石海濤， 吳 明， 范開(kāi)峰，刁照金，王有龍

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天然氣管道泄漏過(guò)程的參數(shù)變化研究

石海濤， 吳 明， 范開(kāi)峰，刁照金，王有龍

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

城市天然氣管道泄漏是個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，整個(gè)泄漏過(guò)程中氣體流動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生變化，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算泄漏質(zhì)量流量、泄漏速度等參數(shù)的變化。把泄漏過(guò)程分成多個(gè)時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)時(shí)間段的計(jì)算是穩(wěn)態(tài)泄漏，再結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程、絕熱方程、伯努利方程和質(zhì)量守恒定律進(jìn)行計(jì)算，然后把計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出泄漏質(zhì)量流量、管道內(nèi)壓力、泄漏氣體質(zhì)量以及泄漏速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，為提高泄漏擴(kuò)散模擬評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保證。

輸氣管線；動(dòng)態(tài)泄漏；擬合；泄漏速度；泄漏速率

由于管道老化、腐蝕等原因，泄漏事故時(shí)有發(fā)生。天然氣泄漏是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與管道內(nèi)的壓力，泄漏口的壓力和外界壓力關(guān)系密切。在對(duì)其模擬評(píng)價(jià)過(guò)程中存在大量不確定性因素，這些不確定性因素直接影響了模擬結(jié)果的正確性，泄漏速率或泄漏量即為其中之一[1,2]。本文以泄漏段管道為一儲(chǔ)氣容器，考察上下游關(guān)閥后動(dòng)態(tài)泄漏參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，做到了對(duì)泄漏過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 基本假設(shè)及氣體泄漏模型

圖1 管道氣體泄漏模型

天然氣管道泄漏一般為孔口泄漏[3,4]或裂縫泄漏，即泄漏過(guò)程可看作是可壓縮氣體的孔口出流，對(duì)孔口泄漏量的計(jì)算，可根據(jù)裂縫或其它形狀的孔口的面積與圓孔面積相同，計(jì)算出裂縫或其它形狀的孔口的當(dāng)量直徑，代入圓孔泄漏計(jì)算公式即可。

天然氣輸配管道泄漏過(guò)程如圖1所示。

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化以便于分析和計(jì)算，作如下假設(shè):

（1）天然氣可視為單一性質(zhì)的氣體，忽略泄漏過(guò)程中因溫度變化而可能產(chǎn)生的相變效應(yīng)。

（2）在此假設(shè)：泄漏發(fā)生的同時(shí)管道的上下游閥門(mén)裝置立即啟動(dòng)。泄漏管道即可被簡(jiǎn)化為一個(gè)固定容積的剛性容器(不隨壓力和溫度的變化而變化)。同時(shí)忽略由于管道泄漏而引發(fā)的管道內(nèi)部氣體的宏觀流動(dòng)。

（3）忽略管內(nèi)氣體與環(huán)境之間的熱量交換，從而可以將泄漏過(guò)程視為絕熱的[5]。

（4）泄漏口只有一個(gè)且為小孔流出方式，孔徑小于20 mm[6-9]，主要適用于儲(chǔ)罐和管道發(fā)生小孔失效是泄漏率的計(jì)算，忽略管內(nèi)摩擦的影響。因此隨著時(shí)間推移管道內(nèi)各點(diǎn)壓力和泄漏處管內(nèi)壓力一致。

2 天然氣泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)算

2.1 泄漏速度的判定

氣體從孔口泄漏時(shí)的速度與其流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因此計(jì)算泄漏量時(shí)首先要判斷氣體流動(dòng)屬于音速還是亞音速流動(dòng)。前者稱(chēng)為臨界流，后者稱(chēng)為次臨界流。

