考慮放散的中壓燃氣管道小孔泄漏模擬分析

1 概述

國內(nèi)外在管道燃氣動態(tài)泄漏這一領(lǐng)域，已經(jīng)有了較為成熟的理論研究。Montiel等

首次基于紊動射流理論和流體力學基本方程建立了具有普適性的氣體管道動態(tài)泄漏模型，模型涵蓋了一系列經(jīng)典管道或孔洞無法處理的事故場景。田貫三

利用射流原理對燃氣泄漏的速度和可燃濃度范圍進行了動態(tài)模擬計算。肖建蘭等

、王兆芹等

和董靖宇等

分別就動態(tài)泄漏模型的適用范圍和氣體維持時間進行了模擬研究。唐保金等

在泄漏模型的基礎(chǔ)上建立了埋地燃氣管道的一維擴散模型，使動態(tài)泄漏模型進一步貼近實際。侯思慧等

和蘇杰飛

分別進行了放散時間的理論公式推導(dǎo)。

本文對管道燃氣的動態(tài)泄漏模型和放散效果進行耦合，首先進行數(shù)學模型構(gòu)建和理論分析

，得到考慮放散效果的動態(tài)泄漏模型，再提出4種不同的管道泄漏放散工況，分別是上下游放散閥開啟、僅上游放散閥開啟、僅下游放散閥開啟、上下游放散閥關(guān)閉，使用Pipeline Studio的動態(tài)模擬功能對4種工況進行模擬，根據(jù)結(jié)果對4種工況下放散時間進行降序排列。改變放散閥的設(shè)置間距，研究放散閥設(shè)置間距與放散時間之間的關(guān)系。改變泄漏孔與上游放散閥的距離，研究泄漏孔與上游放散閥距離與放散時間的關(guān)系。

2 數(shù)學模型

① 考慮放散效果的管道泄漏結(jié)構(gòu)

考慮放散效果的燃氣管道泄漏結(jié)構(gòu)見圖1。忽略燃氣管道存在的沿程高度差以及土壤埋深，視泄漏管段為一水平架空管段。忽略放散閥與分段閥的設(shè)置間距，視上游放散閥與上游分段閥位于同一位置1，視下游放散閥與下游分段閥位于同一位置4，泄漏孔在位置3，位置2是與泄漏孔在同一垂直于管道軸線截面上的管內(nèi)中心點。當泄漏發(fā)生后，立即關(guān)閉位置1、4的分段閥，同時開啟位置1、4的放散閥，管道內(nèi)天然氣在初始壓力的作用下，由泄漏孔和放散閥1、4處向外界環(huán)境流動。放散過程將持續(xù)到管道內(nèi)天然氣的壓力和外界環(huán)境壓力相同時結(jié)束。

② 理論公式

假定管道內(nèi)的燃氣為理想氣體，燃氣在管道內(nèi)的流動為絕熱流動過程，又因為燃氣在泄漏孔處流速一般較大，不與周圍環(huán)境發(fā)生熱量交換，因此燃氣在泄漏孔處的流動同樣視為絕熱流動過程。為了定量描述管內(nèi)燃氣絕熱流動過程，利用能量守恒方程和動量守恒方程整理可得

：

(1)

式中

——比熱容比

——泄漏時間，s

——計算管段末點的溫度，K

——計算管段末點的絕對壓力，Pa

為了壯大歡迎隊伍，他把“鄉(xiāng)直”的哥們兒都請來了：有敲鑼打鼓的，有扛彩旗的，還有吹嗩吶的……在我們心目中，新站長一定是個精明強干的男同胞。

謝清森，曾經(jīng)是一名優(yōu)秀的特種兵，退役后帶領(lǐng)戰(zhàn)友們歷經(jīng)11年砥礪打拼，終于闖出一片天地，如今的七兵堂國際安保集團股份有限公司（以下簡稱七兵堂）業(yè)務(wù)遍及山東省15個地市、全國11個省級行政區(qū)及境外5個國家,全球有38家分(子)公司,在全國擁有“七兵堂”“中特保”“中軍衛(wèi)士”3個品牌,是一家以安保服務(wù)為主營業(yè)務(wù),集科技安防、教育培訓等為一體的綜合性集團公司，而謝清森也快速成長為一名優(yōu)秀的民營企業(yè)家。

