燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟

城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟

克顺城市建设学院

摘要: 城镇燃气管道的分布区域人口及建筑众多,燃气管道一旦发生泄漏,将有可

能造成重大的财产损失甚至人员伤亡。因此,为了量化城镇燃气泄露危害,针对管道不

同的破坏情况及气源建立了燃气泄漏各种源模型以及扩散模型,并且建立了燃气管线动

态泄漏扩散模型及伤害性危险围。对第三方破坏所造成的城镇燃气管道泄漏模型进行

了模拟,采用CFD技术对管道泄漏燃气的扩散进行模拟研究,获得了泄漏气体的扩散数

值模拟结果,为城镇燃气管道安全运行提供了理论依据。

关键词:燃气管道; 泄漏; 泄漏模型; 扩散模型; 数值模拟

Abstract: The areas that city gas pipelines distributed in always crowd with people and buildings, and once gas releases through damaged pipes, accidents would happen involving substantial economic losses and even victims amongst the population. Therefore, in order to quantify the hazards of city gas leak, different leakage and diffusion models were established according the characters of gas and the damage. The diffusion model of unsteady leakage of gas pipeline and the damaging and destroying areas were established. Based on the computational fluid dynamics (CFD) technique the diffusion range of leaked gas during accident of underground gas pipeline that caused by the third party damage was studied. According to the results, the dispersion of the leaked gas was obtained and providing the theory basis for safety operation of city gas pipelines.

Key words:Gas pipelines; Leakage; Leakage model; Diffusion model; Numerical simulation

由于管道老化、腐蚀、管材和焊缝缺陷等原因,尤其是随着市政建设的发展,城镇

违章施工挖断、压裂燃气管道的事故屡见不鲜,泄漏事故频发,引发火灾及爆炸事故,造

成人员伤亡及环境污染的恶劣后果。燃气管道泄漏扩散的危险性主要在于两个方面:一

是一定区域燃气浓度达到阈限值,使人员中毒;二是一定区域燃气浓度达到爆炸极限,围

发生火灾或爆炸事故。针对这种情况,本文根据不同条件建立了相应适用的管道泄漏率

模型,并应用FLUENT方法进行了城燃管道泄漏模拟。

1 模型分析

1.1 燃气泄漏源模型

泄漏速率的确定是分析泄漏扩散及评价事故后果的基础,其依据的主要模型根据泄

漏孔径大小分别为小孔泄漏模型、管道模型和大孔泄漏模型。总的来说,腐蚀穿孔容易

发生小孔径泄漏事故,而对于外力破坏(诸如施工、自然灾害等)大孔径泄漏事故发生的

可能性较大。

1.1.1 孔口泄漏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。对于理想气体等熵膨胀任意点处的质量流率

Q= (1)

式中,Q为气体通过孔洞的质量流量,kg/s;

为气体泄漏系数,一般取值围在0.6~1.0。当裂口形状为圆形时取1.00,三角形时取0.95,长方形时取0.90,孔口为层腐蚀形成的渐缩孔(钝角入口)取0.9

A为孔洞面积,;

为泄漏口处对应管道中心点位置压强,Pa;

M为气体摩尔质量,kg/mol;

k为气体的热熔比,k= /;

为理想气体常数,8.314 kJ/(kmol·K);

为泄漏口处对应管道中心点位置气体温度,K;

Pa为环境压强,Pa。

从安全工作的角度考虑,都需要通过孔洞流出蒸汽的最大流量。引起最大流速的压力比为:

(2)

塞压是导致孔洞或管道流动最大流量的下游最大压力(临界压力),其泄漏量为:

= (3)

1.1.2 管道泄漏管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形。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,导致管道中的压力明显降低。对于理想气体绝热管道流,声速和非声速情况下的质量通量都可以用Darcy公式表示:

G= (4)

式中,G为质量通量;

m为气体的质量流率,kg/s;

A为孔面积,;

为气体膨胀系数;

为重力常数;

ρ为上游气体密度,kg/;

为上游气体压力,Pa;

为下游气体压力,Pa;

为差损失项,可用4fL/d替换,

f为摩擦系数,

d为径,L为管长,m。

1.2 燃气泄漏及扩散模型

城镇燃气一般包括天然气、液化石油气和人工煤气。其中天然气及人工煤气密度x 小于空气,泄漏后为浮性气体被动扩散;液化石油气的气态密度比空气重,泄漏后属于重

气扩散。对于不同性质的气体需要应用不同的扩散模型。

1.2.1 中性浮力扩散中性浮力扩散模型,用于估算释放发生后释放气体与空气混合,

并导致混合气云具有中性浮力后下风向各处的浓度,对于燃气管道泄漏一般用烟羽模型

来描述。假定风向沿x轴,风速恒定为u, Pasquill-Gifford模型所描述的位于地面H

高处的连续稳态源的浓度为:

〈C〉

(x,y,z)= (5) 式中,〈C〉(x,y,z)为平均浓度,g/;

G为连续泄漏率,kg/s;

扩散系数分别代表下风向、侧风向和垂直方向(x,y,z)浓度的标准偏差;

u为风速,m/s;

y为风向垂直方向距离,m;

z为距里面距离,m;

H为泄漏源高度,m。

下风向地面上最大浓度出现的位置,可由下式求得:

= H/ (6) 地面上沿x轴的最大浓度由下式求得: