法有适用于小孔泄漏的孔模型和管道发生全截面断裂的管道模型。当管线破坏的孔径大于小孔径而小
11、于管径时,孔模型和管模型均不适用,而此情况在实际工程中总是存在的。图1描述了管内气体泄漏的过程,它表示距管段初始端L处管线发生破坏。图1 管内气体泄漏过程2.1 小孔径管道泄漏计算模型对于小孔模型,孔径较小,假设管内压力不受泄漏的影响而发生变化,忽略摩擦影响,气体膨胀过程为等熵过程,因而气体泄漏率恒定。计算公式如下13:Qh=CDAhp2MwZRT22/ (+1) + 1 - 11 2 ,pa p2Rcp(1)式中:Q为质量流量率,kg/ s;Mw为气体摩尔质量,g/ mol ;CD为排放系数;Ah为孔面积,m2;为热容比; Z为压缩因子; R为气体常数,J/ kmol ;T为温度,K;pa为
12、大气压力,MPa;Rcp为临界压力比, pa/ p2=2/ (1 +) / (- 1)。对于管道模型,不存在等熵膨胀过程,计算公式如下3 - 4:Qp=d24M2(p22)1 2=ApM2p 2Mw ZRT21 2(2)2.2 任意孔径泄漏计算模型任意孔径的天然气管道泄漏研究是实际情况中最常见的。当管内气体为亚临界绝热流动时,孔口处气体泄漏可以是临界流等熵运动或亚临界流运动,这取决于孔径与管径之比。计算模型主要包括气体在稳定状态下的泄漏率(即孔口处介质泄漏率不随时间变化)及瞬态下的泄漏率计算模型。2.2.1 稳态泄漏率的计算模型Helena15(1998)将气体考虑为理想气体,假设管道内绝热流
13、动,泄漏点为定熵流动,管内流动为一维流动,得到了稳态泄漏率计算模型如下:(1)管内为亚临界流动,孔径为临界流动时,泄漏率小于最大泄漏率,以u1、u2、p2、T2为未知变量;泄漏率大于等于最大泄漏率,以p1、u2、p2、T2为未知变量,求解如下方程:T2=Y1 Y2T1Ah App2Mw RT22 + 1+ 1 - 11 2=M2p2Mw RT11 2=M1p1Mw RT11 2+ 1 2lnM22M21Y1 Y2+(Ap/Ah)22/ (+ 1)+ 1 - 11 -M22M21+4fFLe d= 0(3)式中:fF为摩擦因子;Le为等效管道长度,m;d为管道直径,m;Ap为管道截面面积,m2.
14、(2)管内与孔径均为亚临界流动时,泄漏率小于最大泄漏率,以u1、u2、p2、T2为未知变量;泄漏率大于等于最大泄漏率,以p1、u2、p2、T2为未知变量,求解如下方程:Ah App2Mw RT22 - 1pa p22 -pa p2+1 1 2 =M2p2MwRT11 2 =M1p1MwRT11 2+1 2lnM22M21Y1 Y2+- 12(Ap/ Ah)2pa p1M2 M1Y2 Y11 22 -pa p1M2 M1Y2 Y11 2+1 1-M22M21+4fFLe d=0(4)(3)管内与孔径均为临界流动时,泄漏率小于最大泄漏率,以u1、Qh为未知变量;泄漏率大于等于最大泄漏率,以p1、Q
15、h为未知变量,求解如下方程:Qh=AhMp1Mw/ ( RT1)2/ (+1) + 1 - 11 2+1 2ln2Y1(+1) M2 1+(Ap/ Ah)22/ (+1) + 1 - 11 -1 M2+4fFLe d=0(5)该模型考虑气体为理想气体,在压力较高时该假设显然带16 Pipeline Technique and EquipmentJul12007 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载w w w . b z f x w . c o m来非常大的计算偏差,尚需考虑其他一些因素的影响。Jo和Ahn2、Dong Y H13 ,16 - 17等引入气体压缩因
16、子,将上述模型进行了修正,得到不同的参数计算公式,并在泄漏率计算公式中引入压缩因子,计算偏差大大缩小。Jo和Ahn3(2003)提出了估计高压气体管线泄漏率的简单模型,该模型考虑到由于管壁的摩擦损失而产生的管道沿线压降,并适用于无摩擦管道情况。该计算模型引入气体滞止参数,得到计算模型如下:Qh=d24M3 0p2tp01 p2t2 (- 1) M23+ 2+ 1 - 11 2p2t=p0(1 + 1)/ (+ 1)=2M2 32fFL d(+ 1)2 (- 1) M23+ 2(+ 1) / (- 1)(6)式中:为孔尺寸因子,=AhCD/ Ap; p2t为停滞压力,N/ m.尽管该模型适用于不
