（制冷及低温工程专业论文）燃气管网仿真技术及其泄漏危险性研究.pdf

i | | i 】) | 】i | 删m l y 15 3 2 0 8 6 燃气管网仿真技术及其泄漏危险性研究 s t u d yo nt h et e c h n i q u eo fs i m u l a t i o na n d i t sl e a k a g er i s ko fg a sp i p e l i n en e t w o r k 一级学科： 学科专业： 作者姓名： 指导教师： 动力工程及工程热物理 制冷及低温工程 赖建波 杨昭教授 天津大学机械工程学院学院 二零零八年五月 中文摘要 随着国民经济的快速发展，城市燃气消费量日益增加，燃气管网变得日趋 复杂，这使得人们更难于了解和掌握管网系统的运行规律。而燃气管网发生泄 漏是一个概率事件，完全杜绝泄漏事故的发生是不可能的。管网一旦发生气体 泄漏，将有可能造成重大的财产损失甚至人员伤亡。因此，燃气管网仿真技术 及其泄漏危险性的研究已成为当前燃气输配领域亟待解决的重要课题。 本文从课题的研究背景出发，先是分析了国内外燃气管网仿真技术及气体 泄漏危险性的研究现状、发展趋势以及所存在的问题，最后指出本文的主要研 究内容。通过建立管道瞬态流动模型，首次采用流体网络理论对模型进行求解， 并和传统的数值解法( 隐式差分法和特征线法) 进行对比，得到两者最大偏差 约为1 。采用该方法对北京市六环的部分高压燃气管线进行模拟分析，得到模 拟值与实测值的最大偏差约为2 1 。传统的管网仿真方法要求每个节点都需分 配一个已知参数( 节点压力或流量) ，针对这一缺陷，提出了相应的解决办法。 采用改进后的管网仿真方法对天津市的部分高压燃气管线进行模拟分析，得到 模拟值与实测值吻合得较好。 过去常采用高斯扩散模型研究气体扩散过程。通过研究发现，高斯扩散模 型存在一定的缺陷，其不能真实反映泄漏燃气的扩散过程。本文对o o m s 扩散模 型进行改进，考虑了泄漏气体的速度、密度、浓度和温度等参数。将o o m s 改进 模型应用于管道泄漏燃气的扩散研究，获得泄漏气体的扩散危险域。基于该研 究成果，得到可用于预测泄漏气体扩散危险高度及危险距离的关系式。采用c f d 技术对管道喷射火焰进行数值模拟，得到模拟结果与风洞试验的实测结果吻合 得较好。基于该模拟结果拟合得到可预测喷射火焰长度的计算式。 通过适当简化管道泄漏率模型，从而获得预测破裂管道发生气体喷射或火 焰喷射时危险域的定量计算式。最后，提出了一套在役燃气管道风险性的定量 评价方法，基于该方法可了解在役管道的安全程度及其安全距离。 关键词：燃气管网，数值计算，泄漏，扩散，喷射火焰，个人风险，社会风险 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y , t h ec o n s u m p t i o n so fn a t u r a l g a sa r ei n c r e a s i n g l yg o i n gu pi nt h ec i t ya n di t sg a sp i p e l i n en e t w o r kb e c o m em o r e c o m p l e x ，w h i c hm a k e sh u m a nm o r ed i f f i c u l tt ou n d e r s t a n da n dm a s t e rt h eo p e r a t i o n r u l eo ft h ep i p e l i n en e t w o r ks y s t e m t h el e a k a g ea c c i d e n to fg a sp i p e l i n ei sa p r o b a b i l i t ye v e n t a n di ti si m p o s s i b l et o a v o i dt h ea c c i d e n t s o n c eg a sr e l e a s e s t h r o u g hd a m a g e dp i p e s ，a c c i d e n t sw o u l dh a p p e ni n v o l v i n gs u b s t a n t i a l e c o n o m i c l o s s e sa n de v e nv i c t i m sa m o n g s tt h ep o p u l a t i o n t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h et e c h n i q u eo f s i m u l a t i o no ng a sp i p e l i n en e t w o r ka n di t sl e a k a g er i s kh a sa l r e a d yb e c o m ea n i m p o r t a n ts u b j e c tt os e t t l ei nc u r r e n tg a st r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nf i e l d t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e dt h ep r e s e n ts t a t e ，t r e n do fd e v e l o p m e n ta n de x i s t i n g p r o b l e mo fr e s e a r c ho nt r a n s i e