天燃气管道管线泄漏模拟分析

天燃气管道管线泄漏模拟分析

张华明

深圳市燃气工程设计有限公司 518000

摘要：为响应国家减碳政策，可再生能源在我国居民以及工商业中被广泛使用，其中，天然气成为了不可或缺的清洁能源之一。但天燃气管道泄露时常发生，对天然气资源造成了浪费，甚至造成一定的安全隐患。因此，本文需要通过一个准确的天然气泄露计算方法对泄露危害风险进行定量模拟，模拟的内容包括天然气泄露危害的临界值和亚临界值。在此基础上分析了25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔直径下的泄漏规律，模拟结果为管道泄露规律查找和治理提供参考。

关键词：天然气；管道泄露；泄漏规律；模拟分析

1.概述

随着二氧化碳排放量的增加，我国出台了多种降碳政策，并制定了2030年达到碳峰值和2060年实现碳中和的目标^[1]。因此，为响应国家减碳政策，可再生能源在我国居民以及工商业中被广泛使用，其中，天然气成为当前应用比较广泛的清洁性能源，成为了一种不可或缺的能源之一^[2]。但随着天燃气的频繁使用，也给人们的生命和财产造成了一定的安全隐患^[3]，如燃气泄露引起的一系列事故^[4]，因此，有必要对天燃气管道管线的泄漏进行分析^[5]。本文通过对天燃气管道泄漏计算方法的推导，以及在各泄露临界阶段的研究，分析了25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔直径下的泄漏规律，模拟结果为天然气管线定量风险分析提供有效参考。

2.几何描述

本文在管道泄漏的研究中可以将管道作为一个刚性的容器结构，同时假设管道发生泄漏后会引起内部气体发生宏观流动^[6]。模拟燃气管道截断阀之间3km管线泄漏，并分析泄漏时间、泄漏压力和泄漏量的关系。依照泄漏量模拟条件单，管径为800mm，压力为4MPa。泄漏孔直径分别为25mm、150mm、500mm和600mm。具体模型如图1所示。

3问题分析

3.1 临界泄漏阶段

该阶段中，环境与管道内部的压力都没有达到临界压力比值的状态^[6]，即满足等式1。

式中： p表示的为管内天然气压力值，Pa；k表示的为天然气的绝热指数； 为表示的为气体的临界压力比；下标“cr”表示与临界状态对应的参数。

随着泄漏等式2表达出天然气泄露过程中随着时间推移，气体温度的变化情况，并将其带入到绝热过程方程中，能够求解临界泄漏阶段中天然气管道的压力值变化。

式中：T是天然气温度，K；T_o初始温度，K； 是速度系数； k是天然气的绝热指数；A为泄露口的面积，m²;V为泄露段的体积，m³； 是时间，s。

等式3给出了临界泄漏阶段管道的泄漏速率，该计算公式仅用于压力比小于临界压力比的情况，即泄漏时间小于最大临界泄漏时间(等式7)。

式中：R为天然气的气体常数，J/(kg K); 为管道的泄露速率，kg/s; 是速度系数； k是天然气的绝热指数；A为泄露口的面积，m²;V为泄露段的体积，m³； 是时间，s。

3.2 亚临界泄漏阶段

如果环境与管道内天然气压力的比值比临界压力大的情况下，会导致管道系统达到亚临界泄漏状态^[6]，其中各项参数都达到亚临界状态，比如泄露口气体流动等，但是尚无法达到最大流量的条件。因此，需要改写原有方程来计算亚临界阶段下管道泄漏速率及压力变化。等式8和9能够反映出管道在亚临界泄露状态情况下随着时间推进管道内压力的变化。

式中:p_sur指的是管内天然气压力，Pa；k是天然气的绝热指数；A为泄露口的面积，m²;V为泄露段的体积，m³； 是速度系数； 是时间，s。

利用随着时间变化形成的压力和温度变化情况以及理想气体绝热过程方程即可通过等式12计算亚临界阶段管道泄漏速率。

式中： 为管道的泄露速率，kg/s; 是速度系数；

k是天然气的绝热指数； p_sur是天然气的压力，Pa； A为泄露口的面积，m²;V为泄露段的体积，m³；R为天然气的气体常数，J/(kg K)。

4.仿真结果分析

图2显示了600mm泄漏孔条件下，泄漏时间与泄漏速率的关系。计算结果表明，如果天然气管道发生泄露，临界阶段是最重要的阶段，持续的时间达到1分钟左右。管道的泄露情况会随着时间的增加而减小，但是当达到临界后期，泄漏速率从初始的1811.33kg/s下降到了126.25kg/s。同时由于泄漏孔较大，总泄漏时间持续较短。图3显示了600mm泄漏孔条件下，泄漏时间与管内压力变化的关系。随着燃气的不断泄露，管内压力会不断减小，总泄漏时间经过76秒管内压力降低至环境压力。

图4显示了500mm泄漏孔条件下，泄漏时间与泄漏速率的关系。计算结果表明，泄漏孔管径越小，初始泄漏速率越小。燃气管线的泄露中，受临界泄露阶段的影响仍然比较大，总共持续了87秒(约1分半)，总泄漏时间显著增大。临界阶段结束时，泄漏速率从初始的1278.45kg/s下降到了87.31kg/s。图5显示了500mm泄漏孔条件下，泄漏时间与管内压力变化的关系。总泄漏时间经过110秒管内压力降低至环境压力。

图6显示了150mm泄漏孔条件下，泄漏时间与泄漏速率的关系。临界泄漏阶段总共持续了975秒(约0.27小时)，临界阶段结束时，泄漏速率从初始的119kg/s下降到了7.89kg/s。图7显示了150mm泄漏孔条件下，泄漏时间与管内压力变化的关系。总泄漏时间经过1228秒(约为0.34小时)管内压力降低至环境压力。

图8显示了25mm泄漏孔条件下，泄漏时间与泄漏速率的关系。临界泄漏阶段总共持续了35125秒(约9.75小时)，临界阶段结束时，泄漏速率从初始的3.31kg/s下降到了0.219kg/s。图9显示了25mm泄漏孔条件下，泄漏时间与管内压力变化的关系。总泄漏时间经过44239秒(约为12.28小时)管内压力降低至环境压力。

5.结论

本文通过对天燃气管道泄露模拟计算公式的推导，从临界泄漏阶段和亚临界泄漏阶段两个阶段进行分析，在此基础上分析了25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔直径下的泄漏规律，主要得出以下结论：

1）燃气管线泄漏的过程中，始终以临界泄漏为关键作用内容，同时管道泄漏的速度也会随着燃气泄露时间不断减少。25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔条件下持续时间分别为35125秒、975秒、87秒和60秒。

2）临界阶段结束时，25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔条件下的泄漏速率分别从初始速率下降到0.219kg/s、7.89kg/s、87.31kg/s和126.25kg/s。

3）泄漏孔管径越大管内压力降低至环境压力的时间越短。 25mm、150mm、500mm和600mm泄漏孔条件下分别经过44239秒、1228秒、110秒和76秒管内压力降低至环境压力。

参考文献

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