天然气管道泄漏研究现状分析.pdf

第 4 5卷第 2期 2 0 1 6 年 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 5． N O ． 2 F e b r u a r y， 2 0 1 6 天然气管道泄漏研究现状分析 胡 洪 兵 中国石油大学 北京 ， 北京 1 0 2 2 0 0 摘 要天然气管道发生泄漏将造成重大经济损失和环境污染，严重危害泄漏点附近的人民的生命财产安 全。因此，在天然气管道发生泄漏后及时准确的检测出泄漏点，以及研究天然气在不同介质中的扩散模型具有 重大意义。 概述了近年来在天然气管道泄漏方面的多项研究现状； 其中最主要的方面在于利用 C F D软件结合扩 散模型对管道泄漏进行仿真研究。 关键词天然气 ；管道；泄漏；仿真 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 60 2 0 3 5 2 0 3 Ana l ys i s o n Cur r e nt Re s e a r c h o f Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne Le a ka g e H U Hon g - b i n g C h i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， B e i n g 1 0 2 2 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e l e a k a g e o f n a t u r a l g a s wi l l n o t o n l y c a u s e g r e a t e c o n o mi c l O S S a n d e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n ． b u t a l s o e n d a n g e r t h e t r a n s p o r t a t i o n s e c u r i t y a n d l i f e a n d p r o p e r ty s a f e t y o f t h e r e s i d e n t s n e a r t h e 1 e a k a g e s i t e ． I t i s v e r y i mp o r t a n t t o l o c a t e t h e l e a k a g e s i t e i mme d i a t e l y a ft e r t h e a c c i d e n t o c c u r s a n d s t u d y t h e d i fl u s i o n mo d e l o f n a t u r a l g a s i n d i ffe r e n t me d i u m ． I n t h i s P a p e r ， r e s e a r c h s t a t u s a b o u t n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k a g e wa s s u mma r i z e d ． On e o f t h e mo s t i mp o r t a n t p a rts i s u s i n g CF D s o ft wa r e c o mb i n e d wi t h d i f l u s i o n mo d e l t o n u me r i c a l l y s i mu l a t e t h e n a t u r a l g a s l e a k a g e ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s Pi p e l i n e L e a k a g e S i mu l a t i o n 截止2 0 1 5 年9 月 ，中国己建成天然气管道约9 万 公里，形成了以陕京一线、陕京二线、陕京三线、 西气东输一线、西气东输二线、川气东送等为主干 线 ，以冀宁线 、淮武线 、兰银线、中贵线等为联络 线的国家基础管网； “ 十二五”即将结尾 ，已经渐 渐形成连贯东西 、覆盖南北 、联通全国、连接海外 的统一的输气管网格局，开始转型为气源获取方式 多样化、调派输送简约化、生产、管理、运营自动 化的产、运、销的统一体系。在此期间，各个省、 县 、乡政府也在努力加快居 民对使用天然气 的积极 性 ，全力建设省内、市内天然气管道工程 ；形成了 京津冀鲁晋、川渝、长江三角洲、中南、中部五个 区域管网同时存在的供气新局面 。 