n ts i m u l a t i o no ng a sp i p e l i n en e t w o r ka n di t sl e a k a g e r i s k ，a n dt h e nt h ec h i e fc o n t e n t sw e r ei n t r o d u c e d t h et r a n s i e n tg a sf l o wm o d e l sw e r e e s t a b l i s h e da n ds o l v e db yf l u i dn e t w o r kt h e o r y c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a l n u m e r i c a lm e t h o d s ( i m p l i c i td i f f e r e n c em e t h o da n dc h a r a c t e rl i n em e t h o d ) ，t h e m a x i m u md e v i a t i o nw a sa b o u t1p e r c e n ta m o n gt h em e t h o d s t h ef l u i dn e t w o r k t h e o r yw a sa p p l i e dt ot h ep a r t i a lh i g hp r e s s u r eg a sp i p e l i n en e t w o r ka t s i x t hr i n g r o a di np e k i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u md e v i a t i o nw a sa b o u t2 1 p e r c e n tb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t s t h ec o n v e n t i o n a lt e c h n i q u eo f s i m u l a t i o no ng a sp i p e l i n en e t w o r kc l a i m st h a te v e r yn o d eo ft h en e t w o r ks h o u l db e a l l o c a t e dak n o w np a r a m e t e r ( p r e s s u r eo rf l o w ) a i ma tt h i s d e f i c i e n c y ，t h e c o r r e s p o n d i n gs e t t l em e t h o d sw e r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ei m p r o v e dt e c h n i q u eo f s i m u l a t i o nw a sa p p l i e dt ot h ep a r t i a lh i g hp r e s s u r eg a sp i p e l i n en e t w o r ki nt i a n j i n ， a n dag o o da g r e e m e n tw a sf o u n db e t w e e nt h ec a l c ul a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t s g a u s s i a nd i s p e r s i o nm o d e lh a su s u a l l yb e e nu s e dt os t u d yt h ep r o c e s so fg a s d i s p e r s i o n h o w e v e r , i td o e s n tr e f l e c tt h et r u ep r o c e s so fn a t u r a lg a sd i s p e r s i o nd u e t oi t sd e f i c i e n c y o o m sd i s p e r s i o nm o d e lw a si m p r o v e dc o n s i d e r i n gt h ev e l o c i t y , d e n s i t y , c o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo f t h el e a k e dg a si nt h i sp a p e r t h ei m p r o v e d m o d e lw a sa p p l i e dt os t u d yt h ed i s p e r s i o np r o c e s so fn a t u r a lg a sr e l e a s e df r o mt h e p i p e l i n ea n dt h eh a z a r da r e ao ft h el e a k e dg a sw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ， t h ec o r r e l a t i o n st oe s t i m a t et h ed i s p e r s i o nh e i g h ta n dd i s t a n c eo ft h el e