天然氣管道泄露擴散模型研究

鄒紅杰+周靜+鄭文

摘 要：隨著經濟的迅猛發展，世界環境條件隨之下降，近年來，隨著可持續發展和環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影響的環保性作為一種新型能源。但目前天然氣運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生，對天然氣資源造成嚴重的浪費，并損壞設備器械，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散進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險和因素，從而對風險進行評估并采用合理的保障措施，以降低天然氣運輸的危險系數和事故率。

關鍵詞：天然氣 管道泄露 泄露擴散 模型研究

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

經濟與環境和諧發展已經成為當前世界共有的理念，天然氣的廣泛應用響應了環保理念，但由于天然氣為易燃易爆氣體，運輸過程中存在一定的風險。而我國天然氣資源并不豐富，天然氣資源的存在區域距離天然氣使用區域較遠，因此，空間上的距離使得天然氣的運輸更加具有難度。而天然氣運輸過程中的危險因素主要來自于管道泄露，管道系統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，但對此進行風險評估和控制可以降低事故發生率。所以，對天然氣運輸進行泄露擴散模型研究非常有必要，并且對天然氣運輸有著重要的防范作用。

1 天然氣管道泄露擴散模型

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，則選用管道模型進行擬算和研究。其實，天然氣泄露理論上是非穩態擴散，而由于泄露率是難于精確計算的，動態計算方式實施起來有難度，所以，一般情況下，選用穩態和非穩態相結合的方式來進行模型研究。國內目前最新的研究結果是將泄露率簡化，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復雜的，因此，該方法排除了這方面的因素可直接進行研究。另一方面，天然氣管道有時會出現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 天然氣管道擴散模型

天然氣管道的擴散模型是比較多的，以下簡單介紹幾種經典的擴散模型。煙羽模型的試用對象為輕氣和中氣，一般用于大規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，廣泛應用于污染物擴散，但不足之處在于忽略了重力的影響。第二種經典模型是煙團模型，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，煙團模型更注重于短時間內的泄露。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模型屬于經驗模型，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，但在模擬可燃氣體泄放時誤差較大。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，但缺點是只應用于重氣泄露計算量大。這些經典模型都有各自的適用范圍和優缺點，隨著近幾年模型研究的發展，新的天然氣模型研究有所進展，如李又綠等人提出的研究模型，通過利用氣體泄露擴散中的射流作用來進行考慮，此模型與天然氣管道泄露擴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意義。

1.3 天然氣管道泄露與擴散的結合模型

隨著近年來對可燃易爆氣體的研究發展，對天然氣管道泄露擴散也更多采用泄露率進行研究，很多人開始將天然氣泄露與擴散進行結合，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行了分析和評估，其研究結果與天然氣管道泄露擴散的模型研究結果相符，證明了泄露與擴散相結合模型的正確性和指導意義。

2 泄露速率在風險評估中的運用

2.1 穩態條件下的泄露率計算

氣體管道泄露實際上都是屬于非穩態的擴散，但當孔隙直徑很小時，不足以影響管道內的氣體參數時可以近似的將此過程看作是穩態過程，因此，將管道內的氣體假設為理想氣體時可選用穩態泄露率的計算方式。而穩態泄露率的計算是以管道內的氣體流動為一維流動為前提，而且管道內部是絕熱的絕熵的，由穩態泄露率的計算結果可得，管內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 非穩態條件下的泄露率計算

當泄露孔較大時，穩態泄露率的計算便不再適用，需要采用非穩態的模型進行研究計算。由于穩態氣體的泄露率已經很多計算公式，結合這些計算方式采用微元分析法得出非穩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的能量平衡公式得出非穩態氣體的泄露率。

3 不同參數條件對天然氣擴散范圍的影響

3.1 管道壓力對天然氣擴散范圍的影響

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

3.2 風速對天然氣擴散范圍的影響

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

4 結語

目前，世界上的油氣運輸大多選擇管道運輸的方式，由于管道運輸輕快便捷的優勢，也成為我國天然氣傳輸的主要渠道。天然氣是清潔優質的資源，在國內普遍被運用于燃燒氣體，但由于管道運輸本身的局限性和天然氣的易燃易爆性，當前管道運輸依舊存在眾多危險系數，影響著天然氣運輸的效率、安全以及社會穩定性，因此，對天然氣泄露擴散進行合理科學的模型研究是非常有必要的。當前我國天然氣管道研究模型主要為泄露模型和擴散模型，泄露模型依據泄露孔的大小分為孔隙模型和管道模型，孔隙模型又根據孔隙大小分為大孔模型和小孔模型。管道擴散模型相對于泄露模型有較多種類型的經典模式，而當前國內的天然氣管道泄露擴散模型研究又引入了泄露率的計算，更加動態、全面地擬算了天然氣管道泄露的范圍和過程，可以對泄露結果進行預測和控制。泄露率的計算又分為穩態泄露率和非穩態泄露率的計算，穩態泄露率僅限于孔隙較小時，將管道內氣體看作是理想氣體，而非穩態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散有著影響，如風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速。只有經過更專業天然氣管道泄露擴散的模型研究，將天然氣泄露的各方面因素考慮到，從而通過模型研究進行早期預測和擬算，為天然氣的運輸做更多的貢獻。

參考文獻

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