双层管道夹层内泄漏天然气的扩散特性分析.pdf

第 5 0卷第 2 期 2 0 1 3年 4月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q UI P ME NTP I P 1 NG Vl01 ． 5 0 NO． 2 Apr ． 201 3 管 道 与 管 “ t - t - 双层管道夹层 内泄漏天然气 的扩散特性分析 吴国忠’ ，王玉石 ，齐晗兵 ，李栋 ， 1 ． 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆1 6 3 3 1 8 ；2 ． 哈尔滨工业大学，能源科学工程学院，哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要建立了双层管道的夹层 内泄漏天然气扩散传热模型，采用C F D数值方法，利用F L UE NT 软件开展了双 层管道天然气泄漏扩散的数值研究，分析泄漏介质温度、泄漏孔直径及 管道压差对外管内壁面上温度场的影 响。研究结果表明 1 随着夹层厚度的增加，泄漏介质温度 对外管 内壁面上温度场分布影响逐渐减小。 2 随着泄漏孔直径 的增大，壁面上 出现温降的范围变大，温降值变大。 3 压差 越大，外管内壁面上温 度值 波动越 大。 关键词 双层 管道 ；天然气；泄漏；扩散 中图分类号 T Q 0 5 5 ． 8 ；T H 1 2 文献标识码 A 文章 编号1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 1 3 0 2 0 0 5 5 0 0 4 2 0 世纪 7 0年代末，国外出现了一种双层管道， 被称为双包容管道 Do u b l e C o n t a i n ． Me n t P i p i n g 。双 层管道 由于外层的保护作用，天然气只在夹层中扩 散 ，泄漏结果为 “ 只漏不爆 ” ，起 到防爆抑爆 的作用 。 国内双层管道在天然气输送过程中应用和研究较少， 因此，双层管道的夹层内泄漏天然气扩散过程有待于 进一步分析 。 国 内外 学 者对 天 然 气泄 漏 扩 散 做 了大 量 研 究 。 C u m b e r 和 C l e a v e r [ 1 结合 小尺度物理模 型 、全面 的实 验、简单 的数学模型和计算流体动力学 C F D 模型 来研究高压天然气管道泄漏过程的流动情况，预测 和验证了大部分气体的泄漏浓度。针对大孔模型的 流动状况 ， Mo n t i e l 等人 【2 认为 ， 当管内气体为亚临 界流动时 。 在泄漏孔处是临界流等熵流动或亚临界流 运动；当管内气体为临界流动时 ， 孔 口处为临界流动。 J o和 A h n_ 3 基于泄漏速度、气体射流、热流等因素建 立射流扩散模型来估计危险区域。C o r mi e r 等人 运 用计算流体动力学 C F D 建立 L NG释放模型，用于 灵敏度分析参数，评估燃烧限度距离和浓度水平的影 响，对湍流模型进行了分析和比较。C l o e t e 等人 建 立 3 D、瞬变、数学模型模拟了海底天然气管道破裂 时造成烟羽和自由面行为，使用流体体积模型 VO F 和离散相模型 D P M 耦合的方法来解释多相方面的 情况。席学军 采用合理的假设改进 C F D算法 ，以 求适用井喷的数值模拟，计算出井喷发生后的场的时 空分布。朱渊等 [ 计人管道瞬态泄漏质量和气体喷 射对扩散的影响；利用 DE M数据和曲线拟合方法建 立三维地形模型采用分区域的网格划分方法和近地 面网格加密手段划分出全区域结构体网格；使用大涡 模拟对气体扩散过程进行模拟 。大部分文献都是研究 大空间的天然气泄漏扩散过程 [ 8 - 1 0 ] 9只有少数是对受 限空间天然气泄漏扩散进行研究和分析 [ 1 1 - 1 2 ] 0国内外 针对现有天然气管道输送形式的研究主要集中在单 层管道领域 ，而针对带有层间 间隙 的双层结构管道 的 泄漏过程研究较少，并且缺少应用实例。 在本文中，双层管道的夹层内泄漏天然气扩散过 程物理模型和数学模型，考虑狭小空间冲击壁的影响， 利用 F L UE N T 6 _ 3 对双层管道的夹层内泄漏天然气扩 散过程进行数值模拟，分析泄漏介质温度、泄漏孔直 径及管道夹层中压差对外管内壁面上温度场的影响。 1 双层管道的夹层内泄漏天然气扩散模型 1 ． 1 物理模 型 二维双层管道 的夹层内泄漏天然气扩散物理模 型如图 1 所示，1 和 2为内管壁面；3为外管内壁面； a 和 b分 别 为 内管人 口和 出 口；C 和 d为夹 层 出 口； 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 2 7 基金项 目国家自然科学基金 5 1 2 7 4 0 7 1 。 作者 简 介 吴 国忠 1 9 6 1 一 ，男 ，黑龙 江牡丹江 人，博士，教授 。 主要从事管道传热计算研究。 2 0 1 3年4月 吴国忠，等． 双层管道夹层 内泄漏天然气的扩散特性分析 流膨胀 过程前 后的焓不变 ，在泄漏 孔出 口出现天然气 温度下降，在方案 1 中温降最大值接近 8 K。随着夹 层 厚度 的增 加 ，泄 漏介 质温 度 对外 管 内壁 面上 温 度场分布影响逐渐减小 。 3 00 2 95 2 90 2 85 赠 2 80 2 75 2 70 0 1 2 3 4 5 位置， m 图2 方案1 中外管 内壁面上温度场 F i g ． 2 T e mp e r a t u r e fi e l d o f s c h e me 1 i n o u t e r wa l l s u r f a c e 3 O 0 295 2 90 28 5 2 8 0 275 U l Z 3 4 位置／ m 图3 方案4 中外管内壁面上温度场 F i g - 3 T e mp e r a t u r e f i e l d o f s c h e me 4 i n o u t e r wa l l s u r f a c e 2 - 2 泄漏孔直径 对外管内壁面上温度场的影响 由图 4 、5 可以看出，泄漏孑 L 直径 对 f 处温度 场分布存在较大的影响。随着泄漏孔直径 的增大， 出现温降的范围变大，温降值变大，温降最大值接近 1 3 K。随着夹层厚度的增加 ， 内壁面温度场波动减小， f 处温降值变大，最大达到 1 6 K。 U l 2 3 4 5 位 置／ m 图4 方案2 中外管内壁面上温度场 F i g ． 