天然气管道泄漏数值模拟.pdf

科学论坛 焉 焉烹怎蔫，啊I C h i n as c je n c ea n dT e c h n oJ o g yR e v j e w 1 研■_ 天然气管道泄漏数值模拟 孙宏新张丹 天津华檠燃气实业有限公司天津3 0 0 2 0 0 [ 摘要] 随着石油、天然气的开发与广泛应用，管道工业的发展如火如茶。近几年“西气东输”等重大工程，更是凸显了管道地位的重要性。与此 同时，由于管道增多、管龄增长以及腐蚀、缺陷等自然或人为的原因，使管道泄漏频繁发生，不仅造成资源浪费，而且对环境造成污染，所以管道泄漏检测和定 位技术的研究已显得异常重要，也是一个亟待解决的问题。本文重在研究管道气体泄漏的后果，其目的是在于定量描述和评价一个可能发生的重大事故对公众 和环境造成危害的严重程度。本文利用流体动力学的有关理论和有限元方法，建立了天然气在大气中的扩散传播的数学模型和有限元模型；借助有限元软件 A N s Y s 对天然气在大气中的扩散传播情况进行了动态模拟。 [ 关键词] 输气管道事故流体力学有限元A N s Y s 中图分类号0 3 5文献标识码A 文章编号1 0 0 9 9 1 4 x 2 叭0 0 4 一0 0 8 9 0 2 引夸 气体在管道内流动，出于对边界层的考虑，可以推测从入口 上游站点 到 某一距离前，流型并不能完全建立。且在某些情况下，流体流动状态还取决于 管道入口上游的流动条件和入口性质。考虑实际情况和便于建立数学模型，以 常用的水平等截面直圆管为例，并假设所分析的流体泄漏区距离出口 下游站 点 、入口 上游站点 足够远，即在所研究的区域内流体的流型已建立且稳 定。根据流体动力学的理论，流体能以层流和湍流 又称紊流 两种方式流动， 其判别依据主要是雷诺数的大小。一般为人们所接受的判据是当R e 3 0 0 0 时，流体处于湍流状态；当R e 2 3 2 0 时，流体处于层流状态当2 3 2 0 R e 3 0 0 0 时为过渡区，在此区域，流体可能处于湍流状态，也可能处于层流 状态。但是在实际情况中，因外界因素的扰动，流体在过渡区内一般为湍流状 态。 1 输气管道泄漏影响范置的解析模型 流体在流动过程中，遵循机械运动普遍适用的守恒律质量守恒、动量守 恒和能量守恒。由此可以推导出流体动力学最基本的连续性方程、动量方 程和能量方程，从而得出管道中天然气流动的基本方程组。另外，对于不同特 点的流体，可以根据热力学状态参数 压力、密度和温度 之间的关系，提出反 映这种关系的状态方程。而流体运动学参量和流体受力状态之间的关系，是 根据不同条件下的流体性质，依据实验规律，提出相应的关系式，这就是反映应 力张量和速度变形张量之间关系的本构方程。 综合上述，可以得出管道中天然气流动的基本方程组如下 害 冈m 。 p 警 历 舯 p 罢 P s P 一 p ；刎w 皿 辅 口 A R ， 初、边值条件的提出是极为重要的，但工程实际中的流体力学问题的 初、边值条件如何提，又是一个较困难的问题。必须进行具体分析。一般 说，初始条件就是在初始时刻f f 。给出 V r ，岛 v 0 r p r ，岛 p o 1 ． 户 r ，气 庇 r 2 r r ，f o 写 1 ． 边界条件一般是指在流场的边界上，如无穷远，固壁，自由面等处给出流体 66 ．7kQ 。若有多台T V 参与了谐振，则更是无助于消谐作用，而且还可 能因作用在R0 上的过电压得不到及时消除，且时间较长时而被损坏，从而进 一步损害T V 。 可见，以上做法已超出微机消谐器和一次清谐器研制的初衷，二者单独存 在时的消谐机理已不再适用，这种做法不但无助于消谐反而有害。因此，这2 种消谐装置应分开安装在不同的T V 上为宜。 