燃氣管道泄漏擴散模型及數(shù)值模擬[文書特制]

1、城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散模型及數(shù)值模擬韓克順 天津城市建設(shè)學院 天津摘要:城鎮(zhèn)燃氣管道的分布區(qū)域人口及建筑眾多,燃氣管道一旦發(fā)生泄漏,將有可能造成重大的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡。因此,為了量化城鎮(zhèn)燃氣泄露危害,針對管道不同的破壞情況及氣源建立了燃氣泄漏各種源模型以及擴散模型,并且建立了燃氣管線動態(tài)泄漏擴散模型及傷害性危險范圍。對第三方破壞所造成的城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏模型進行了模擬,采用CFD技術(shù)對管道泄漏燃氣的擴散進行模擬研究,獲得了泄漏氣體的擴散數(shù)值模擬結(jié)果,為城鎮(zhèn)燃氣管道安全運行提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:燃氣管道;泄漏;泄漏模型;擴散模型;數(shù)值模擬Abstract:The areas that city

2、 gas pipelines distributed in always crowd with people and buildings, and once gas releases through damaged pipes, accidents would happen involving substantial economic losses and even victims amongst the population. Therefore, in order to quantify the hazards of city gas leak, different leakage and

3、 diffusion models were established according the characters of gas and the damage. The diffusion model of unsteady leakage of gas pipeline and the damaging and destroying areas were established. Based on the computational fluid dynamics (CFD) technique the diffusion range of leaked gas during accide

4、nt of underground gas pipeline that caused by the third party damage was studied. According to the results, the dispersion of the leaked gas was obtained and providing the theory basis for safety operation of city gas pipelines. Key words:Gas pipelines; Leakage; Leakage model; Diffusion model; Numer

5、ical simulation由于管道老化、腐蝕、管材和焊縫缺陷等原因,尤其是隨著市政建設(shè)的發(fā)展,城鎮(zhèn)內(nèi)違章施工挖斷、壓裂燃氣管道的事故屢見不鮮,泄漏事故頻發(fā),引發(fā)火災及爆炸事故,造成人員傷亡及環(huán)境污染的惡劣后果。燃氣管道泄漏擴散的危險性主要在于兩個方面:一是一定區(qū)域內(nèi)燃氣濃度達到閾限值,使人員中毒;二是一定區(qū)域內(nèi)燃氣濃度達到爆炸極限,范圍內(nèi)發(fā)生火災或爆炸事故。針對這種情況,本文根據(jù)不同條件建立了相應適用的管道泄漏率模型,并應用FLUENT方法進行了城燃管道泄漏模擬。1模型分析1.1燃氣泄漏源模型泄漏速率的確定是分析泄漏擴散及評價事故后果的基礎(chǔ),其依據(jù)的主要模型根據(jù)泄漏孔徑大小分別為小孔泄漏模

6、型、管道模型和大孔泄漏模型。總的來說,腐蝕穿孔容易發(fā)生小孔徑泄漏事故,而對于外力破壞(諸如施工、自然災害等)大孔徑泄漏事故發(fā)生的可能性較大。1.1.1 孔口泄漏小孔泄漏模型適用于穿孔泄漏的情形,穿孔泄漏是指管道或設(shè)備由于腐蝕等原因形成小孔,燃氣從小孔泄漏。對于理想氣體等熵膨脹任意點處的質(zhì)量流率Q=C0AP22MRT2kk-1PaP22kPaP2k+1k (1)式中,Q為氣體通過孔洞的質(zhì)量流量,kg/s; C0為氣體泄漏系數(shù),一般取值范圍在0.61.0。當裂口形狀為圓形時取1.00,三角形時取0.95,長方形時取0.90,孔口為內(nèi)層腐蝕形成的漸縮孔(鈍角入口)取0.9C0l.0,孔口為外力機械損

7、傷形成漸擴孔(鈍角入口)取0.6C00.9;A為孔洞面積,m2;P2為泄漏口處對應管道中心點位置壓強,Pa;M為氣體摩爾質(zhì)量,kg/mol;k為氣體的熱熔比,k=CP /CV;Rg為理想氣體常數(shù),8.314 kJ/(kmolK);T2為泄漏口處對應管道中心點位置氣體溫度,K;Pa為環(huán)境壓強,Pa。從安全工作的角度考慮,都需要通過孔洞流出蒸汽的最大流量。引起最大流速的壓力比為: Pc P2c2k+1kk-1 (2)塞壓Pc是導致孔洞或管道流動最大流量的下游最大壓力(臨界壓力),其泄漏量為: Qmc=CdAP2MkRT22k+1k+1k-1 (3)1.1.2管道泄漏管道泄漏模型適用于開裂泄漏的情形

