考虑放散的中压燃气管道小孔泄漏模拟分析

1 概述

国内外在管道燃气动态泄漏这一领域，已经有了较为成熟的理论研究。Montiel等

首次基于紊动射流理论和流体力学基本方程建立了具有普适性的气体管道动态泄漏模型，模型涵盖了一系列经典管道或孔洞无法处理的事故场景。田贯三

利用射流原理对燃气泄漏的速度和可燃浓度范围进行了动态模拟计算。肖建兰等

、王兆芹等

和董靖宇等

分别就动态泄漏模型的适用范围和气体维持时间进行了模拟研究。唐保金等

在泄漏模型的基础上建立了埋地燃气管道的一维扩散模型，使动态泄漏模型进一步贴近实际。侯思慧等

和苏杰飞

分别进行了放散时间的理论公式推导。

本文对管道燃气的动态泄漏模型和放散效果进行耦合，首先进行数学模型构建和理论分析

，得到考虑放散效果的动态泄漏模型，再提出4种不同的管道泄漏放散工况，分别是上下游放散阀开启、仅上游放散阀开启、仅下游放散阀开启、上下游放散阀关闭，使用Pipeline Studio的动态模拟功能对4种工况进行模拟，根据结果对4种工况下放散时间进行降序排列。改变放散阀的设置间距，研究放散阀设置间距与放散时间之间的关系。改变泄漏孔与上游放散阀的距离，研究泄漏孔与上游放散阀距离与放散时间的关系。

2 数学模型

① 考虑放散效果的管道泄漏结构

考虑放散效果的燃气管道泄漏结构见图1。忽略燃气管道存在的沿程高度差以及土壤埋深，视泄漏管段为一水平架空管段。忽略放散阀与分段阀的设置间距，视上游放散阀与上游分段阀位于同一位置1，视下游放散阀与下游分段阀位于同一位置4，泄漏孔在位置3，位置2是与泄漏孔在同一垂直于管道轴线截面上的管内中心点。当泄漏发生后，立即关闭位置1、4的分段阀，同时开启位置1、4的放散阀，管道内天然气在初始压力的作用下，由泄漏孔和放散阀1、4处向外界环境流动。放散过程将持续到管道内天然气的压力和外界环境压力相同时结束。

② 理论公式

假定管道内的燃气为理想气体，燃气在管道内的流动为绝热流动过程，又因为燃气在泄漏孔处流速一般较大，不与周围环境发生热量交换，因此燃气在泄漏孔处的流动同样视为绝热流动过程。为了定量描述管内燃气绝热流动过程，利用能量守恒方程和动量守恒方程整理可得

：

(1)

式中

——比热容比

——泄漏时间，s

——计算管段末点的温度，K

——计算管段末点的绝对压力，Pa

为了壮大欢迎队伍，他把“乡直”的哥们儿都请来了：有敲锣打鼓的，有扛彩旗的，还有吹唢呐的……在我们心目中，新站长一定是个精明强干的男同胞。

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——计算管段起点的温度，K

部分教师忽略演示实验教学效果的评估，仅仅在课堂做相关实验，究竟学生在实验中是否有所学、有所获，则缺乏足够的考虑.结果教师虽然完成了演示实验，但实验效果并未充分发挥出来.另外，部分教师不注重演示实验教学反思，无法及时发现与优化实验教学中的不足.

——燃气摩尔质量，kg/mol

——摩尔气体常数，J/(mol·K)，一般取8.314 J/(mol·K)

——计算管段内的天然气流量，m

/s

——计算管段的摩擦阻力系数

——考虑弯头、三通等管道组成件后的管段当量长度，km

——计算管段内直径，mm

式中

,Y

——亚临界流泄漏状态下任意时刻的燃气泄漏速率，kg/s

将放散阀的放散等效于泄漏，联立多个泄漏速率计算公式，求出总泄漏速率即可实现放散效果的等效表达。

泄漏速率的计算需要通过判断燃气的泄漏流态来加以确定，泄漏流态分为临界流和亚临界流。临界压力比的计算公式为

：

(2)