在管道建设高速发展的同时我们更需加倍注意 防范长输管道泄漏可能带来的危害。 管道运输不仅关系经济命脉， 更是关系到公共 安全。这些天然气管道一旦发生泄露 ，天然气扩散 到大气中 ，在泄漏 区附近很有可能与空气混和形成 可燃气体，如果此时附近出现点火源，则很可能会 发生大型火灾甚至引起爆炸 ，将严重地损害管道运 输安全 ， 并对经济和社会生活产生重大影响。 因此 ， 对于科研人员而言，进行天然气管道泄漏的扩散规 律的研究具有十分重要的实际意义 。 1 天然气管道泄漏研究现状 1 ． 1 国内天然气管道泄漏研究现状 我 国在管道泄漏扩散的研究方面起步较晚 ，现 阶段研究的主要方向集中在管道气体扩散仿真和管 道泄漏模型两个方面。下文综述近年来科研T作者 在这两个领域的主要研究进展。 袁秀玲提出了一种气体通过狭缝泄漏扩散过程 的数值模拟计算模型； 此模型考虑了粘性力的影响 ， 其结果的准确性远高于粘性流动模型和喷管流动模 型。段卓平利用数值计算方法分析易燃 、易爆气体 在大气中的扩散过程，并且给出了泄漏源附近任一 点处扩散气体的浓度变化规律以及任一时刻空问中 扩散气体的浓度分布情况。何利民对扩散过程进行 数值分析 ，通过F l u e n t 中的燃烧模型 ，主要分析 了 输气管道产生泄漏时甲烷气体组分扩散产生的可能 发生爆炸的危险区域和风速对气体泄漏扩散速率的 影响。潘旭海p 等深入研究气体的扩散模型对于管 道气体泄漏仿真过程 的影响并综合大气风速与地理 环境等因素。提出了影响气体泄漏扩散仿真过程的 几个重要参数的选择方法。王树 等运用F lu e n t 软 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 0 1 1 作者简介 胡洪兵 1 9 9 0 一 ，男，四川遂宁人，研究方向天然气管道泄漏。E - m a i l 7 8 1 9 0 8 4 3 4 q q ． c o m 。 件的 “ 湍流模型”和 “ 物质传输模型”数值模拟了 得采用适当模型进行数值模拟管遁泄漏具 檄大的 不同压力条件下的气体泄漏扩散效果。经过比较， 优越性。此外，随着计算机性能的发展以及泄漏模 发现数值计算的最终解显示了不同泄漏的压力条件 型研究的日 趋成熟，仿真软件模拟泄漏过程的研究 下对气体泄漏扩散 的影响。薛海强 利用射流 的基 越来越多 ， 多数结果与实际情况相符。 表1 给1f i T泄 本理论针对管输天然气泄漏 的速度场和浓度场采用 漏模拟研究 的几篇论文 中的主要 内容 。 数值模拟，分析了管输气体扩散过程中诸多不同条 件的作用。叶峰等在前人的基础之上提出了气体泄 漏后在空气中扩散传播的有限元模型、数学模型； 采用A N S Y S 仿真软件对产生泄漏后的气体的扩散弥 漫过程采取了动态仿真。表明有限元模型仿真天然 气管道泄漏具有一定的前景。 丁信伟利用空气动力学将微元气体进行三大平 衡研究 ，进而提 出一种全新气体扩散模型，经过风 洞实验 ，严格分析了该模型的正确性。李又绿同 等 考虑到输气管道气体泄漏产生扩散过程的特性，同 时注意了天然气管道泄漏小孔中的射流作用 以及水 平方向的风速还有重力和膨胀的效应对气体扩散的 过程的影响作用之后，提出了贴合输气管道气体产 生泄漏的一种新 的扩散模型 。蔺跃武 先假定管道 中流动的是绝热流动的理想气体，泄漏阶段视为理 想气体 的等熵流动阶段 。由此提出了输气管网爆裂 后气体的泄漏量的计算通用方法并指出这个方法可 以对不同大小的缝隙泄漏孔径的气体泄漏量进行研 究。霍春勇通过验证管道气体泄漏过程中引入了理 想状态下的气体状态方程中的压缩因子，提出了大 孑 L 径泄漏条件下计算泄漏量的公式并研究了非稳态 工况条件下产生气体泄漏的问题。王大庆等经过分 析已有管道管输气体的泄漏模型，建立了利用管内 亚临界流状态下的数学模型，并结合输气管道的气 体扩散模型来计算不同类型管道的泄漏缝隙孔径下 天然气的泄漏速率。向素平 等根据实际的限流和 紧急切断造成 的不稳定以及泄漏处天然气出现音速 建立的泄漏模型 ，能够较为贴近实际的求 出泄漏点 出天然气的状态参数。经验证 ，其模型的解和实际 大致吻合。艾唐伟等利用管道泄漏后，泄漏点的浓 度及其等高线的变化模型能够迅速确定事故周围的 安全等级，进一步验证气体的扩散浓度与大气的稳 定度 、水平风速的相互关系。 肖建兰利用泄漏阶段 的射流基本原理以及气体膨胀阶段受到重力、 浮力、 水平风速等作用 ，提出全新的输气管道泄漏模型。 杨昭 等经过分析天然气扩散过程的边界层，确认 天然气外泄形成的高浓度区域 ，进而得 出增大气体 外泄速率或者增大水平风速都会增大气体泄漏扩散 速度 ，从而使沿下风向的泄漏浓度减小 的结果 。 