33 在加装零序电压互感器消谐型T V 的二次侧加装微机消谐装置 对于加装零序电压互感器的消谐型T V ，原理上要求其主电压互感器T V1 的开口三角绕组始终是闭合的，所以不可能在其二次侧加装消谐器，否则将破 坏原先的消谐机理，难以起到消谐作用。若是将微机消谐器装在其零序电压 互感器T v 0 的二次侧，当系统中其他互感器发生铁磁谐振时，消谐器将在零序 电压作用下动作，TV0 二次侧几乎被短接，TV0 及TVl 高压绕组反映的 均为漏抗，互感器的零序阻抗变为数值很小的漏抗，相当于电网中性点临时直 接接地，因而谐振也就随之消失。可见，在此消谐型T V 的T V 0 二次侧加装微 机消谐装置有助于整个电网的消谐。 4 消谐措施的综合应用 I 普通型电磁式电压互感器应选用励磁特性良好、铁心不易饱和的型 号及生产厂家。变电站1 0k V 母线T V 一次额定电压u N 为l O ／3 k V ，有的T V 在1 ．9 u N 电压作用下铁心就可能进入饱和区，而母线实际运行电压为1 0 ～1 0 ． 7 k V 。当电网单相接地时，作用在T V 上的工频稳态电压可能高达1 ．8 5 u N ，加上 电网电压的波动，T v 极易饱和。在基波谐振过电压不很高的情况下，即使装 设了二次微机消谐装置也照样可能使熔丝熔断。尤其对中性点半绝缘结构T V 如RE LlO 型等 ，难以进行消谐改造，更应慎重选型。为了防止空母线 合闸时T V 熔丝熔断，还可以采取事先投入某些线路或站用变压器等临时措施， 但不宜投入电容器组，这可防止电压有较大波动时空载变压器与电容器构成振 荡回路产生振荡过电压。 2 变电站各段母线T V 开口三角绕组处应装设微机消谐装置，使之对整个 电网产生消谐效果。由于对母线送电的瞬间交流电压极不稳定，电网发生接 地、谐振等故障时瞬间交流系统的暂态干扰，均会影响装置的正常工作，因 此，消谐装置工作电源宜选用直流2 2 0V 。以往从T V 二次侧取得交流1 0 0V 电源或者从站用电系统取得交流2 2 0 V 电源的做法不可取。变电站母线选用 消谐型T V ，同时加装微机消谐装置，即一、二次消谐措旆并用，是较为可取的 推荐方案，这样既可以保证T V 自身不参与谐振，同时对整个电网也具有消谐作 用。 3 对应的，开闭所母线宜尽可能选用消谐型T v ，但无需另装二次消谐装 置。考虑到这种系统往往对地电容较大，因此限制涌流是一个不可忽视的问 题，选用加装零序电压互感器消谐型T V 是较合理的选择。 4 高压用户配电所一般无需绝缘监测及接地选线，因此，母线T V 一次 侧中性点应尽可能不接地或选用消谐型设备以改善同一系统中T V 并联后总体 等效伏安特性。 5 同一配电网中，在尽可能采用一次消谐和二次消谐措施的同时，采取限 制弧光接地过电压的措施仍是十分必要的。由于普通型或消谐型T V 、一次 消谐器等现有消谐设备的热容量都很有限，在长时间间歇电弧过电压的作用下 仍有被烧坏的可能。 6 配电网中性点谐振接地或经电阻接地可根本解决T V 饱和过电压问 题。因消弧线圈感抗x Q 或接地电阻与互感器的励磁感抗X L 相比要小得多， 在零序回路中X L 几乎被x Q 短接，因而X L 因饱和引起的三相不平衡也就不会 产生过电压了。但因此项措施投资较大，显然不宜专为消谐而设置。 结语 在实际应用中，为了对配电网采取消谐措施，同一配电网中在选用微机消 谐等二次消谐装置，以及中性点消谐阻尼电阻、消谐型电压互感器等一次消 谐装置时，应根据电网的具体情况而定，最好是能将一次消谐装置与二次消谐 装置二者相互配合使用，进行优势互补。以达到最佳消谐效果，保证设备的正 常运行。 科技博览I 8 9 万方数据 科学论坛I ■r■■■■■■■■■■■■■■■■一C h i n as c i o n c ea n dT e c h n o l o g yR e v ie w力学各物理量的函数值或导数值。