式中

——临界压力比

如果说《巴黎地图》和《国王威廉三世的肖像画》中的情景反讽是通过使用特定词汇来体现，那么在《养鸡秘诀》中更多的则是靠特定场景的渲染，提到情景反讽，就不得不提到《养鸡秘诀》，整篇故事都是以反讽的口吻将偷鸡描述为一个正经的养鸡秘诀，堂而皇之地分析如何偷鸡是恰到好处的，比如以下这段的描写：

(3)

近年来，关于学生学业负担过重的问题已经引起社会相关部门和机构的高度重视，教育行政部门也明确提出给学生减负的号召。但面对升学的压力，作为教育的主战场，需要结合实际教学的需要，通过在学生作业的布置方式和批改方式等方面，研究出具体的优化措施。

——气体排放系数，对于临界流和亚临界流均取1

——泄漏孔的面积，m

——燃气压缩因子

——计算管段容积，m

(4)

式中

,L

——临界流泄漏状态下任意时刻燃气泄漏速率，kg/s

科学思维是生物学学科核心素养之一，是建立在证据和逻辑推理基础的思维，它有明确的思维依据和思维方向，能对事物或问题进行观察、比较、分析、综合、抽象与概括的一种思维，是学科核心素养的标志和关键[1]。科学思维贯穿在初中生物学学习中，初中学生在认知活动中，形成的科学思维意识和能力，可以内化为个体的思维方式和行为方式，不仅有助于智力水平的提升，而且能提升人生境界，是学生终身的学习成果。中考是对学生学科知识和核心素养的综合评价，科学思维是考查的重点内容之一，本文尝试分析中考生物学试题在分析与综合、归纳与演绎、抽象与概括、批判性思维四个方面对学生科学思维能力的培养。

泄漏时间可以利用欧拉方法通过式(5)

计算得到：

(5)

式中

——将放散阀放散等效于多点泄漏后的总泄漏速率(为各泄漏点泄漏速率之和)，kg/s

该课程从考勤、课堂参与度、课后作业完成情况、期末闭卷测试以及两项关键性任务的完成质量等方面进行形成性考核。大纲明确告知学生该门课程的考核具有稳定性和规范性，不因任课教授的不同而有相应改变，考核标准保持一致。从具体的评分标准来看，学校对学生的写作能力和水平有较高要求，拼写、语法和标点符号，每错一处就扣一分。这是值得我们反思的，美国从小学三年级开始就培养学生的学术英语写作能力，大学里还有各种线上线下写作实验中心对学生进行指导，确保学术写作不会成为学生科学研究和职业发展的绊脚石。而我们的学生在高中阶段并无学术写作的教学安排，大学里又并非各专业都有科研和写作指导，学生的学术写作水平自然较弱。

阿囡道：“哎哟，这句话是说不得的。他就是这样，要我回上海去，我不肯呢。”燕西笑道：“你别忙，你听我往下念，你就明白了。”又念道：

首先，相较于传统媒体，网络等新兴媒体基于其固有的传播特点，具有虚拟性和游戏性等显著特征。网络空间自身便是一个虚拟世界，每一个网民都可以不公开自身的姓名、身份、职业，网上的一方不知道另一方的任何情况。由于真实身份的虚拟，真实社会中个体之间外在的差距也一并被抹杀。这样每个网民都能不受拘束地自我表达，与网友进行零距离互动。另一方面，电脑、手机等工具为生存在激烈竞争与巨大压力下的人们提供了惬意愉悦的游戏式环境。畅游在娱乐新闻、群体聊天、恶搞笑料中的大众将理性暂时丢弃，体验了游戏般无拘无束的狂欢。这正符合巴赫金论著中体现出的、在虚拟空间的游戏中发掘人性本真的狂欢化性质。

——燃气密度，kg/m

——计算管段起点的绝对压力，Pa

3 软件模拟

3.1 管网模型与动态模拟

本文使用Pipeline Studio软件进行模拟计算，该软件是用于气体和液体管网稳态和瞬态水力分析的软件，其中TGNET模块(即气体模块)是目前天然气输气管道工艺分析的常用软件