——計算管段起點的溫度，K

部分教師忽略演示實驗教學效果的評估，僅僅在課堂做相關(guān)實驗，究竟學生在實驗中是否有所學、有所獲，則缺乏足夠的考慮.結(jié)果教師雖然完成了演示實驗，但實驗效果并未充分發(fā)揮出來.另外，部分教師不注重演示實驗教學反思，無法及時發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化實驗教學中的不足.

——燃氣摩爾質(zhì)量，kg/mol

——摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)，一般取8.314 J/(mol·K)

——計算管段內(nèi)的天然氣流量，m

/s

——計算管段的摩擦阻力系數(shù)

——考慮彎頭、三通等管道組成件后的管段當量長度，km

——計算管段內(nèi)直徑，mm

式中

,Y

——亞臨界流泄漏狀態(tài)下任意時刻的燃氣泄漏速率，kg/s

將放散閥的放散等效于泄漏，聯(lián)立多個泄漏速率計算公式，求出總泄漏速率即可實現(xiàn)放散效果的等效表達。

泄漏速率的計算需要通過判斷燃氣的泄漏流態(tài)來加以確定，泄漏流態(tài)分為臨界流和亞臨界流。臨界壓力比的計算公式為

：

(2)

式中

——臨界壓力比

如果說《巴黎地圖》和《國王威廉三世的肖像畫》中的情景反諷是通過使用特定詞匯來體現(xiàn)，那么在《養(yǎng)雞秘訣》中更多的則是靠特定場景的渲染，提到情景反諷，就不得不提到《養(yǎng)雞秘訣》，整篇故事都是以反諷的口吻將偷雞描述為一個正經(jīng)的養(yǎng)雞秘訣，堂而皇之地分析如何偷雞是恰到好處的，比如以下這段的描寫：

(3)

近年來，關(guān)于學生學業(yè)負擔過重的問題已經(jīng)引起社會相關(guān)部門和機構(gòu)的高度重視，教育行政部門也明確提出給學生減負的號召。但面對升學的壓力，作為教育的主戰(zhàn)場，需要結(jié)合實際教學的需要，通過在學生作業(yè)的布置方式和批改方式等方面，研究出具體的優(yōu)化措施。

——氣體排放系數(shù)，對于臨界流和亞臨界流均取1

——泄漏孔的面積，m

——燃氣壓縮因子

——計算管段容積，m

(4)

式中

,L

——臨界流泄漏狀態(tài)下任意時刻燃氣泄漏速率，kg/s

科學思維是生物學學科核心素養(yǎng)之一，是建立在證據(jù)和邏輯推理基礎(chǔ)的思維，它有明確的思維依據(jù)和思維方向，能對事物或問題進行觀察、比較、分析、綜合、抽象與概括的一種思維，是學科核心素養(yǎng)的標志和關(guān)鍵[1]?？茖W思維貫穿在初中生物學學習中，初中學生在認知活動中，形成的科學思維意識和能力，可以內(nèi)化為個體的思維方式和行為方式，不僅有助于智力水平的提升，而且能提升人生境界，是學生終身的學習成果。中考是對學生學科知識和核心素養(yǎng)的綜合評價，科學思維是考查的重點內(nèi)容之一，本文嘗試分析中考生物學試題在分析與綜合、歸納與演繹、抽象與概括、批判性思維四個方面對學生科學思維能力的培養(yǎng)。

泄漏時間可以利用歐拉方法通過式(5)

計算得到：

(5)

