天然氣管道泄露擴(kuò)散模型研究

鄒紅杰+周靜+鄭文

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，世界環(huán)境條件隨之下降，近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保理念的提出和滲透，無污染的能源越來越成為眾多資源中的首選，天然氣因其本身利用條件和后續(xù)影響的環(huán)保性作為一種新型能源。但目前天然氣運(yùn)輸過程中仍存在很多不可控因素，由于管道泄露引起的事故時有發(fā)生，對天然氣資源造成嚴(yán)重的浪費(fèi)，并損壞設(shè)備器械，甚至威脅到工作人員的生命安全。因此，對天然氣管道泄露擴(kuò)散進(jìn)行模型研究是非常有必要的，通過模型研究了解天然氣管道泄露的一系列風(fēng)險和因素，從而對風(fēng)險進(jìn)行評估并采用合理的保障措施，以降低天然氣運(yùn)輸?shù)奈ｋU系數(shù)和事故率。

關(guān)鍵詞：天然氣 管道泄露 泄露擴(kuò)散 模型研究

中圖分類號：TU996 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0067-02

經(jīng)濟(jì)與環(huán)境和諧發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)前世界共有的理念，天然氣的廣泛應(yīng)用響應(yīng)了環(huán)保理念，但由于天然氣為易燃易爆氣體，運(yùn)輸過程中存在一定的風(fēng)險。而我國天然氣資源并不豐富，天然氣資源的存在區(qū)域距離天然氣使用區(qū)域較遠(yuǎn)，因此，空間上的距離使得天然氣的運(yùn)輸更加具有難度。而天然氣運(yùn)輸過程中的危險因素主要來自于管道泄露，管道系統(tǒng)之間的連接部位密封性差、管道泄露以及人為因素都會造成天然氣管道泄露，除人為因素的可控原因外，這兩個因素具有不可控性，但對此進(jìn)行風(fēng)險評估和控制可以降低事故發(fā)生率。所以，對天然氣運(yùn)輸進(jìn)行泄露擴(kuò)散模型研究非常有必要，并且對天然氣運(yùn)輸有著重要的防范作用。

1 天然氣管道泄露擴(kuò)散模型

1.1 天然氣管道泄露模型

通常情況下，天然氣管道泄露模型有兩種：一種是孔隙模型，另一種是管道模型。而孔隙模型根據(jù)孔隙的大小又分為大孔模型和小孔模型，如若泄露孔直徑與氣管直徑的比值小于0.2，是使用小孔模型進(jìn)行計算，如果比值是在0.2和0.8之間，那么就選用大孔模型。如果泄露孔直徑與氣管直徑的比值大于0.8，則選用管道模型進(jìn)行擬算和研究。其實，天然氣泄露理論上是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，而由于泄露率是難于精確計算的，動態(tài)計算方式實施起來有難度，所以，一般情況下，選用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)相結(jié)合的方式來進(jìn)行模型研究。國內(nèi)目前最新的研究結(jié)果是將泄露率簡化，由王大慶等人研究所得，該方法可以消除考慮流型的必要，因為流型的研究又是相當(dāng)復(fù)雜的，因此，該方法排除了這方面的因素可直接進(jìn)行研究。另一方面，天然氣管道有時會出現(xiàn)孔口亞流臨界面的問題，這一問題會使泄露率在計算時出現(xiàn)解不變的情況，而簡化泄露率可以解決這一問題。

1.2 天然氣管道擴(kuò)散模型

天然氣管道的擴(kuò)散模型是比較多的，以下簡單介紹幾種經(jīng)典的擴(kuò)散模型。煙羽模型的試用對象為輕氣和中氣，一般用于大規(guī)模和長時間的泄露情況，比較容易計算較小的泄露率，這種模型一般計算簡單，廣泛應(yīng)用于污染物擴(kuò)散，但不足之處在于忽略了重力的影響。第二種經(jīng)典模型是煙團(tuán)模型，它與煙羽模型類似，只有在使用時間上有所不同，煙羽模型適用于長時間的泄露，煙團(tuán)模型更注重于短時間內(nèi)的泄露。第三種模型是BM模型，一般用于重氣泄露，能夠比較容易地計算出長時間的大規(guī)模氣體泄露，并且計算量小，對重氣的模擬效果好，但因為BM模型屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，故外延性差是它的弊端。第四種模型是sutton模型，用于計算大規(guī)模的長期中氣泄露，計算量也少，對模擬湍流的效果很好，但在模擬可燃?xì)怏w泄放時誤差較大。第五種模型是FEM3模型，適用于重氣的泄露率，在規(guī)模和時間上沒有限制，范圍較廣，但計算較難，計算量也大，它是屬于三維有限元模型，精確度較高，但缺點(diǎn)是只應(yīng)用于重氣泄露計算量大。這些經(jīng)典模型都有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，隨著近幾年模型研究的發(fā)展，新的天然氣模型研究有所進(jìn)展，如李又綠等人提出的研究模型，通過利用氣體泄露擴(kuò)散中的射流作用來進(jìn)行考慮，此模型與天然氣管道泄露擴(kuò)散的實際情況非常契模型合，對天然氣管道泄露的模型研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1.3 天然氣管道泄露與擴(kuò)散的結(jié)合模型