。本文使用的是Pipeline Studio软件中的瞬态模拟功能。

③ 模拟开始后的第1 min能够准确关闭泄漏孔上下游的分段阀，同时开启相应的放散阀。关闭分段阀和开启放散阀所需时间均为0。

某天然气中压管网总长20.84 km，实际运行压力为0.15～0.25 MPa，用气高峰实际流量接近15 000 m

/h，内直径为302.9 mm，管道当量粗糙度取0.3 mm，放散管内直径根据实际取50 mm。管网由两个气源点同时等量供气，两个气源点的天然气组成(见表1)相同，为下游48个非工业用户不间断供气。标况(0 ℃，101 325 Pa)下的天然气密度取0.718 8 kg/m

。温度取283.15 K，不考虑天然气的温度变化。管网每隔2 km设置一个分段阀，并在分段阀两侧设置放散阀。模拟的初始流量为7 000 m

/h，压力为0.213 MPa，温度10 ℃。使用Pipeline Studio软件绘制的管网模型见图2。

.

.

管网模型与模拟的简化

现任取管网中2个分段阀之间2 km长的管道建立模型(见图2)进行模拟，同时做如下假定：

① 泄漏孔仅有一个，泄漏孔径为20 mm。

⑤ 模拟中的泄漏速率均小于管道允许的最大泄漏速率。

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.

中压管网基本情况

④ 当泄漏孔处的泄漏速率下降至0时，视为发生泄漏的管道气体完全放散。

改革开放40年来，我国新闻出版业发展取得了令世人瞩目的巨大成就，实现了从单一事业体制向事业与产业并重的华丽转身。一是构建新体制。从宏观管理体制、微观运行机制到流通体制三个维度逐步构建起了完备的社会主义新闻出版管理体制与运行机制。二是展现新活力。新闻出版市场体系与要素市场建设不断完善，出版市场主体进一步壮大，出版新业态强势崛起，产业发展展现出全新活力。三是满足新需求。在满足人民群众基本阅读需求基础上，进一步提供个性化、体验性需求和公众公共文化需求。

② 泄漏发生在模拟开始后的第0.5 min。

榆阳区是榆林市政府所在地，地处毛乌素沙漠和黄土高原接壤地带。境内有粮食作物3类、21种、126个品种，草本植物60多种，木本植物40多种，栽培作物79种，羊子饲养规模居陕西省前列，猪、鸡、牛的饲养也初步形成气候，已建成全省畜牧业基地和舍饲养羊示范县区，极具特色的农副土畜产品为生态产业开发提供了丰富的资源；四大农业主导产业---玉米、马铃薯、羊子、生猪都处于低利润原料出售的现状，与产业化开发可以得到的实际利润相差甚远，为生态产业开发提供了极大的利润空间。因此，大力发展林果、林牧、种植、养殖等林业生态产业，促进产业升级开发，是解决“三农”问题的有效途径。

⑥ 在原始工况下不考虑分段阀与放散阀的间距，默认两者位于同一位置。

⑦ 为便于后续模拟，将2 km长的管道均分为20段，每段长0.1 km，且任意一段管道上无任何途泄流量。

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参数设定

Pipeline Studio软件中的气体方程有：Sarem、Peng和BWRS。其中BWRS方程具有较宽的适用范围，计算精度也比其他方程更优异

，因此本模拟选择 BWRS 气体状态方程。“控制—约束”逻辑选择“最大流量—最小压力”，以便准确观察泄漏后管内气体的余量变化情况。设定环境温度为273 K，环境压力为101.325 kPa，打开组分追踪功能

，关闭软件的传热计算功能，默认天然气在流动过程中保持温度恒定。

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模拟过程

打开Pipeline Studio软件瞬态模拟模块中的时间设置，设定总模拟时间为7 min，计算步长为1 s，每10 s输出一次计算结果，构建非稳态计算的基本条件。在保持天然气管网拓扑结构、上游来气和下游出气参数均不变的前提下，通过改变泄漏孔的位置、上下游放散阀的启闭工况、上下游放散阀的间距等操作，完成中压天然气管道在不同工况下的管道完全放散耗时模拟。

3.2 泄漏后的放散工况设计

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放散阀启闭情况不同

结合实际，提出4组泄漏后的不同放散阀启闭组合。模拟开始时，维持下游出气压力为定值，上游来气流量恒为7 000 m

/h。泄漏发生在模拟开始后的第0.5 s，模拟开始后的第1 min立即关闭上下游分段阀。在原始工况下，保持分段阀间距为2 km，泄漏孔在距上游放散阀1 km处，泄漏孔当量直径为20 mm，泄漏系数取1。模拟工况见表2。