式中

——將放散閥放散等效于多點泄漏后的總泄漏速率(為各泄漏點泄漏速率之和)，kg/s

該課程從考勤、課堂參與度、課后作業(yè)完成情況、期末閉卷測試以及兩項關(guān)鍵性任務(wù)的完成質(zhì)量等方面進行形成性考核。大綱明確告知學生該門課程的考核具有穩(wěn)定性和規(guī)范性，不因任課教授的不同而有相應(yīng)改變，考核標準保持一致。從具體的評分標準來看，學校對學生的寫作能力和水平有較高要求，拼寫、語法和標點符號，每錯一處就扣一分。這是值得我們反思的，美國從小學三年級開始就培養(yǎng)學生的學術(shù)英語寫作能力，大學里還有各種線上線下寫作實驗中心對學生進行指導(dǎo)，確保學術(shù)寫作不會成為學生科學研究和職業(yè)發(fā)展的絆腳石。而我們的學生在高中階段并無學術(shù)寫作的教學安排，大學里又并非各專業(yè)都有科研和寫作指導(dǎo)，學生的學術(shù)寫作水平自然較弱。

阿囡道：“哎喲，這句話是說不得的。他就是這樣，要我回上海去，我不肯呢。”燕西笑道：“你別忙，你聽我往下念，你就明白了?！庇帜畹溃?/p>

首先，相較于傳統(tǒng)媒體，網(wǎng)絡(luò)等新興媒體基于其固有的傳播特點，具有虛擬性和游戲性等顯著特征。網(wǎng)絡(luò)空間自身便是一個虛擬世界，每一個網(wǎng)民都可以不公開自身的姓名、身份、職業(yè)，網(wǎng)上的一方不知道另一方的任何情況。由于真實身份的虛擬，真實社會中個體之間外在的差距也一并被抹殺。這樣每個網(wǎng)民都能不受拘束地自我表達，與網(wǎng)友進行零距離互動。另一方面，電腦、手機等工具為生存在激烈競爭與巨大壓力下的人們提供了愜意愉悅的游戲式環(huán)境。暢游在娛樂新聞、群體聊天、惡搞笑料中的大眾將理性暫時丟棄，體驗了游戲般無拘無束的狂歡。這正符合巴赫金論著中體現(xiàn)出的、在虛擬空間的游戲中發(fā)掘人性本真的狂歡化性質(zhì)。

——燃氣密度，kg/m

——計算管段起點的絕對壓力，Pa

3 軟件模擬

3.1 管網(wǎng)模型與動態(tài)模擬

本文使用Pipeline Studio軟件進行模擬計算，該軟件是用于氣體和液體管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)水力分析的軟件，其中TGNET模塊(即氣體模塊)是目前天然氣輸氣管道工藝分析的常用軟件

。本文使用的是Pipeline Studio軟件中的瞬態(tài)模擬功能。

③ 模擬開始后的第1 min能夠準確關(guān)閉泄漏孔上下游的分段閥，同時開啟相應(yīng)的放散閥。關(guān)閉分段閥和開啟放散閥所需時間均為0。

某天然氣中壓管網(wǎng)總長20.84 km，實際運行壓力為0.15～0.25 MPa，用氣高峰實際流量接近15 000 m

/h，內(nèi)直徑為302.9 mm，管道當量粗糙度取0.3 mm，放散管內(nèi)直徑根據(jù)實際取50 mm。管網(wǎng)由兩個氣源點同時等量供氣，兩個氣源點的天然氣組成(見表1)相同，為下游48個非工業(yè)用戶不間斷供氣。標況(0 ℃，101 325 Pa)下的天然氣密度取0.718 8 kg/m

。溫度取283.15 K，不考慮天然氣的溫度變化。管網(wǎng)每隔2 km設(shè)置一個分段閥，并在分段閥兩側(cè)設(shè)置放散閥。模擬的初始流量為7 000 m

/h，壓力為0.213 MPa，溫度10 ℃。使用Pipeline Studio軟件繪制的管網(wǎng)模型見圖2。

.

.

管網(wǎng)模型與模擬的簡化

現(xiàn)任取管網(wǎng)中2個分段閥之間2 km長的管道建立模型(見圖2)進行模擬，同時做如下假定：

① 泄漏孔僅有一個，泄漏孔徑為20 mm。

⑤ 模擬中的泄漏速率均小于管道允許的最大泄漏速率。

.

.

