天然气管道泄漏过程的参数变化研究.pdf

第 4 3卷第 6期 2 0 1 4年 6月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 3．N O ． 6 J u n e，2 0i 4 天然气管道泄漏过程的 参数变化研究 石海涛， 吴 明， 范开峰，刁照金，王有龙 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 摘 要城市天然气管道泄漏是个复杂的非稳态过程，整个泄漏过程中气体流动状态随时间发生变化，利 用计算机计算泄漏质量流量 、泄漏速度等参数的变化。把泄漏过程分成多个时间段进行计算，单个时间段的计 算是稳态泄漏 ，再结合理想气体状态方程 、绝热方程、伯努利方程和质量守恒定律进行计算 ，然后把计算数据 进行拟合得出泄漏质量流量 、管道内压力、泄漏气体质量以及泄漏速度随时间的变化规律，为提高泄漏扩散模 拟评价结果的准确性提供保证。 关键词 输气管线 ；动态泄漏 ；拟合 ；泄漏速度 ；泄漏速率 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 一 o 4 6 0 2 0 1 4 0 6 1 0 8 4 0 3 Re s e a r c h on Pa r a me t e r Va r i a t i o ns o f Le a ka g e Pr o c e s s o f Na t ur a l G a s Pi pe l i n e S HI Ha i t a o ，WU - mi n g ，F A NK a i o f e n g ，D I A O Z h a o -j i n ，W A NG Y o u l o n g C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e c i t y g a s p i p e l i n e l e a k a g e i s a c o mp l e x n o n -- s t e a d y - s t a t e p r o c e s s ； fl o w s t a t e i n t h e wh o l e p r o c e s s o f t h e g a s l e a k c h a n g e s o v e r t i me ， t h e c o mp u t e r c a n b e u s e d t o t h e ma s s fl o w, l e a k r a t e an d o t h e r p a r a me t e r s ． I n t h i s p a p e r , t h e l e a k a g e p r o c e s s wa s d i v i d e d i n t o mu l t i p l e t i me p e r i o d s ， fl o w s t a t e i n e v e r y s i n g l e t i m e p e r i o d wa s c o n s i d e r e d a s s t e a d y s t a t e l e ak a g e t o c a l c u l a t e ； c o mb i n e d wi t h t h e i d e a l g a s e q u a t i o n o f s t a t e ， a d i a b a t i c e q u a t i o n ， B e rn o u l l i ’s e q u a t i o n a n d ma s s c o n s e r v a t i o n l a w, t h e c a l c u l a t i o n wa s c a r r i e d o u t ， a n d t h e n t h e c a l c u l a t e d d a t a we r e fi t t e d t o o b t a i n l e a k a g e ma s s flo w r a t e ， p r e s s u r e i n t h e p i p e s ， l e a k i n g g a s q ua l i t y ， a n d c h a n g e o f l e a k r a t e wi t h t i me ． Ke y wo r d s Ga s p i p e l i n e ； Dy n a mi c l e a k a g e ； F i t t i n g ； L e ak s p e e d ； Le a k r a t e 由于管道老化、腐蚀等原因，泄漏事故时有发 生。天然气泄漏是一个复杂的过程 ，与管道 内的压 力 ，泄漏 口的压力和外界压力关 系密切 。在对其模 拟评价过程中存在大量不确定性因素 ，这些不确定 性因素直接影响了模拟结果 的正确性 ，泄漏速率或 泄漏量 即为其中之一【 l 。 】 。本文以泄漏段管道为一储 气容器 ，考察上下游关 阀后动态泄漏参数随时间的 变化规律 ，做 到了对泄漏过程的实时监控。 1 基本假设及气体泄漏模型 图 1 管道气体 泄漏模型 Fi g ． 