天然气在管道中的流动，设定为稳态流动，故与时间无关，不必提初始条件。其边界条件如下 1 给定管道入口截面处的流速v 即流量给定 2 出口处的压力p ； 3 管壁处给定速度为零的无滑移条件。2 输气管道泄漏影响范■的有限元分析考虑三维不可压流体，假定速度v 是已知的，此时对流扩散方程为加出a ．加百 咋瓦。瓦k 。i 3 伽辽金积分表达式『o 悟 嗜一者～毒卜- o a 假定未知函数c 的单元近似函数为c q 啦 q “，屯，屯 5 其中c ，枣 是t 时刻单元中i 节点上c 的函数值，o ， 也扛。，c ，如 是事先选定的已知基函数。为求接方便，给定的源汇项Q Q x l ，x 2 ，x 3 ，t 在单元中可以表示为节点值的插值函数Q Q ∞◇瓴，r 2 ，南 6 其中Q O 是t 时刻单元中f 节点上的Q 值，包 q 瓴，x 2 ，x ， 是已知的基函数。将 5 式和 6 式代入积分式 4 ，就可获得单元有限元特征式母 c ， 西b ， ∥’ 母切 7 其中母’2 k 也∞，拍露’ k ，卜鲁”k 啦卺等卜一1 一L 五q 出按照有限元分析的总体合成方法，可得总体有限元方程风逮9 0l 科技博览风谴～令。图1 泄漏区位置示意图图2 发生泄漏时结果月，厶 z ，‰ 工 A ．。Q ． 8 上式中的各项系数可通过单元有限元特征式的系数累加而成。若采用B 0 0 1 e 矩阵可表示如下k ；圭母雠戤‰ ∑蘑址擞，搠- 妻矛埘式中E 为单元总数。方程 8 为常微分方程组。所以不难采用通常的常微分方程的数值解法进行求解。3A N s Y s 软件分析输气管道泄潮影响范一3 ．1 建立模型首先对A N s Y s 进行初始化，进入F L O T R A Nc F D 分析模块。然后在A N s Y s软件的前处理器中生成如图2 3 所示的包含泄漏区在内的立方体求解区域。对该立方体进行有限元网格划分前要选择合适的单元类型，这两步工作都是在A N s Y s 软件的前处理器中进行的。划分网格时可以对联结于不同的线、面和体上的单元的尺寸 决定网格密度 进行控制。空气和天然气物理属性的输入是在A N s Y s 软件的求解器中进行的，需要输入它们的密度、粘度、扩散系数等物理属性参数。流体流动状态 湍流还是层流 要求使用者自己事先通过计算确定，在求解前A N s Y s 软件要求使用者在求解器中输入流体的流动状态。3 ．2 初始条件及边界条件的施加初始条件及边界条件的施加是在A N S Y s 软件中的求解器中进行的。求解域的每一个边界都需要施加边界条件，可以在这些边界上指定一些自由度 v ，、V ，V ，和压力 的组合。初始条件是在进行瞬态分析中的各个时间步长之前施加的，它实质上也是边界条件。但它是随时间变化而变化的。经过以上步骤，在A N s Y s 软件中建立起了本问题的求解模型，然后在A N s Y s软件的求解器中进行计算。计算完毕后进入A N s Y s 软件的后处理器中观察和分析所得到的结果。4 算倒算例所模拟的问题是风向垂直管道轴线方向，泄漏区域位于管道正上部。这样，我们取一个垂直管道轴线并包含泄漏区对称面在内的竖直平面，研究天然气在此平面内的扩散传播情况，具体见图1 所示。结语本文建立了描述天然气在大气中对流扩散的方程组，并应用有限元的相关理论将该方程组转换成相应的有限元方程。借助有限元软件A N s Y s 对该问题进行了求解。说明应用有限元方法来模拟输气管道泄漏问题是可行的。参考文献[ 1 ] 王国强，实用工程数值模拟技术及其在A N s Y s 上的实践，西北工业大学出版社，1 9 9 9 ．[ 2 ] 田贯三，管道燃气泄漏过程动态模拟的研究，山东建筑工程学院学报，1 9 9 9 4 5 6 ． 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载