中壓管網(wǎng)基本情況

④ 當泄漏孔處的泄漏速率下降至0時，視為發(fā)生泄漏的管道氣體完全放散。

改革開放40年來，我國新聞出版業(yè)發(fā)展取得了令世人矚目的巨大成就，實現(xiàn)了從單一事業(yè)體制向事業(yè)與產(chǎn)業(yè)并重的華麗轉(zhuǎn)身。一是構(gòu)建新體制。從宏觀管理體制、微觀運行機制到流通體制三個維度逐步構(gòu)建起了完備的社會主義新聞出版管理體制與運行機制。二是展現(xiàn)新活力。新聞出版市場體系與要素市場建設(shè)不斷完善，出版市場主體進一步壯大，出版新業(yè)態(tài)強勢崛起，產(chǎn)業(yè)發(fā)展展現(xiàn)出全新活力。三是滿足新需求。在滿足人民群眾基本閱讀需求基礎(chǔ)上，進一步提供個性化、體驗性需求和公眾公共文化需求。

② 泄漏發(fā)生在模擬開始后的第0.5 min。

榆陽區(qū)是榆林市政府所在地，地處毛烏素沙漠和黃土高原接壤地帶。境內(nèi)有糧食作物3類、21種、126個品種，草本植物60多種，木本植物40多種，栽培作物79種，羊子飼養(yǎng)規(guī)模居陜西省前列，豬、雞、牛的飼養(yǎng)也初步形成氣候，已建成全省畜牧業(yè)基地和舍飼養(yǎng)羊示范縣區(qū)，極具特色的農(nóng)副土畜產(chǎn)品為生態(tài)產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供了豐富的資源；四大農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)---玉米、馬鈴薯、羊子、生豬都處于低利潤原料出售的現(xiàn)狀，與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)可以得到的實際利潤相差甚遠，為生態(tài)產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供了極大的利潤空間。因此，大力發(fā)展林果、林牧、種植、養(yǎng)殖等林業(yè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)，促進產(chǎn)業(yè)升級開發(fā)，是解決“三農(nóng)”問題的有效途徑。

⑥ 在原始工況下不考慮分段閥與放散閥的間距，默認兩者位于同一位置。

⑦ 為便于后續(xù)模擬，將2 km長的管道均分為20段，每段長0.1 km，且任意一段管道上無任何途泄流量。

.

.

參數(shù)設(shè)定

Pipeline Studio軟件中的氣體方程有：Sarem、Peng和BWRS。其中BWRS方程具有較寬的適用范圍，計算精度也比其他方程更優(yōu)異

，因此本模擬選擇 BWRS 氣體狀態(tài)方程。“控制—約束”邏輯選擇“最大流量—最小壓力”，以便準確觀察泄漏后管內(nèi)氣體的余量變化情況。設(shè)定環(huán)境溫度為273 K，環(huán)境壓力為101.325 kPa，打開組分追蹤功能

，關(guān)閉軟件的傳熱計算功能，默認天然氣在流動過程中保持溫度恒定。

.

.

模擬過程

打開Pipeline Studio軟件瞬態(tài)模擬模塊中的時間設(shè)置，設(shè)定總模擬時間為7 min，計算步長為1 s，每10 s輸出一次計算結(jié)果，構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)計算的基本條件。在保持天然氣管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、上游來氣和下游出氣參數(shù)均不變的前提下，通過改變泄漏孔的位置、上下游放散閥的啟閉工況、上下游放散閥的間距等操作，完成中壓天然氣管道在不同工況下的管道完全放散耗時模擬。

3.2 泄漏后的放散工況設(shè)計

.

.

放散閥啟閉情況不同

結(jié)合實際，提出4組泄漏后的不同放散閥啟閉組合。模擬開始時，維持下游出氣壓力為定值，上游來氣流量恒為7 000 m

/h。泄漏發(fā)生在模擬開始后的第0.5 s，模擬開始后的第1 min立即關(guān)閉上下游分段閥。在原始工況下，保持分段閥間距為2 km，泄漏孔在距上游放散閥1 km處，泄漏孔當量直徑為20 mm，泄漏系數(shù)取1。模擬工況見表2。

.