隨著近年來對可燃易爆氣體的研究發(fā)展，對天然氣管道泄露擴(kuò)散也更多采用泄露率進(jìn)行研究，很多人開始將天然氣泄露與擴(kuò)散進(jìn)行結(jié)合，而推出新的模型，如侯慶民等通過對天然氣泄露后的情況進(jìn)行了分析和評估，其研究結(jié)果與天然氣管道泄露擴(kuò)散的模型研究結(jié)果相符，證明了泄露與擴(kuò)散相結(jié)合模型的正確性和指導(dǎo)意義。

2 泄露速率在風(fēng)險評估中的運(yùn)用

2.1 穩(wěn)態(tài)條件下的泄露率計算

氣體管道泄露實際上都是屬于非穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)散，但當(dāng)孔隙直徑很小時，不足以影響管道內(nèi)的氣體參數(shù)時可以近似的將此過程看作是穩(wěn)態(tài)過程，因此，將管道內(nèi)的氣體假設(shè)為理想氣體時可選用穩(wěn)態(tài)泄露率的計算方式。而穩(wěn)態(tài)泄露率的計算是以管道內(nèi)的氣體流動為一維流動為前提，而且管道內(nèi)部是絕熱的絕熵的，由穩(wěn)態(tài)泄露率的計算結(jié)果可得，管內(nèi)與孔徑都是亞臨界流動時，泄露率小于最大泄露率，但此方法在壓力較高時誤差較大，因此，存在一定的制約性。

2.2 非穩(wěn)態(tài)條件下的泄露率計算

當(dāng)泄露孔較大時，穩(wěn)態(tài)泄露率的計算便不再適用，需要采用非穩(wěn)態(tài)的模型進(jìn)行研究計算。由于穩(wěn)態(tài)氣體的泄露率已經(jīng)很多計算公式，結(jié)合這些計算方式采用微元分析法得出非穩(wěn)定條件下的泄露率計算公式，如劉忠良等人利用管道開口系統(tǒng)的能量平衡公式得出非穩(wěn)態(tài)氣體的泄露率。

3 不同參數(shù)條件對天然氣擴(kuò)散范圍的影響

3.1 管道壓力對天然氣擴(kuò)散范圍的影響

影響天然氣擴(kuò)散范圍的最重要的因素是管道壓力，不同管道內(nèi)的壓力對天然氣擴(kuò)散有不同的影響。當(dāng)管道壓力為1.6 MPa時，泄露流量為4.56 kg/s，當(dāng)壓力為2.5 MPa時，泄露流量為7.27 kg/s；當(dāng)管道壓力為4 MPa時，泄露流量在11.63 kg/s，當(dāng)管道壓力為6 MPa時，泄露流量為11.43 kg/s。

3.2 風(fēng)速對天然氣擴(kuò)散范圍的影響

除了管道本身的承壓對天然氣擴(kuò)散有影響外，風(fēng)速對天然氣擴(kuò)散的影響也有影響，風(fēng)速會加劇天然氣和空氣之間的傳熱和傳導(dǎo)，同時對于天然氣背風(fēng)面和向風(fēng)面的影響也巨大。主風(fēng)向的平流輸送作用對于天然氣的擴(kuò)散有很大影響，同時風(fēng)速增大，可能引起脈動速度增大，使天然氣團(tuán)濃度下降。

4 結(jié)語

目前，世界上的油氣運(yùn)輸大多選擇管道運(yùn)輸?shù)姆绞?，由于管道運(yùn)輸輕快便捷的優(yōu)勢，也成為我國天然氣傳輸?shù)闹饕?。天然氣是清潔?yōu)質(zhì)的資源，在國內(nèi)普遍被運(yùn)用于燃燒氣體，但由于管道運(yùn)輸本身的局限性和天然氣的易燃易爆性，當(dāng)前管道運(yùn)輸依舊存在眾多危險系數(shù)，影響著天然氣運(yùn)輸?shù)男?、安全以及社會穩(wěn)定性，因此，對天然氣泄露擴(kuò)散進(jìn)行合理科學(xué)的模型研究是非常有必要的。當(dāng)前我國天然氣管道研究模型主要為泄露模型和擴(kuò)散模型，泄露模型依據(jù)泄露孔的大小分為孔隙模型和管道模型，孔隙模型又根據(jù)孔隙大小分為大孔模型和小孔模型。管道擴(kuò)散模型相對于泄露模型有較多種類型的經(jīng)典模式，而當(dāng)前國內(nèi)的天然氣管道泄露擴(kuò)散模型研究又引入了泄露率的計算，更加動態(tài)、全面地擬算了天然氣管道泄露的范圍和過程，可以對泄露結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和控制。泄露率的計算又分為穩(wěn)態(tài)泄露率和非穩(wěn)態(tài)泄露率的計算，穩(wěn)態(tài)泄露率僅限于孔隙較小時，將管道內(nèi)氣體看作是理想氣體，而非穩(wěn)態(tài)泄露率則更適用于廣泛的天然氣泄露。同時，各方面的因素對于天然氣擴(kuò)散有著影響，如風(fēng)速的大小以及管道壓力，管道壓力對于天然氣泄露的影響更甚于風(fēng)速。只有經(jīng)過更專業(yè)天然氣管道泄露擴(kuò)散的模型研究，將天然氣泄露的各方面因素考慮到，從而通過模型研究進(jìn)行早期預(yù)測和擬算，為天然氣的運(yùn)輸做更多的貢獻(xiàn)。

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