天然气管道泄露扩散模型研究

邹红杰+周静+郑文

摘 要：随着经济的迅猛发展，世界环境条件随之下降，近年来，随着可持续发展和环保理念的提出和渗透，无污染的能源越来越成为众多资源中的首选，天然气因其本身利用条件和后续影响的环保性作为一种新型能源。但目前天然气运输过程中仍存在很多不可控因素，由于管道泄露引起的事故时有发生，对天然气资源造成严重的浪费，并损坏设备器械，甚至威胁到工作人员的生命安全。因此，对天然气管道泄露扩散进行模型研究是非常有必要的，通过模型研究了解天然气管道泄露的一系列风险和因素，从而对风险进行评估并采用合理的保障措施，以降低天然气运输的危险系数和事故率。

关键词：天然气 管道泄露 泄露扩散 模型研究

中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（a）-0067-02

经济与环境和谐发展已经成为当前世界共有的理念，天然气的广泛应用响应了环保理念，但由于天然气为易燃易爆气体，运输过程中存在一定的风险。而我国天然气资源并不丰富，天然气资源的存在区域距离天然气使用区域较远，因此，空间上的距离使得天然气的运输更加具有难度。而天然气运输过程中的危险因素主要来自于管道泄露，管道系统之间的连接部位密封性差、管道泄露以及人为因素都会造成天然气管道泄露，除人为因素的可控原因外，这两个因素具有不可控性，但对此进行风险评估和控制可以降低事故发生率。所以，对天然气运输进行泄露扩散模型研究非常有必要，并且对天然气运输有着重要的防范作用。

1 天然气管道泄露扩散模型

1.1 天然气管道泄露模型

通常情况下，天然气管道泄露模型有两种：一种是孔隙模型，另一种是管道模型。而孔隙模型根据孔隙的大小又分为大孔模型和小孔模型，如若泄露孔直徑与气管直径的比值小于0.2，是使用小孔模型进行计算，如果比值是在0.2和0.8之间，那么就选用大孔模型。如果泄露孔直径与气管直径的比值大于0.8，则选用管道模型进行拟算和研究。其实，天然气泄露理论上是非稳态扩散，而由于泄露率是难于精确计算的，动态计算方式实施起来有难度，所以，一般情况下，选用稳态和非稳态相结合的方式来进行模型研究。国内目前最新的研究结果是将泄露率简化，由王大庆等人研究所得，该方法可以消除考虑流型的必要，因为流型的研究又是相当复杂的，因此，该方法排除了这方面的因素可直接进行研究。另一方面，天然气管道有时会出现孔口亚流临界面的问题，这一问题会使泄露率在计算时出现解不变的情况，而简化泄露率可以解决这一问题。

1.2 天然气管道扩散模型

天然气管道的扩散模型是比较多的，以下简单介绍几种经典的扩散模型。烟羽模型的试用对象为轻气和中气，一般用于大规模和长时间的泄露情况，比较容易计算较小的泄露率，这种模型一般计算简单，广泛应用于污染物扩散，但不足之处在于忽略了重力的影响。第二种经典模型是烟团模型，它与烟羽模型类似，只有在使用时间上有所不同，烟羽模型适用于长时间的泄露，烟团模型更注重于短时间内的泄露。第三种模型是BM模型，一般用于重气泄露，能够比较容易地计算出长时间的大规模气体泄露，并且计算量小，对重气的模拟效果好，但因为BM模型属于经验模型，故外延性差是它的弊端。第四种模型是sutton模型，用于计算大规模的长期中气泄露，计算量也少，对模拟湍流的效果很好，但在模拟可燃气体泄放时误差较大。第五种模型是FEM3模型，适用于重气的泄露率，在规模和时间上没有限制，范围较广，但计算较难，计算量也大，它是属于三维有限元模型，精确度较高，但缺点是只应用于重气泄露计算量大。这些经典模型都有各自的适用范围和优缺点，随着近几年模型研究的发展，新的天然气模型研究有所进展，如李又绿等人提出的研究模型，通过利用气体泄露扩散中的射流作用来进行考虑，此模型与天然气管道泄露扩散的实际情况非常契模型合，对天然气管道泄露的模型研究具有重要的指导意义。