a k e dg a sw e r e g o t j e tf i r ef r o mt h ed a m a g e dp i p e l i n ew a ss t u d i e db yt h eu s eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) t e c h n i q u ea n dag o o da g r e e m e n tw a sf o u n db e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n s a n dm e a s u r e m e n t s b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，ac o r r e l a t i o nf o rp r e d i c t i n gt h e s t o i c h i o m e t r i cf l a m el e n g t hw a sp r o p o s e d t h r o u g hr e a s o n a b l ys i m p l i f i e dt h er e l e a s er a t em o d e lo fd a m a g e dp i p e l i n e ，t h e q u a n t i t a t i v ec o r r e l a t i o n st oe s t i m a t et h eh a z a r da r e ao fg a sd i s p e r s i o na n dj e tf i r ew e r e o b t a i n e d f i n a l l y , as i m p l i f i e dm e t h o df o rt h eq u a n t i t a t i v er i s ka s s e s s m e n tf o rn a t u r a l g a sp i p e l i n e sw a sp r o p o s e d b a s e do nt h em e t h o d ，p i p e l i n em a n a g e r sc a nk n o wa b o u t t h es a f e t yc o n d i t i o no fg a sp i p e l i n ea n dt h es a f e t yd i s t a n c ef r o mt h ep i p e l i n e k e yw o r d s ：g a sp i p e li n en e t w o r k ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，l e a k a g e ，d i s p e r s i o n ， j e tf i r e ，i n d i v i d u a lr i s k ，s o c i e t a lr i s k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同：【作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 虢瓣习鸟吼渺y 年y 月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：硼吕年箩月8 日 翩虢纱坛。 签字同期：刎年，月莎同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着世界经济迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和 各种有害物质排放激增，人类生存环境受到极大挑战。在这种形势下，一种清 洁、高效的能源天然气正日益受到重视，发展天然气工业开始成为世界各 国改善环境和促进经济可持续发展的最佳选择。 据设在巴黎的国际能源机构预测，从现在起到2 0 2 0 年，全球初级能源需求 将增加6 5 ，其中发展中国家的需求将比目前翻番。统计数据显示，全球对天 然气的需求量正以每年2 4 的速度增长，而且这一增长速度有望保持到2 0 3 0 年。 天然气工业的发展得益于多方面的有利条件。首先，储量比较丰富。国际 天然气工业联合会提供的数字显示，全球已探明的天然气储量为1 5 2 万亿立方 米，按目前消费水平可供开采6 5 年，而已探明石油的可供开采期为4 3 年。如 果从远期来看，世界天然气的最大储量，也就是说在当前技术条件下的可开采 量，估计达4 0 0 万亿立方米。 天然气的另一个优势是热能利用率高。在几年以前，燃气电站的天然气热 力效率尚不足4 0 ，随着相关技术的进步，在今天已达到6 0 以上。在一些同 时供电和供热的燃气电站，天然气的热能利用率甚至达到9 0 。因此天然气可 以说是一种相当经济的能源。此外，天然气的污染程度也比较低。研究表明， 生产等量的电能或提供等量的热能，天然气在燃烧过程中排放的二氧化碳比石 油低2 5 ，比煤炭低4 0 ，在矿物能源中是最少的。与燃油和燃煤相比，天然 气燃烧排放的氮氧化物也要少得多。以天然气为能源不仅有利于缓和大气温室 效应，也有助于减少酸雨的形成。 我国对天然气的利用已有相当悠久的历史，但天然气工业起步较晚，与世 界发达国家或地区相比还有较大的差距。全球天然气在总能源消费中占2 4 ， 而我国仅占能源消费结构的3 。2 0 0 7 年能源蓝皮书2 0 0 7 中国能源发展报告 预计未来1 5 年中国天然气需求将呈爆炸式增长，平均增速将达l l 至1 3 。