1 Ga s Le a k a g e M o d e l f o r Pi p e l i n e 天然气 管道泄漏一般 为孔 口泄漏p 川 或裂缝泄 漏 ，即泄漏过程可看作是可压缩气体的孔 口出流 ， 对孔 口泄漏量的计算 ，可根据裂缝或其它形状 的孑 L 口的面积与圆孔面积相同， 计算出裂缝或其它形状 的孔 口的当量直径 ，代入圆孔泄漏计算公式即可。 天然气输配管道泄漏过程如 图 1 所示 。 为了使问题简化以便于分析和计算 ， 作如下假设 1 天然气可视为单一性质的气体， 忽略泄漏 过程 中因温度变化而可能产生的相变效应 。 2 在此假设 泄漏发生的同时管道 的上下游 阀门装置立 即启动。泄漏管道即可被简化为一个 固 定容积的刚性容器 不随压力和温度的变化而变 化 。同时忽略 由于管道泄漏而引发的管道内部气体 的宏观流动。 3 忽略管内气体与环境之间的热量交换， 从 而可 以将泄漏过程视为绝热的 。 4泄漏 口只有一个且为小孑 L 流出方式 ，孑 L 径 小于 2 0 mm ， 主要适用于储罐和管道发生T L 失效 收稿 日期 2 0 1 3 一 l l 一 1 4 作者简介 石海涛 1 9 8 5 一 ，男，山东济宁人 ，在读硕士，2 0 1 1年就读于辽宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方向从事石油、天 然气储存运输安全技术方面的研究。E - m a i l h a i t a o s h i l 6 3 ．c o m 。 第 4 3卷第 6期 石海涛，等天然气管道泄漏过程的参数变化研究 1 0 8 5 是泄漏率的计算 ， 忽略管 内摩擦的影响。因此随着时 间推移管道内各点压力和泄漏处管内压力一致。 “ 2 天然气泄漏扩散实时计算 2 ． 1 泄漏速度的判定 气体从孔口泄漏时的速度与其流动状态有关， 因 此计算泄漏量时首先要判断气体流动属于音速还是 亚音速流动。前者称为临界流，后者称为次临界流。 ， 、 k C P R 作 为 判 断 标 准 州 p 当未达到临界状态，即 D C P R时，气体流 』 2 动属于亚音速流动。 p 当达到临界状态或超临界状态 ，即 aC P R 』 2 时 ，气体流动属于音速流动。 在长输和矿场天然气管道 中，由于压力较高。 2 ． 2 泄漏扩散实时计算 当管 内为亚临界流 ，孔 口处为临界流时属于音 速流⋯ A。 ， U 3 P3 A。‘ “ 2‘ P2 r 11 Q mA o 2 面 由 1 2 3 得 』 2 、 『 尼 - t- 1 当管内和孑 L 口 都为亚临界流时属于亚音速流” ” A o ， P 2 ㈡ T ㈡ 联立 1 ， 4 ， 5 ， 6得 4 5 6 3 计算实例 管道 内的压力，即上下游的阀门关闭时的管道 内 的压 力 为 P 2 4 M P a；管 道 内气 体 的温 度 T 2 2 9 3 ． 1 5 K，和外界温度相同不发生热量交换 ；管 道内径为 ／ - 3 0 6 _ 3 m m；两 阀门之间的距离为 1 0 0 0 m 不具有普遍意义 ；天然气的分子量为 M O ． 0 1 7 4 k g ／ m o l ；天然气体密度为 p 2 8 ． 3 5 3 5 k g ／ m ；泄漏 口的直径为 d - 1 0 1 ． 6m m；天然气的绝 热系数 ／ c 1 ． 3 3 4 ；外部环境的压力为 0 ． 1 0 1 3 2 5 MPa。 利用计算机编程进行迭代计算 ，这里把A t l S ，也就是每隔 1 S 中计算一次 ，利用上一秒末的值 作 为下 一 秒初 的初始 值进 行计 算 。首 先 要判 断 P c ，然后按不同的流速计算后输出，程序 结束的判断是 只 和 ’ ，即管 内压力和外界压力持 平时程序结束计算。程序计算框图如图 2 。 图 2 计算框 图 Fi g ． 2 Ca l c ul a t i on Di a gr am 初始化计算程序 、 计算、把计算结果存储到数 据表 ，然后绘制 图像和拟合函数如下 从图 3 一 图 5分别是拟合 的管内压力 、泄漏量 、 泄漏总量与时间的图像。是在泄漏点上下游阀门关 闭后依靠管道内的压力进行泄漏 ，当管内压力趋于 外界环境压力时泄漏逐渐停止。 1 0 8 6 当 代 化 工 2 0 1 4年 6月 4． 50 E 06 3． 50 E 06 2 5 0 E 0 6 1 ．5 0 E0 6 5 ．O O E0 6 6 0 5O ，4O 3O 。20 l 0 0 0 2 O 4 0 6 0 8 0 1 O O l 2 0 1 4 0 1 6 0 f s 图 3 管内压力与时间图像 F i g ． 3 I ma g e o f t h e Pr e s s u r e a n d Ti me 0 20 40 6 0 80 1 0 0 l 2 0 1 40 1 60 t ／ s 图 4 泄漏量与时间图像 F i g ． 4 I ma g e o f t h e Le a k a g e a n d Ti m e 图3 和图4的趋势是相同的， 当管内压力达到大 气压力时，气体排放完毕，用时约为 1 4 0 s ，由图 5 可知排出的气体总量达到约为 2 1 0 0 k g ，与实际天然 气的量与一定的差距。管道内还有一定的残余气体。 2 50 0 2 00 0 1 50 0 b。