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放散阀设置间距不同

由于普洱茶的独特风味和良好的保健功能，近年来受到国内外学者的广泛关注，普洱茶的陈化研究也得到了一定程度的重视。但是关于陈化的发生机理、控制因素、工艺关键控制点等方面研究还有待深入。因此，进一步将普洱茶的陈化和醇化进行区分，陈化是指普洱茶在纯自然环境中摆放，无人工干预情况下完成自然转化的过程，而醇化则是指普洱茶在人为设计或人工控制的环境中，有目的性的相对快速完成品质转化的生产工艺过程。目前普洱茶的收藏和陈化过程大多数是自然环境摆放，无任何人工干预，但是鉴于普洱茶品质的特殊性，普洱茶的醇化加工可相对快速地缩短储藏时间，有效提升普洱茶品质，所以醇化工序对普洱茶的品质形成有重要影响。

在3.2.1节模拟得出的结论基础上，进行放散阀设置间距与放散时间关系的研究。模拟过程中的放散方式为在整个模拟过程的第1 min立即关闭上下游分段阀，并选择3.2.1节结论中的最优放散阀启闭方式。然后，仍保持分段阀间距为2 km，仅改变放散阀的间距，具体改变方式为将2个放散阀由两端等距离向中间移动，设计的模拟工况见表3。

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泄漏孔与上游放散阀距离不同

无水开门过程与无水关门过程中卧倒门受到载荷基本相同，其力矩平衡方程亦为式(4)所示。同样考虑2种风压情况。由于篇幅限制，不再详细列出。无水开门工况下单缸启闭机最大推力699.3 kN，出现在无水开门终了时；最大拉力为218.7 kN，出现在逆风无水开门初始时。

选择3.2.1节结论中的最优放散阀启闭方式，在原始工况下，保持分段阀间距为2 km，进行泄漏孔与上游放散阀距离与放散时间关系的研究。设置的工况见表4。

4 结果分析

4.1 放散阀启闭情况与放散时间的关系

不同放散阀启闭情况下管道泄漏速率随模拟时间的变化见图3。由图3可知，中压天然气管道发生泄漏并开启放散的过程中，分段阀关闭后同时开启上下游放散阀，泄漏速率下降至0耗时最短，放散时间为140 s；不开启放散阀，仅利用泄漏孔进行管道内气体放散耗时最长，约为1 850 s；单独开启上游放散阀，管道气体完全放散耗时250 s；单独开启下游放散阀，管道气体完全放散耗时310 s。由此可见，同时开启上下游放散阀相较于不开启放散阀、仅开启上游放散阀和仅开启下游放散阀，管道天然气放散时间分别节省了92.42%、44.00%和54.84%。

4.2 放散阀设置间距与放散时间的关系

上下游放散阀间距不同情况下管道泄漏速率随模拟时间的变化见图4。由图4可知，中压天然气管道发生小孔泄漏且泄漏孔位于上下游放散阀中点时，关闭分段阀并同时开启上下游放散阀，管道天然气放散时间几乎不受放散阀设置间距的影响。

4.3 泄漏孔与上游放散阀距离与放散时间的关系

泄漏孔与上游放散阀距离不同的情况下管道泄漏速率随模拟时间的变化见图5。由图5可知，泄漏孔接近上游放散阀与远离上游放散阀，管道天然气放散时间相差不大。

5 结论

① 提供了一种管道燃气动态泄漏模型考虑放散效果的解决思路，将放散阀的放散等效于多点泄漏，联立多个泄漏速率计算公式，求出总泄漏速率即可实现放散效果的等效表达。该等效表达方法计算简单、易于理解，对现有管道燃气动态泄漏模型起到了补充作用。

② 使用Pipeline Studio软件进行动态模拟，模拟发现当泄漏发生后同时开启上下游放散阀具有更好的放散效果，同时开启上下游放散阀相较于不开启放散阀、仅开启上游放散阀和仅开启下游放散阀，管道天然气放散时间分别节省了92.42%、44.00%和54.84%。

③ 模拟发现，改变上下游放散阀设置间距对管道天然气放散时间几乎无影响；泄漏孔接近与远离上游放散阀，管道天然气放散时间相差不大。

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