8、。開裂泄漏的原因通常是由于外力干擾或超壓破裂,屬于大面積泄漏,泄漏口面積通常為管道截面積的80%100%。開裂泄漏瞬時泄漏量大,導致管道中的壓力明顯降低。對于理想氣體絕熱管道流,聲速和非聲速情況下的質(zhì)量通量都可以用Darcy公式表示:G=mA=Yg2gcP1-P2Kf (4)式中,G為質(zhì)量通量;m為氣體的質(zhì)量流率,kg/s; A為孔面積,m2;Yg為氣體膨脹系數(shù);gc為重力常數(shù);為上游氣體密度,kg/m3;P1為上游氣體壓力,Pa;c為下游氣體壓力,Pa;Kf為差損失項,可用4fL/d替換,f為摩擦系數(shù),d為內(nèi)徑,L為管長,m。1.2燃氣泄漏及擴散模型城鎮(zhèn)燃氣一般包括天然氣、液化石油氣和人工煤

9、氣。其中天然氣及人工煤氣密度x小于空氣,泄漏后為浮性氣體被動擴散;液化石油氣的氣態(tài)密度比空氣重,泄漏后屬于重氣擴散。對于不同性質(zhì)的氣體需要應用不同的擴散模型。1.2.1中性浮力擴散中性浮力擴散模型,用于估算釋放發(fā)生后釋放氣體與空氣混合,并導致混合氣云具有中性浮力后下風向各處的濃度,對于燃氣管道泄漏一般用煙羽模型來描述。假定風向沿x軸,風速恒定為u, Pasquill-Gifford模型所描述的位于地面H高處的連續(xù)穩(wěn)態(tài)源的濃度為:C(x,y,z)=G2yzexp-12z-Hz2exp-12z-Hz2+exp-12z+Hz2 (5)式中,C(x,y,z)為平均濃度,g/m3;G為連續(xù)泄漏率,kg/

10、s;擴散系數(shù)x y z分別代表下風向、側(cè)風向和垂直方向(x,y,z)濃度的標準偏差;u為風速,m/s;y為風向垂直方向距離,m;z為距里面距離,m;H為泄漏源高度,m。下風向地面上最大濃度出現(xiàn)的位置,可由下式求得:z= H/2 (6)地面上沿x軸的最大濃度Cmax由下式求得:Cmax=2GeH2 z y (7)1.2.2重氣擴散密度大于其擴散環(huán)境空氣密度的氣體均稱為重氣,現(xiàn)有的重氣擴散模型大都是在箱模型(Box-Model)的基礎(chǔ)上建立的。高斯模型和重氣擴散箱式模型有很大的局限性。為了比較精確并貼近實際的模擬重氣擴散,人們采用計算流體力學(CFD)的方法模擬其擴散的三維非定常態(tài)湍流流動過程。泄

11、漏燃氣視為不可壓縮流體,其溫度視為與環(huán)境溫度相同,選擇k-雙方程模型,則泄漏燃氣的運動與擴散規(guī)律可由以下控制方程描述。連續(xù)性方程: Uixi=0 (8)動量方程: Uit+uiUixj=gi- - Pxi+2Uixjxi (9)k-雙方程模型: kt+Uikxi=xi+jkkxi+P+ (10) t+Uixi=xi+ixi+kC1P-C2P (11)擴散方程： ct+ucx+cy+wcz=x(Dcx) (12)式中各系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值為:C=0.09, C1=1.44, C2=1.92, k=1.0, =1.3。采取一定的離散方法將上式離散,并根據(jù)具體情況構(gòu)造邊界條件解控制方程,便可得到泄漏場所的