i 0 0 0 目 5 0 0 0 50 0 1 00 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 O 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 t ／ s 图 5 泄漏气体 总量与 时间图像 Fi g 5 I mag e of t he Lea ki n g Gas Vol um e an d Ti me 由图 6可 以看到泄漏 口的气体泄漏速度大部分 很高约为 4 0 0 m ／ s 且处在一条直线上，符合实际情 况， 管道压力较大气体流动多处于临界流。 在 1 1 O s 左右气体开始达到亚临界流状态，气体速度下降很 快达到零 。 4 结束语 1 j 重 用计算机程序对输气管道非稳态孑 L 口泄 漏过程中，管道内压力、气体泄漏质量流量以及泄 漏处的气体质量进行迭代计算 ，然后把数据进行拟 合并给 出了函数式和函数 图象 ，为孔 口泄漏的动态 模拟提供了必要 的数据准备 。 2 虽然研究中输气管道泄漏是非稳态 ， 但实 际中燃气泄漏状况和所处环境复杂多变，仍需开展 大量工作不断完善城市燃气泄漏情况的数值模拟研 究，为天然气扩散模拟和事故救援等提供更加可靠 的依据 。 45 0 4 0 0 35 0 3 0 0 2 5 0 g 2 0 0 3 1 5 0 1 0 0 5 O 0 一 一 一 一 ● 一 一 音速 亚音速＼ 一 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 0 l 2 0 I 4 0 1 6 0 t f s I 图6 泄漏口气体速度与时间图像 Fi g 6 I ma g e o f t h e Dr a i n P o r t G a s Ve l o c i t y a n d Ti me 参考文献 l 1 j Wo o d w a r d J I ，Mu d a n K S ． L i q u i d a n d g a s d i s c h a r g e r a t e s t h r o u g h h o l e s i n p r o c e s s v e s s e l [ 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，1 9 91 ，4 4 1 6 1 1 6 5 ． [ 2 ]潘旭海 ，蒋军成 ． 模拟评价方法及其在安全与环境评价中的应用 『 J 1 ． 工业安全与环保 ， 2 0 0 1 ， 2 7 9 2 7 3 1 ． [ 3 ]钱新明 ，陈宝智．定量危险分析中不确定性研究新方法l J 1 ．东北大 学学报，1 9 9 6 ，1 7 3 2 9 1 2 9 5 ． [ 4] 李又绿 ，姚安林 ，李永杰 ．天然气管道泄漏扩散模型研究『 J 】 l天然 气工业 ，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 2 1 0 4 ． 1 5 j C o c h r a n T W． C a l c u l a t e p i p e l i n e fl o w o f c o mp r e s s i b l e fl u i d [ J ] ． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6， 1 0 3 2 1 1 5 - 1 2 2 ． 1 6 J E G I G g r o u p ． G a s P i p e l i n e I n c i d e n t ， 6 t h E G I G - R e p o o f t h e E u r o p e a n G a s P i pel i n e I n c i d e n t D a t a G rou p [ C 】 ． 1 9 7 0 - 2 0 0 4， 2 0 0 5 ． [ 7]肖建兰，吕保和，王明贤， 等 ．气体管道泄漏模型的研究进展f J l l 煤气与热力，2 0 0 6 ，2 6 2 7 - 9 ． [ 8 ] 霍春勇，董玉华，余大涛， 等 ． 长输管线气体泄漏率的计算方法研 究【 J I ．石油学报，2 0 0 4 ，2 5 1 1 0 1 1 0 5 ． [ 9 ]杨昭 ，张甫仁，赖建波 ．非等温长输管线稳态泄漏计算模型f J ] ． 天 津大学学报 ，2 0 0 5 ，3 8 1 2 1 1 1 1 5 1 1 2 0 ． [ 1 0]秦政先 ．天然气管道泄漏扩散及爆炸数值模拟研究[ D ] 南 充 西 南石油大学硕士学位论文，2 0 0 6 ． [ 1 1 ]H e l e n a M o n t i e l ， J u a n A ． V t l c h e z ． J o a q u i m C a s a 1 ． J o s e p A rna l d n s ． M a t h e m a t i c a l m o d e l 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 n s Ma t e r ia l s ． 1 9 9 8 ． 5 9 2 1 12 3 3 ．