在長(zhǎng)輸和礦場(chǎng)天然氣管道中，由于壓力較高。

2.2 泄漏擴(kuò)散實(shí)時(shí)計(jì)算

當(dāng)管內(nèi)為亞臨界流，孔口處為臨界流時(shí)屬于音速流[11]：

（3）

由（1）（2）（3）得：

當(dāng)管內(nèi)和孔口都為亞臨界流時(shí)屬于亞音速流[11]：

聯(lián)立（1），（4），（5），（6）得：

3 計(jì)算實(shí)例

管道內(nèi)的壓力，即上下游的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的管道內(nèi)的壓力為：2=4 MPa；管道內(nèi)氣體的溫度:2=293.15 K，和外界溫度相同不發(fā)生熱量交換；管道內(nèi)徑為：=306.3 mm；兩閥門(mén)之間的距離為：=1 000 m（不具有普遍意義）；天然氣的分子量為：=0.017 4 kg/mol；天然氣體密度為：=28.353 5 kg/m3；泄漏口的直徑為：=101.6 mm；天然氣的絕熱系數(shù)=1.334；外部環(huán)境的壓力為：a=0.101 325 MPa。

圖2 計(jì)算框圖

初始化計(jì)算程序、計(jì)算、把計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)表，然后繪制圖像和擬合函數(shù)如下：

從圖3-圖5分別是擬合的管內(nèi)壓力、 泄漏量、泄漏總量與時(shí)間的圖像。是在泄漏點(diǎn)上下游閥門(mén)關(guān)閉后依靠管道內(nèi)的壓力進(jìn)行泄漏，當(dāng)管內(nèi)壓力趨于外界環(huán)境壓力時(shí)泄漏逐漸停止。

圖3 管內(nèi)壓力與時(shí)間圖像

圖4 泄漏量與時(shí)間圖像

圖3和圖4的趨勢(shì)是相同的，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓力時(shí)，氣體排放完畢，用時(shí)約為140 s，由圖5可知排出的氣體總量達(dá)到約為2 100 kg，與實(shí)際天然氣的量與一定的差距。管道內(nèi)還有一定的殘余氣體。

圖5 泄漏氣體總量與時(shí)間圖像

Fig 5 Image of the Leaking Gas Volume and Time

由圖6可以看到泄漏口的氣體泄漏速度大部分很高約為400 m/s且處在一條直線上，符合實(shí)際情況，管道壓力較大氣體流動(dòng)多處于臨界流。在110 s左右氣體開(kāi)始達(dá)到亞臨界流狀態(tài)，氣體速度下降很快達(dá)到零。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序?qū)敋夤艿婪欠€(wěn)態(tài)孔口泄漏過(guò)程中，管道內(nèi)壓力、氣體泄漏質(zhì)量流量以及泄漏處的氣體質(zhì)量進(jìn)行迭代計(jì)算，然后把數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并給出了函數(shù)式和函數(shù)圖象，為孔口泄漏的動(dòng)態(tài)模擬提供了必要的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

（2）雖然研究中輸氣管道泄漏是非穩(wěn)態(tài)，但實(shí)際中燃?xì)庑孤顩r和所處環(huán)境復(fù)雜多變，仍需開(kāi)展大量工作不斷完善城市燃?xì)庑孤┣闆r的數(shù)值模擬研究，為天然氣擴(kuò)散模擬和事故救援等提供更加可靠的依據(jù)。

圖6 泄漏口氣體速度與時(shí)間圖像

Fig 6 Image of the Drain Port Gas Velocity and Time

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Research on Parameter Variations of Leakage Process of Natural Gas Pipeline

，，，，

(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

The city gas pipeline leakage is a complex non-steady-state process; flow state in the whole process of the gas leak changes over time, the computer can be used to the mass flow, leak rate and other parameters. In this paper, the leakage process was divided into multiple time periods, flow state in every single time period was considered as steady-state leakage to calculate;combined with the ideal gas equation of state, adiabatic equation, Bernoulli's equation and mass conservation law, the calculation was carried out, and then the calculated data were fitted to obtain leakage mass flow rate, pressure in the pipes, leaking gas quality, and change of leak rate with time.

Gas pipeline; Dynamic leakage; Fitting; Leak speed; Leak rate

TE 832

A

1671-0460（2014）06-1084-03

2013-11-14

石海濤（1985-），男，山東濟(jì)寧人，在讀碩士，2011 年就讀于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事石油、天 然氣儲(chǔ)存運(yùn)輸安全技術(shù)方面的研究。E-mail：haitao_shi@163.com。