17、同种类的气体,但得到的结果比复杂的理论模型得到的结果偏高,偏差为020 %。在泄漏点接近配气处时,偏差一般减少到0 ,流体运动方程-p- 2fFpu2 L/ d=uu简化为p/L= - 2fFu2/ d忽略了动能项uu.显然,由于忽略了动能项将导致计算结果偏高。因此,为了减少由于忽略了动能项而产生的计算偏差,需要得到更加合理的计算模型。Luo J H14(2006)提出的简单模型计算偏差比复杂的理论模型计算结果偏高约7 % ,在泄漏点与配气处距离非常近时,偏差几乎为0。该模型将动能项uu简化为u2 ,得到泄漏率计算公式(二阶近似模型)为Qh=d2 41/ (2L) 0p0 + 1 + 1 1
18、+(- 1) / (1 -)= 22M23L (+ 1)2 (- 1) M2 3+ 2(+ 1) / (- 1)L=1 (+ 1)1 -p2tp0+ 1 +2M2 3 p2tp0+ 1 2 (- 1) M23+ 2(+ 1) / (- 1) lnp2t p02M23 p2tp0+ 1 2 (- 1) M2 3+ 2(+ 1) / (- 1)= 1 +ln(1 +) 2L (+ 1)11 -22 + 1(+ 1) / (- 1) 1 1 +(7)式中:L为无量纲定义管道长度,L= 2fFL/ d;,为方程中定义参数。2.2.2 瞬态泄漏率的计算模型13 ,15 - 17事实上,当孔径较大甚至管道
19、发生断裂时,气体的泄漏会引起阀门的关闭及其他保护措施的作用,管内压力逐渐降低。由于压降和摩擦的影响,泄漏率随时间发生变化,即Qt= -Vpdt dt(8)式中:Vp为管段容积,m3;t为瞬时密度,kg/ m3.(1)管内为亚临界流动,孔径为临界流动时,以p1、T1、u1、u2、p2、T2为未知变量,求解方程式(9)与式(3) :pt p0=F2/ (- 1) tTt T0=F2t(9)式中Ft= 1/ (1 +t) .(2)管内与孔径均为亚临界流动时,泄漏率小于最大泄漏率,以p1、T1、u1、u2、p2、T2为未知变量,求解方程为式(10)与式(4) :d dt= -(-B)1/2A C1p1
20、p0 sub=Tt T0sub/ (- 1)(10)式中:, B为方程中定义参数;下标0sub为亚音速流时稳态或初始值。(3)管内与孔径均为临界流动时,泄漏率小于最大泄漏率,以p1、T1、u1、Qh为未知变量,求解方程为式(9)与式(5)。同样,Dong Y H13 ,16 - 17等引入气体压缩因子,将上述瞬态模型进行了修正,得到不同的参数计算公式,并在泄漏率计算公式中引入压缩因子,计算偏差大大缩小。而且对于管道全破裂时,可用起始泄漏率的30 %代替平均泄漏率;小孔泄漏近似为稳态泄漏;在管内压力大于115 MPa时,可用起始泄漏率的30 %近似代替平均泄漏率。3 天然气管道泄漏扩散模拟方法国
21、内外对天然气管道泄漏后的扩散过程的研究还不够深入,尚未建立起完全适用于天然气泄漏扩散的理论模型,而对于气体泄漏扩散模拟的研究主要有理论模型求解、 自主编程模拟及利用商用软件进行模拟。早期的数学模型是适合于中性或正浮性气云被动扩散的Gaussian模型,即假设在扩散过程中气云的形状呈高斯分布,Sutton模型也被广泛应用。二者适用于相同压力的2种气体且2种气体间相对速度较低的条件下的扩散过程,且均没有考虑天然气管道泄漏所特有的初始喷射和重力作用对扩散的影响8,二者扩散参数均以多次大规模扩散试验统计而得出10。Zemman在1982年提出板块模型,将三维问题转化为一维第4期于明等:输气管道泄漏率计
22、算与扩散模拟方法述评17 w w w . b z f x w . c o m问题,可以处理定常态泄放扩散和瞬时泄放扩散(非定常态)20。研究人员提出应用板块模型对气体扩散进行模拟,考虑了重力、 浮力和初始速度对扩散的影响,但没有考虑高压气体喷射后的膨胀过程10。板块模型是将泄漏扩散的气体沿下风向分成若干板块,并假定同一板块内气体的性质(运动速度、密度、 温度等)是均一的,通过对整个板块进行动量、 质量及能量平衡的分析,列出其控制方程并进行求解,得到这些板块内均一的变量(如平均速度、 平均温度、 平均浓度) ,然后假设气体板块的浓度分布服从高斯分布(应用湍流扩散的统计理论) ,从而得到整个浓度场