4 T e mp e r a t u r e fi e l d o f s c h e m e 2 i n o u t e r wa l l s u r f a c e 2 ． 3 压差p 对外管内壁面上温度场的影响 由图 6 、7可 以看 出，在方案 3中压差 P对 外管 内壁面上温度场分布在泄漏初期存在一定影响。在 f 处，由于焦耳 ． 汤姆逊效应，气体出现温降现象越 明显，最大温降值接近 8 K。方案 6与方案 3 不同的 是 ， 随着夹层厚度的增加， 天然气泄漏射流距离增加， 冲击壁面损失的动能 比较小，流速大，压差p越大， 对 流换 热越强 ，外管 内壁面上温度值波动越 大。 位置， m 图5方案5 中外管 内壁面上温度场 Fi g． 5 Te mpe r a t u r e fie l d of s c h e me 5 i n o ut e r wa l l s urf a c e 0 1 2 3 4 5 位置， 1 n 图6 方案3 中外管内壁面上温度场 F i g ． 6 T e mp e r a t u r e fie l d o f s c h e me 3 i n o u t e r wa l l s u r f a c e 30 2 301 30 0 299 2 9 8 297 2 9 6 赠 2 9 5 29 4 293 2 9 2 2 9 1 29 0 0 1 2 3 4 5 位置， m 图7 方案6 中外管内壁面上温度场 F i g ．7 T e mp e r a tur e fie l d o f s c h e me 6 i n o u t e r wa l l s u r f a c e 3 结论 本 文对 考虑 泄漏 介质 温度 、泄漏 孑 L 直径及 泄漏 孔压力与夹层空间压力差值对外管内壁面上温度场 的影响，对天然气在双层管道夹层中的泄漏过程进行 了数值研究，得到如下结论 I 泄漏介质温度 影响 f 处温降最大值接近 8 K。随着夹层厚度的增加，泄漏介质温度 对外管 猱掰粥 赠 裟 粼 越赠 姗 嬲 狮 拼 瑚 拼 ； 赠 5 8 化工设备与管道 第 5 0卷第 2 期 内壁面上温度场分布影响逐渐减小。 2 随着泄漏孑 L 直径 的增大，壁面上出现温 降的范围变大，温降值变大，f 处温降最大值接近 1 3 K。随着夹层厚度 的增加 ， 内壁面温度场波动减小 ， f 处温降值变大 ，最大达到 1 6 K。 3 压差P越大， 外管内壁面上温度值波动越大。 [ 2] [ 3 ] [ 4] 参 考 文 献 Cu mbe r P S ，Cl e a v e r R P Me t h o d s o f pr e d i c t i n g t h e d i s p e r s a l o f n a t u r a l g a s r e l e a s e s i n v e n t i l a t e d d u c t s [ J ] ． G r e a t B r i t a i n I n s t o f Ch e mi c a l En g i n e e r s ， 1 9 9 4， 1 3 4 2 1 3 - 2 2 6 ． Mo nt i e l H，Vi l c he z J A， e t a 1 ．M a t he ma t i c a l mo de l i n g o f a c c i d e n t a l g a s r e l e a s e s[ J ] ． J o u r n a l o f Ha z a r d o u s Ma t e r i a l s ， 1 9 9 8 ， 5 9 2 2 1 1 - 2 3 3 ． J o Y D， Ala n B J An a l y s i s o fh a z a r d a r e a s a s s o c i a t e d wj t l1 Hj 一 p r e s s u r e n a t u r a l - g a s p i p e l i n e s [ J ] ． L o s s P r e v e n t i o n i n the P r o c e s s I n d u s t r i e s ， 2 0 0 2 ， 1 5 1 7 9 1 8 8 ． Co r mi e r B R，Qi R F ， Yu n G W， e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n o f c o mpu t a t i on a l flui d d yn a m i c s f o r LNG va por d i s pe r s i o n [ 5 ] [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] 【 1 O ] [ 1 2 ] mo d e l i n g A s t u d y o f k e y p a r a me t e r s [ J ] ． J o u r n a l o f L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ， 2 0 0 9 ， 2 2 3 3 3 2 3 5 2 ． Cl o e t e S ， Ol s e n J E ， S k j e t n e E C F D mo d e l i n g o f p l u me a n d f r e e s u r f a c e b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m a s u b s e a g a s r e l e a s e [ J ] ． Ap p l i e d Oc e a n R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 l 3 2 2 0 2 2 5 ． 席 学军 ． 关于井喷 H s扩散数值模拟初步研究 [ J 】 ． 中国安全 生产科学技术 ， 2 0 0 5 ， 1 1 1 2 1 - 2 5 ． 朱渊 ， 陈 国明 ． 高 含硫天然 气管道泄 漏扩散过 程 CF D建模 [ J 】 ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 9 ， 2 1 2 0 6 6 1 3 6 6 1 6 ． 李又绿 ， 姚安林 ， 李永杰 ． 天然气管道泄漏扩散模型研究 【 J 1 ． 