.

放散閥設(shè)置間距不同

由于普洱茶的獨特風味和良好的保健功能，近年來受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，普洱茶的陳化研究也得到了一定程度的重視。但是關(guān)于陳化的發(fā)生機理、控制因素、工藝關(guān)鍵控制點等方面研究還有待深入。因此，進一步將普洱茶的陳化和醇化進行區(qū)分，陳化是指普洱茶在純自然環(huán)境中擺放，無人工干預(yù)情況下完成自然轉(zhuǎn)化的過程，而醇化則是指普洱茶在人為設(shè)計或人工控制的環(huán)境中，有目的性的相對快速完成品質(zhì)轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)工藝過程。目前普洱茶的收藏和陳化過程大多數(shù)是自然環(huán)境擺放，無任何人工干預(yù)，但是鑒于普洱茶品質(zhì)的特殊性，普洱茶的醇化加工可相對快速地縮短儲藏時間，有效提升普洱茶品質(zhì)，所以醇化工序?qū)ζ斩璧钠焚|(zhì)形成有重要影響。

在3.2.1節(jié)模擬得出的結(jié)論基礎(chǔ)上，進行放散閥設(shè)置間距與放散時間關(guān)系的研究。模擬過程中的放散方式為在整個模擬過程的第1 min立即關(guān)閉上下游分段閥，并選擇3.2.1節(jié)結(jié)論中的最優(yōu)放散閥啟閉方式。然后，仍保持分段閥間距為2 km，僅改變放散閥的間距，具體改變方式為將2個放散閥由兩端等距離向中間移動，設(shè)計的模擬工況見表3。

.

.

泄漏孔與上游放散閥距離不同

無水開門過程與無水關(guān)門過程中臥倒門受到載荷基本相同，其力矩平衡方程亦為式(4)所示。同樣考慮2種風壓情況。由于篇幅限制，不再詳細列出。無水開門工況下單缸啟閉機最大推力699.3 kN，出現(xiàn)在無水開門終了時；最大拉力為218.7 kN，出現(xiàn)在逆風無水開門初始時。

選擇3.2.1節(jié)結(jié)論中的最優(yōu)放散閥啟閉方式，在原始工況下，保持分段閥間距為2 km，進行泄漏孔與上游放散閥距離與放散時間關(guān)系的研究。設(shè)置的工況見表4。

4 結(jié)果分析

4.1 放散閥啟閉情況與放散時間的關(guān)系

不同放散閥啟閉情況下管道泄漏速率隨模擬時間的變化見圖3。由圖3可知，中壓天然氣管道發(fā)生泄漏并開啟放散的過程中，分段閥關(guān)閉后同時開啟上下游放散閥，泄漏速率下降至0耗時最短，放散時間為140 s；不開啟放散閥，僅利用泄漏孔進行管道內(nèi)氣體放散耗時最長，約為1 850 s；單獨開啟上游放散閥，管道氣體完全放散耗時250 s；單獨開啟下游放散閥，管道氣體完全放散耗時310 s。由此可見，同時開啟上下游放散閥相較于不開啟放散閥、僅開啟上游放散閥和僅開啟下游放散閥，管道天然氣放散時間分別節(jié)省了92.42%、44.00%和54.84%。

4.2 放散閥設(shè)置間距與放散時間的關(guān)系

上下游放散閥間距不同情況下管道泄漏速率隨模擬時間的變化見圖4。由圖4可知，中壓天然氣管道發(fā)生小孔泄漏且泄漏孔位于上下游放散閥中點時，關(guān)閉分段閥并同時開啟上下游放散閥，管道天然氣放散時間幾乎不受放散閥設(shè)置間距的影響。

4.3 泄漏孔與上游放散閥距離與放散時間的關(guān)系

泄漏孔與上游放散閥距離不同的情況下管道泄漏速率隨模擬時間的變化見圖5。由圖5可知，泄漏孔接近上游放散閥與遠離上游放散閥，管道天然氣放散時間相差不大。

5 結(jié)論

① 提供了一種管道燃氣動態(tài)泄漏模型考慮放散效果的解決思路，將放散閥的放散等效于多點泄漏，聯(lián)立多個泄漏速率計算公式，求出總泄漏速率即可實現(xiàn)放散效果的等效表達。該等效表達方法計算簡單、易于理解，對現(xiàn)有管道燃氣動態(tài)泄漏模型起到了補充作用。