12、燃氣濃度分布和速度分布。在FLUENT等軟件中建立泄漏場所幾何模型,選擇動量方程模型、邊界條件及其他己知參數(shù),便可自動計算。2實例模擬2.1模型建立本文對燃氣泄漏擴散過程進行數(shù)值模擬,為了能得到具有指導意義的一般性規(guī)律,需要從各種實例中抽象出一種有代表意義的模型。用三維模型建立燃氣管道泄漏這樣的超大空間計算量是巨大的,因此,采用FLUENT軟件建立二維模型模擬分析,模型區(qū)域如圖1所示。 (a)模型區(qū)域(b)計算模型圖1泄漏模型2.2FLUENT擴散模擬該管道埋于地下,管道的內(nèi)徑150 mm,燃氣及環(huán)境溫度為300 K,泄漏口為100 mm150 mm,風速為5 m/s,環(huán)境壓力1105Pa。泄

13、漏孔面積為A=0.015m2,燃氣泄漏速度為v330 m/s。其中天然氣采用甲烷,液化石油氣采用丙烷代替。2.2.1天然氣泄漏模擬風速為1 m/s, 3 m/s,10 m/s時天然氣泄漏情況如圖2所示。（a） 風速為1 m/s （b）風速為3 m/s （c）風速為10 m/s 圖2天然氣擴散濃度分布云圖由圖2可知,燃氣泄漏時在泄漏口濃度最大,濃度較大范圍基本在下風向成半圓形,并且高濃度區(qū)離開地面?？梢钥闯?隨著泄漏的進行,相對較高的濃度區(qū)擴大速度變的緩慢。2.2.1液化石油氣泄漏模擬風速為1 m/s, 3 m/s,10 m/s時液化石油氣泄漏情況如圖3所示。（a） 風速為1 m/s （b）風速

14、為3 m/s （c）風速為10 m/s 圖3液化石油氣擴散濃度分布云圖由圖2與圖3相比可知,風速對燃氣的泄漏擴散情況占主導地位。風速較大時,氣體會向下風向擴散,并且在豎直方向的擴散會受到抑制。3結(jié)束語大多數(shù)情況下,幾種泄漏模型可以結(jié)合起來使用,取長補短。沒有一種模型完美無缺,隨著技術(shù)的發(fā)展研究更加切合實際的模型將是管道泄漏模擬的發(fā)展方向,也是對管道泄漏事故后果進行評價的迫切需要。當燃氣管道發(fā)生泄漏時,應盡快切斷氣源。風速對氣體擴散濃度有較大的影響,泄漏氣體主要向下風向擴散。離泄漏源越近,濃度值越高且隨風速的變化越小。在現(xiàn)場一旦發(fā)生天然氣泄漏,應綜合考慮泄漏源的方向和該地點當時的風向、風速等因素

15、,及時準確預測泄漏氣體可能擴散到危險區(qū)域,做好應對措施。由于離泄漏源較近處氣體濃度很大,有中毒危險,而較遠處則處于爆炸極限范圍,所以搶險人員應該按可燃氣體濃度的25%爆炸下限設(shè)置警戒線,禁止車輛、人員通行,避免發(fā)生嚴重的后果。為安全起見,設(shè)置警戒線時應以計算結(jié)果的最遠警戒距離為準設(shè)置警戒圈。參考文獻：1馬貴陽,劉曉國,鄭平.埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場的數(shù)值模擬J.遼寧石油化工大學學報,2007,27(1):40-46.2Cheng Hao li, Liu Dejun.3D CFD simulation of manufactured gas pipeline leakage and dis

16、persion in urban areasA.Liu Jiongtian, Ni Weidou. Collected papers of forum on the second China energy scientistC.Irvine: cientific researchpublishing,2010.3Crowl D A, Louvar, J F. Chemical process safety fundamentals with applications M.New Jersey: Prentice-hall, 2001.4蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學泵與風機M.北京:中國建筑工業(yè)出版

17、社,1999.5彭世尼,周廷鶴.燃氣泄漏與擴散模型的探討J.煤氣與熱力,2008,28(11):9-12.6Crane Valve. Flow of fluids through valves, fittings & pipe TP-410 metric M. Huntington Beach: Vervante , 1999.7馮文興,王兆芹,程五一.高壓輸氣管道小孔與大孔泄漏模型的比較分析J.安全與環(huán)境工程,2009,16(4):108-110.8張甫仁.燃氣管線動態(tài)泄漏擴散的危險性分析J.重慶建筑大學學,2007,29(2):103-109.9王兆芹.高壓輸氣管道泄漏模型研究及后果影響區(qū)域分析D