23、的分布。板块模型考虑了重力、 浮力、 初始速度对扩散的影响,相对于Gaussian模型和Sutton模型更为合理、 全面。后来,有学者对板块模型进行了改进11。李又绿8等在考虑了天然气泄漏的射流过程、 膨胀过程、重力、 浮力、 风速等因素影响的基础上,建立了模拟天然气管道泄漏扩散模型,编程模拟出天然气管道泄漏扩散过程,其扩散区域随时间逐渐增大,由于风的作用逐渐向顺风方向偏移,浮升力的作用逐渐上浮,射流作用逐渐减弱,扩散作用逐渐增强。该模型考虑因素合理,选择的边界条件更加符合实际,但没有考虑大气温度、 大气压、 风向、 孔口形状(扁平射流模型)等因素的影响,需要进一步修正。孟志鹏21等利用K-模
24、型模拟中性气体的泄漏扩散情形,与试验数据进行对比,误差在20 %左右。金颖12等采用CFD模拟气体泄漏扩散,得到的烟气扩散与风速、 烟速、 烟气温度的关系与用正态分布假设下的统计规律一致。而且Fluent计算方便,便于对不同工况作比较,每次迭代约90次可达到收敛。借助于计算机图形的强大功能,其显示效果更直观、 形象。但是由于烟气扩散的复杂性,在实际情况中,地形起伏、 障碍物分布、 大气温度层结构以及周围环境的风速、 温度随高度的变化等因素对其扩散的影响需要进一步考虑。国内部分学者5采用Fluent中无化学反应的燃烧模型对天然气管道泄漏扩散进行模拟,模拟结果比较直观且较符合喷射泄漏的基本特征。重
25、点分析了天然气管道泄漏时甲烷扩散的危险区域划分,以及风对泄漏扩散的影响。得出结论:污染物的浓度与平均风速成反比,风的影响在地面附近不大,随高度的增加影响效果逐渐增强。4 结束语天然气管道泄漏及其扩散模拟研究是一项非常艰巨的任务,而且泄漏率的计算与扩散模拟有直接的联系,并都是为了更加有效地进行管道的风险评价。国内外众多学者对天然气管道稳态及瞬态泄漏率的计算进行了一定的研究,但是所建立的模型仍然存在一定的缺陷;天然气管道泄漏扩散的影响因素较多,对其进行扩散模拟非常复杂。目前,国内外对于诸如天然气之类的轻气扩散模拟研究很少。今后的重点应主要集中在较简单的气体扩散模型的建立以及三维计算模型和湍流统计、
26、 湍流模式理论的深入研究上。参考文献:1 王大庆,高惠临,霍春勇,等.天然气管道泄漏射流火焰形貌研究.油气储运,2006 ,25(2) : 47 - 49.2 JO YD , AHN B J. Analysis of hazard areas associated with high2pressurenatural2gas pipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries ,2002(15) : 179 - 188.3 JO YD , AHN B J. A simple model for the release r
27、ate of hazardous gasfrom a hole on high2pressure pipelines. Journal of Hazardous Materials ,2003(A97) : 31 - 46.4董玉华,周敬恩,高惠临,等.长输管道稳态气体泄漏率的计算.油气储运,2002 ,21(8) : 35 - 41.5 何利民,王林.高压天然气管道破裂时气体扩散规律和气液分离技术进展.石油工业技术监督,2005(5) : 89 - 93.6 胡忆沩.天然气管道泄漏分析及动态处理技术.天然气工业,2003(7) :98 - 100.7 胡忆沩.管道局部泄漏的动态处理技巧.管道
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29、23.13 霍春勇,董玉华,余大涛,等.长输管线气体泄漏率的计算方法研究.石油学报,2004 ,25(1) : 55 - 58.14 LUOJ H, ZHENGM, ZHAO XW,et al.Simplified expressionfor esti2mating release rate of hazardous gas from a hole on high2pressurepipelines. Journal of Loss Prevention in the Process Industries , 2006(19) : 362 - 366.15 HELENA M, JUAN A.
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