1.3 天然气管道泄露与扩散的结合模型

随着近年来对可燃易爆气体的研究发展，对天然气管道泄露扩散也更多采用泄露率进行研究，很多人开始将天然气泄露与扩散进行结合，而推出新的模型，如侯庆民等通过对天然气泄露后的情况进行了分析和评估，其研究结果与天然气管道泄露扩散的模型研究结果相符，证明了泄露与扩散相结合模型的正确性和指导意义。

2 泄露速率在风险评估中的运用

2.1 稳态条件下的泄露率计算

气体管道泄露实际上都是属于非稳态的扩散，但当孔隙直径很小时，不足以影响管道内的气体参数时可以近似的将此过程看作是稳态过程，因此，将管道内的气体假设为理想气体时可选用稳态泄露率的计算方式。而稳态泄露率的计算是以管道内的气体流动为一维流动为前提，而且管道内部是绝热的绝熵的，由稳态泄露率的计算结果可得，管内与孔径都是亚临界流动时，泄露率小于最大泄露率，但此方法在压力较高时误差较大，因此，存在一定的制约性。

2.2 非稳态条件下的泄露率计算

当泄露孔较大时，稳态泄露率的计算便不再适用，需要采用非稳态的模型进行研究计算。由于稳态气体的泄露率已经很多计算公式，结合这些计算方式采用微元分析法得出非稳定条件下的泄露率计算公式，如刘忠良等人利用管道开口系统的能量平衡公式得出非稳态气体的泄露率。

3 不同参数条件对天然气扩散范围的影响

3.1 管道压力对天然气扩散范围的影响

影响天然气扩散范围的最重要的因素是管道压力，不同管道内的压力对天然气扩散有不同的影响。当管道压力为1.6 MPa时，泄露流量为4.56 kg/s，当压力为2.5 MPa时，泄露流量为7.27 kg/s；当管道压力为4 MPa时，泄露流量在11.63 kg/s，当管道压力为6 MPa时，泄露流量为11.43 kg/s。

3.2 风速对天然气扩散范围的影响

除了管道本身的承压对天然气扩散有影响外，风速对天然气扩散的影响也有影响，风速会加剧天然气和空气之间的传热和传导，同时对于天然气背风面和向风面的影响也巨大。主风向的平流输送作用对于天然气的扩散有很大影响，同时风速增大，可能引起脉动速度增大，使天然气团浓度下降。

4 结语

目前，世界上的油气运输大多选择管道运输的方式，由于管道运输轻快便捷的优势，也成为我国天然气传输的主要渠道。天然气是清洁优质的资源，在国内普遍被运用于燃烧气体，但由于管道运输本身的局限性和天然气的易燃易爆性，当前管道运输依旧存在众多危险系数，影响着天然气运输的效率、安全以及社会稳定性，因此，对天然气泄露扩散进行合理科学的模型研究是非常有必要的。当前我国天然气管道研究模型主要为泄露模型和扩散模型，泄露模型依据泄露孔的大小分为孔隙模型和管道模型，孔隙模型又根据孔隙大小分为大孔模型和小孔模型。管道扩散模型相对于泄露模型有较多种类型的经典模式，而当前国内的天然气管道泄露扩散模型研究又引入了泄露率的计算，更加动态、全面地拟算了天然气管道泄露的范围和过程，可以对泄露结果进行预测和控制。泄露率的计算又分为稳态泄露率和非稳态泄露率的计算，稳态泄露率仅限于孔隙较小时，将管道内气体看作是理想气体，而非稳态泄露率则更适用于广泛的天然气泄露。同时，各方面的因素对于天然气扩散有着影响，如风速的大小以及管道压力，管道压力对于天然气泄露的影响更甚于风速。只有经过更专业天然气管道泄露扩散的模型研究，将天然气泄露的各方面因素考虑到，从而通过模型研究进行早期预测和拟算，为天然气的运输做更多的贡献。

参考文献

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