天然气工业 ， 2 0 0 4 ， 2 4 8 1 0 2 1 0 4 ． 于洪喜 ， 李振林 ， 张建 ， 等 ． 高含硫天然气集输管道泄漏 扩散数值模拟 [ J ] ． 中国石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 2 2 1 1 9 - 1 2 2 ． 李 自 力 ， 李胜利 ， 李长胜 ， 等 ． 天然气泄漏扩散的三维数值 模拟 [ J 】 ． 油气储运，2 0 1 0 ， 2 9 4 2 6 6 2 7 1 ． 方自虎 ， 蔺宏 ， 黄鹄 ， 等 ． 管廊内燃气泄漏扩散的模型试验 与数值仿真 [ J 】 ． 工程力学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 9 1 8 9 1 9 2 ． 罗艾民 ， 多英全 ， 王汉平 ， 等 ． 受限空间泄漏天然气爆燃过 程 数值模拟及 应用 『 J ] ．中国安全生产科 学技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 3 6 Ana l ys i s o f Di f f us i o n Cha r a c t e r i s t i c o f Na t ur a l Ga s Le a k e d i n t o Sa n dwi c h i n Do u bl e La ye r Pi pi ng W U Gu o z h o n g ’ ，WA NG Y u s h i ，QI Ha n b i n g ’ ，L I Do n g ’ ’ 1 ． S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g , No r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y , Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ， C h i n a 2 ． S c h o o l o f a r c h i t e c t u r e a n dc i v i l e n g i n e e r i n g , Ha r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y , Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t The m o de l of he a t t r a ns f e r f r o m d i f f us i on f or na t u r a l g a s l e a ke d i n s a nd wi c h o f do ubl e l a ye r pi pi ng wa s e s t a bl i s h ed． By u s i n g CF D me t h o d a n d F L UE NT s o f t wa r e ， n u me r i c a l s t u d y f o r l e a k a g e a n d d i ffu s i o n o f n a t u r a l g a s i n d o u b l e l a y e r p i p i n g wa s ca r r i e d ou t ．Th e i nflue nc e s of t h e t e mpe r a tur e of l e a ka g e me di um，t he di a me t e r of l e a ka ge ho l e a n d t h e d i f f e r e n t i a l pr e s s ur e t o t h e t e mp e r a t u r e fie l d o n t h e i n n e r s urf a c e o f o u t e r p i p e we r e a n a l y z e d ． I t wa s s h o wn t h a t 1 wi th t h e i n c r e a s e o f t h e t h i c k n e s s o f s a n d wi c h ， t h e i n fl u e n c e o f t h e t e mp e r a t u r e o f l e a k a g e m e d i u m t o t h e t e mp e r a t ur e fi e l d o n t h e i n n e r s u r f a c e o f o u t e r p i p e b e c o me s s ma l l e r ； 2 wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e d i a me t e r o f l e a k a g e h o l e ， t h e s c o p e i n w h i c h t e mp e r a t u r e d r o p s d o w n b e c o me s l a r g e r a n d t h e v a l u e o f t e mp e r a tur e d r o p a l s o b e c o me s l a r g e r ； 3 t h e l a r g e r d i f f e r e n t i a l p r e s s ure i s ， t h e g r e a t e r t h e t e mp e r a t u r e fl u c tua t i o n o n t h e s u r f a ce o f ou t e r pi pe ． Ke y wo r d s d o u b l e l a y e r p i p e ； n a t u r a l g a s ； l e ak a g e ； d i ffu s i o n NB ／ T 4 7 0 2 0 ,- 4 7 0 2 7 2 0 1 2 压力容器法 -，止 __ 、 垫片、紧固件出版发行 NB ／ T4 7 0 2 0 - 4 7 0 2 7 --2 0 1 2 压力容器法兰、垫片、紧固件 J B ／ T4 7 0 0 - 4 7 0 7 为合订本，现 已出版。 订购热线 0 21 6 2 4 8 8 5 8 0