② 使用Pipeline Studio軟件進行動態(tài)模擬，模擬發(fā)現(xiàn)當泄漏發(fā)生后同時開啟上下游放散閥具有更好的放散效果，同時開啟上下游放散閥相較于不開啟放散閥、僅開啟上游放散閥和僅開啟下游放散閥，管道天然氣放散時間分別節(jié)省了92.42%、44.00%和54.84%。

③ 模擬發(fā)現(xiàn)，改變上下游放散閥設(shè)置間距對管道天然氣放散時間幾乎無影響；泄漏孔接近與遠離上游放散閥，管道天然氣放散時間相差不大。

[1] MONTIEL H， JA VI LCHEZ， CASAL J， et al. Mathematical modelling of accidental gas releases[J]. Journal of Hazardous Materials， 1998 (2/3):211-233.

[2] 田貫三. 管道燃氣泄漏過程動態(tài)模擬的研究[J]. 山東建筑工程學院學報，1999(4):56-60.

[3] 肖建蘭，呂保和，王明賢，等. 氣體管道泄漏模型的研究進展[J]. 煤氣與熱力，2006(2):7-9.

[4] 王兆芹，馮文興，李在蓉，等. 高壓輸氣管道泄漏模型[J]. 油氣儲運，2009 (12):28-30，79.

[5] 董靖宇，王岳，范慶宇，等. 天然氣管道動態(tài)泄漏速率的數(shù)值研究[J]. 北京石油化工學院學報，2017 (2):40-44.

[6] 唐保金，田貫三，張增剛，等. 埋地燃氣管道泄漏擴散模型[J]. 煤氣與熱力，2009 (5): A01-A05.

[7] 侯思慧，黎珍. 談燃氣放散的相關(guān)問題[J]. 城市燃氣，2007(3):17-19.

[8] 蘇杰飛. 天然氣管道放散時間的研究[J]. 上海煤氣，2006(3):1-4，22.

[9] 郝卿儒. 地下綜合管廊燃氣管道泄漏預(yù)警及響應(yīng)研究(碩士學位論文)[D]. 北京：北京建筑大學，2019：9-15.

[10] LEVENSPIEL O. Engineering Flow and Heat Exchange[M]. New York:Plenum Press，1984:41-51.

[11] DONG Jingming， HU Qiuyu，YU Mengqi，et al. Numerical investigation on the influence of mixing chamber length on steam ejector performance[J]. Applied Thermal Engineering，2020：115204-1-8.

[12] 黃小美，彭世尼，徐海東，等. 燃氣管道泄漏流量的計算[J]. 煤氣與熱力，2008(3):B11-B16.

[13] 董玉華，周敬恩，高惠臨，等. 長輸管道穩(wěn)態(tài)氣體泄漏率的計算[J]. 油氣儲運，2002(8):11-15，4.

[14] 孫禹楠，王岳. 燃氣管道的動態(tài)泄漏研究[J]. 遼寧石油化工大學學報，2017 (1):30-33.

[15] 李宏陽，玉建軍，靳新迪. PL Studio for Gas軟件在燃氣管網(wǎng)模擬的應(yīng)用[J]. 煤氣與熱力，2016 (7):B22-B25.

[16] 馬玉婷. Pipeline Studio for Gas軟件在燃氣管網(wǎng)水力計算的應(yīng)用[C]// 中國土木工程學會燃氣分會. 中國燃氣運營與安全研討會(第九屆)暨中國土木工程學會燃氣分會2018年學術(shù)年會論文集. 天津:《煤氣與熱力》雜志社有限公司，2018:148-155.

[17] 靳新迪，玉建軍，李宏陽. 燃氣管網(wǎng)泄漏工況特征選擇及其圖形化的探究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2017 (3):43-47.