石油小孔泄露模型

燃气中的小孔泄漏探讨（转载）

泄漏检测技术2010-09-13 15:54:59 阅读14 评论0 字号：大中小订阅

摘要：论述了城市燃气泄漏模型(小孔泄漏模型、管道泄漏模型、其他泄漏模型)和扩散模型(高斯模型和重气扩散模型)的主要内容及适用条件。

关键词：燃气泄漏；泄漏模型；扩散模型

Discussion on Models for Gas Leakage and Diffusion

PENG Shi-ni，ZHOU Ting-he

Abstract：The main content and applicable conditions of city gas leakage models(pore leakage model，pipeline leakage model and other leakage model)and diffusion models(Gaussian model and heavy gas diffusion model)are discussed.

Key words：gas leakage；leakage model；diffusion model

燃气泄漏是燃气供应系统中最典型的事故[1]。在燃气的储存、输配及使用过程中，由于人为或自然原因导致泄漏，燃气泄漏后在空气等介质中扩散并积聚，当达到一定浓度时遇到火源会产生爆炸并引起火灾。燃气泄漏后果的严重程度主要取决于泄漏量和扩散范围，而泄漏量又与泄漏源强度及泄漏时间有关。因此，燃气的泄漏强度和扩散范围是分析泄漏与扩散以及预测评价事故后果的基础和参考依据。本文针对城市燃气泄漏模型和扩散模型进行探讨。

1 泄漏模型

1.1 小孔泄漏模型

小孔泄漏模型适用于穿孔泄漏的情形，穿孔泄漏是指管道或设备由于腐蚀等原因形成小孔，燃气从小孔泄漏。常见的穿孔直径在10mm以下，对于穿孔直径在20mm以下的泄漏可以使用该模型。小孔泄漏一般是长时间持续稳定泄漏且具有泄漏点多、不易察觉、潜在危险大的特点。

对于小孔泄漏模型，按照其泄漏燃气相态的不同，可分为气体流泄漏、液体流泄漏和气液两相流泄漏3种形式[2]。

①气体流泄漏强度[1～6]

较普遍的气态燃气泄漏强度的计算是按照伯努利方程推导所得，气体从孔口泄漏的强度与其流动状态有关。因此，要确定泄漏时气体流动属于声速流动(临界流)还是亚声速流动(次临界流)，可以用临界压力比来判断：

式中β——临界压力比

p0——环境绝对压力，Pa

pc——泄漏口燃气的临界压力，Pa

κ——燃气等熵指数

燃气等熵指数，κ是温度的函数，理想气体的，κ可近似当作定值，对于双原子气体取1.4，多原子气体取1.29，单原子气体取1.66。对于天然气等由多原子分子组成的气体，κ可近似取1.29。

式中qm——泄漏强度，kg/s

Cg——气体泄漏系数

A——泄漏口面积，m2

p1——容器内燃气的绝对压力，Pa

M——燃气的摩尔质量，kg/mol

Z——压缩因子

R——摩尔气体常数，取8.314J/(mol·K)

T1——容器内的燃气温度，K

气体泄漏系数与泄漏口的形状有关，泄漏口为圆形时取1.00，三角形时取0.95，长方形时取0.90，由内腐蚀形成的渐缩小孔取0.90～1.00，由外腐蚀或外力冲击形成的渐扩孔取0.60～0.90。压缩因子可以根据燃气的对比压力和对比温度查燃气压缩系数图得到，当压力小于1.6MPa时，常温燃气可近似认为是理想气体，取Z=1。

一般情况下，管道或压力容器中的燃气以气态储存，发生泄漏后的泄漏量可以按照气体流泄漏强度模型进行计算。

②液体流泄漏强度[1、7、8]

燃气以加压液化或低温液化的形式储存在压力容器内，当发生泄漏时可认为燃气以液相流出，在通过孔口的同时可能急剧气化流出到大气中。假设在液面以下某一高度处发生泄漏，分别选取液面和泄漏孔口出流断面收缩处为截面列出伯努利能量方程，并整理可得液体流泄漏强度的计算公式：

式中C1——液体泄漏系数

p2——容器内液体的绝对压力，Pa

g——重力加速度，取9.8m/s2

h——泄漏口之上的液体高度，m

液体泄漏系数与液体的雷诺数及泄漏口的形状有关。当雷诺数Re＞100时，泄漏口为圆形孔取0.65，三角孔取0.60，长形孔取0.55；当雷诺数Re≤100时，对应上述形状泄漏口的泄漏系数分别取0.50、0.45和0.40；不明流态时泄漏系数取1。

由式(4)可以看出，压力容器中液态燃气的泄漏强度取决于压力容器内外的压力差和泄漏口之上的液体高度。

当液化石油气、液化天然气等从压力容器液相空间中泄漏时，其泄漏量可使用液体流泄漏模型进行计算。

③气液两相流泄漏强度[1、2、8]

对于过热液体的泄漏，在流过泄漏孔时会出现气、液两相流动，这种流动兼有气体泄漏和液体泄漏双重特点。均匀两相流泄漏的泄漏强度可以按照下式计算：

式中Cd——两相流泄漏系数

ρm——两相混合物的平均密度，kg/m3

pm——两相混合物在容器内的绝对压力，Pa

pm,c——两相}昆合物的临界压力，Pa，一般取0.55pm

Fv——闪蒸率，即液体蒸发的质量占液体总质量的比例

ρg——液体蒸气的密度，kg/m3

cp——两相混合物的比定压热容，J/(mol·K)

T2——液体的储存温度，K

Tb——液体在常压下的沸点，K

当Fv＜＜1时，可认为泄漏的液体不会发生闪蒸，此时按照液体流泄漏强度公式计算，泄漏出来的液体会在地面上蔓延，遇到防液堤而积聚成液池。当Fv＞0.2时，可以认为不会形成液池。当Fv＜1时，泄漏量按两相流泄漏强度公式计算。当Fv=1时，泄漏出来的液体发生完全闪蒸，此时按气体泄漏强度公式计算。

对于液化石油气、液化天然气等液体从压力容器气相空间中泄漏时，其泄漏量可使用气液两相流泄漏模型进行计算。

1.2 管道泄漏模型

管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形[2、3、5]。开裂泄漏的原因通常是由于外力干扰或超压破裂，属于大面积泄漏，泄漏口面积通常为管道截面积的80%～100%。开裂泄漏瞬时泄漏量大，导致管道或设备中的压力明显降低。这时，在泄漏口处的燃气压力和周围环境的压力相差不太大，可以运用动量守恒方程和能量守恒方程建立如下方程：

式中u——气体泄漏时的速度，m/s

p——气体的绝对压力，Pa

ρ——气体的密度，kg/m3

F——摩擦力，N

H——气体的焓，J

μ——气体的动力黏度，Pa·s

L——泄漏点距起始端的距离，m

D——管道内径，m

假设在来气方向上距管道泄漏点长度为L处设有调压装置或阀门，且认为沿程阻力系数不变，便得到管道泄漏模型的泄漏强度计算公式：