由于管道泄漏实验实际操作难度太大 ，因而使 表 1 仿真研究 的主 要内容 Ta bl e 1 The ma i n c on t en t o f s i mul a t i o n r e s e a r c h 1 ． 2 国外天然气管道泄漏研究现状 天然气泄漏后对空气和地理环境的污染问题与 天然气的扩散方式密切相关 ，国外在天然气扩散方 面的研究探索开始于上世纪7 0 、 8 0 年代。 在此期间， 提出了不少有参考价值的扩散的计算模型，同时也 进行 了很多次扩散模型试验 。 表2 给出了5 种经典的扩散模型。这些计算模型 有高斯 G a u s s i a n 模型 ，B M B r i t t e r a n d Me Q u a i d 模型 ， S u t t o n 模型 ，F E M3 f 3 D F i n i t e E l e l n e n t Mo d e 1 模型 ，板 块模型，重气模型等。高斯模型着手于数学统计方 法，研究扩散管道气的空间浓度分布，适密度与大 气相近的气体的点源扩散，模拟精度较低。但是它 可以仿真气体连续性外漏和气体突然泄漏这两种不 同的泄漏方式，且由于模型提出的时间比较早，存 在的实验数据多 ，因而方法较为成熟 。其他几种模 型各 自具有优点 ，适用条件各异 。 表2 国外5 种典型气体扩散模型比较 Ta b l e 2 Fi v e k i n d s o f t y pi c a l g a s d i ffu s i o n m o d e l 在气象条件方面，L ． S o u l h a c 。 、M ． P o n t i g g i a 。 、 J a e J i m K i m。 、Z h i r o n g Wa n g 。 、H．W i l k e n i n g 。 、J i a n H a n g 等人分别以风向 、 风速等不同气象条件 ， 采用 C F D 方法研究其对气体扩散 的影响，但是 ，对空间 不同高度处的气体泄漏扩散的浓度分布，没有考虑 大气环境 中温度梯度和湿度梯度 的影响。 在障碍物方面，M ．1 a te b 等人考虑了迎风面大 化 工 楼的存在与否，采用C F D 方法软件对污染物泄漏扩 散进行三维数值模拟 。 Mo h a m e d F ． Y a s s i n [ 1 7 1 考虑了不 同屋顶形状 以及屋顶高度与建筑高度不同比的影响， 采用C F D 方法软件对污染物扩散进行二维数值数值 模拟， F ． S c a r g i a li 龇 采用计算流体力学方法， 建立三 维几何模型，对重气泄漏扩散进行了模拟，结果证 明了在下风向，街区会减少地面重气的积聚 ，但却 会增大其扩散的影响范围，但气体的密度不同，其 扩散的结果差异很大。 此外， M a r o P o n t ig g ia 和s te v e n R ．H a n a n 等人分别采用了C F D 软件模拟 了在城市 建筑群间和平坦开阔地带气体泄漏扩散的不同，指 出气体易在下风向建筑群近地面聚集并达到高浓度， 停留持续的时间也很长。Y o s h i h i d e T o m in a g a l捌 采用 C F D方法软件F l u e n t ，分别选用R A N S 和L E S 两种湍 流模型 ，对建筑群行列中两栋建筑物之间的污染物 泄漏扩散进行三维模拟，研究了垂直点源上方的风 速、平均浓度、涡粘度、涡扩散率分布规律。 2 结论与展望 综合 以上研究现状可以发现 天然气管道泄漏 研究都是从两个方面进行。首先是针对泄漏介质在 空气、土壤、水里的扩散方式进行理论研究，提出 各种相应的扩散模型。其次是用C F D 软件对泄漏过 程进行仿真。对比国内外工作者的研究内容来看， 国外工作者更多从事模型研究，提出了很多原创性 的泄漏模型。 国内通过这些年科研人员的不懈努力， 在管道泄漏的理论研究与泄漏扩散仿真上我们渐渐 的与国际靠拢；但是在泄漏检测设备，泄漏发生后 的防范设施等方面还是与国际领先技术相差较远。 随着信息时代的到来，管道系统正处在数值化 监控之下；一方面管道的防泄漏研究有效结合数学 模型与计算机仿真技术，开发出适用性较强的检测 软件；另一方面运用统计分析法针对输气管道运行 的不同工况 、不 同季节 、不 同输量 、不 同地理环境 等条件下的管材损耗进行分析 ，更准确更全面地预 测管道损耗状况。科研工作者在这两个方向都需要 在保证预测精度的前提下尽可能地将影响因素考虑 在内，使检测、预测结果更可信。此外，在适当条 件下进行管道泄漏实验，获取数值模拟相关参数， 才能使数值模拟获得更准确的结果 。 考 r 列 纠 __ 咄 m “ 加 参 『 } i [ [ [ [ [ [ [ [ [ [