预 天津大学博士学位论文 计到2 0 1 0 年，天然气需求量将达到1 0 0 0 亿立方米。2 1 世纪中期，全国6 5 的 城市都将通上天然气。此外，各级地方政府在发展城市燃气方面也非常积极。 由此可见，无论是下游的市场空间还是上游的资源储备，天然气都具备大发展 的条件刳。 “十五”规划明确提出，以提高居民生活质量，改善大气环境、节约能源 为目的，在国家政策的支持下，积极发展城市燃气。天然气作为理想的城市燃 气的气源将得到长足发展，并为城市燃气消费带来新的观念，如：供应量的大 幅度增加、应用领域的拓宽、供应安全要求高等。提高城市利用天然气的水平， 也将对改善城市大气质量有着重要的作用。 天然气的开发利用离不开管道系统的输送。为了满足全国日益增长的天然 气用气需求，保证天然气的供应安全，正在相继建设陕京二线、四川北干线和 沿海输气管道等长输管道，以及各长输管道之间的联络管道口1 。城市燃气虽是一 种优质燃料，但由于其易燃易爆甚至具有一氧化碳等有毒成份，若管理和使用 不当，极易引起爆炸、中毒等事故。由于城市燃气输配设施常是分布在人口及 公共设施密集的区域，一旦发生燃气泄漏事故，将有可能造成严重的人员伤亡 和财产损失。表1 1 为笔者从各类杂志和互联网上搜集到的管道燃气事故资料。 表1 1国内外城市燃气事故统计表 第一章绪论 燃气管道泄漏是城市燃气安全事故的主要原因之一。天然气管道事故一般 是指造成输送介质从管道内泄漏并影响正常输气的意外事件，主要是管道区段 的事故h 1 。但“事故”在不同的国家有不同的界定，如在欧洲，输气管道事故 是指气体泄漏事故，而在美国，则被定义为气体泄漏，且伴有人员死亡、受伤 或财产损失超过5 0 ，0 0 0 美元的事故。造成天然气管道泄漏的原因主要有以下几 个方面哺1 ：1 ) 腐蚀；2 ) 外部影响；3 ) 施工缺陷和材料失效；4 ) 地面运动；5 ) 其他。 气 体 泄 漏 立即点燃?空间受限? 是 事故后果 爆燃爆炸( d e c o n a i i o d e f l a 笋a “o n ) 火球壤射火焰缸eb a l l ：j e tf u e ) 气云爆炸( c 0 1 l f j m e dv a l ) o 】c l o u dc x p l o s i0 j 1 ) 闪火( n a s h f i r e ) 气体扩散( g a sd i s p e r s i o n ) 图1 1管道气体泄漏后事故的发展过程 天然气管道发生泄漏后，泄漏气体在不同的条件下将产生不同的事故后果。 图1 i 简要说明了管道气体泄漏后事故的发展过程。a p l 5 8 1 提供了燃气发生泄 漏后各种表现形式的概率，研究者针对不同情况进行了一定的修正1 。根据 a p l 5 8 1 ，管道气体持续性泄漏后发生气体扩散和喷射火焰的概率分别为 1 ：0 8 和0 1 。 随着国民经济的发展，城市燃气消费量日益增长，燃气输配系统也变得日 趋庞大和复杂，从而燃气管网系统的安全性、可靠性和经济性的要求也越来越 高。管网系统的复杂化使得人们更难于了解和掌握管网系统的运行规律，分析 和处理管网系统的事故工况。而燃气管网泄漏事故是一个概率事件，完全杜绝 泄漏事故的发生是不可能的。研究管网的运行规律及管道气体泄漏危险性，可 提前预防燃气泄漏事故的发生，还可对事故后果进行有效控制，因此，该研究 已成为安全工作者必须关注的一个重要课题。 天津大学博士学位论文 1 2 管网仿真技术及气体泄漏危险性的研究现状及发展趋势 1 2 1 管网仿真技术研究 1 2 1 1 国外研究动态 早在1 9 1 3 年，意大利学者a l l i v e ，l 就提出了管道不稳定流动模型。但在 气体管道仿真方面，从上世纪4 0 年代至6 0 年代，国外主要还是从事管道静态 计算，其基本方法是用连续性方程和动量方程描述气体在管内的流动。从上世 纪6 0 年代开始，一些研究人员采用数值计算方法在计算机上求解管道瞬变流， 其计算结果的准确性得到了实验室及现场试验的验证，并且计算速度大大提高。 此后，气体管道的动态仿真技术开始得到发展旧1 。 最初由于管道技术和计算机技术的限制，在数学模型和计算方法上都进行 了不同程度的近似处理，将管内气体视为理想气体，并忽略压缩因子、摩阻系 数随压力、温度的变化。随着计算机技术的不断发展和计算方法的不断完善， 也为提出更准确的数学模型提供了必要条件。对数学模型的求解，曾采用图解 法、解析法和数值解法。图解法是通过人工作图来求解管道在不同位置上参数 随时间变化的一种方法。该方法既费时费力，又存在较大误差。解析法在前苏 联7 0 年代应用得最多，它是通过对数学模型进行一系列的推导处理而得到气体 参数( 主要是压力、流量) 随时间变化的一种方法。虽然这样得到的解析解比 较直观，但这种方法难免存在较大误差。管道系统较复杂时，就难以采用解析 法进行求解。数值解法是随着计算机技术的发展而发展起来的一种方法，特别 是8 0 年代以来，这种方法得到了充分的发展。目前所采用的数值解法主要是有 限元法、有限差分法、控制容积法等呻 12 1 。d u k h o v n a y a 和f a i l l e 分别以t v d 格 式有限容积法进一步探讨了不同的差分方法n 3 h 钔。近年来，流体网络理论开始 受至! 人们的关注，并成功地应用于燃气管网的仿真研究，这一成功将进一步促 进管网仿真技术的发展n 5 1 7 。 在天然气管道系统的仿真软件中，最早被我国接受的是美国s s i 公司的 t g n e t ( t r a n s i e n tg a sn e t w o r k ) 软件，其具有离线仿真和在线仿真功能。由于该 软件具有较长的使用历史，经s s l 公司和用户使用验证，其仿真结果与实测数据 十分接近。它可以根据气体参数变化程度灵活自动选择仿真时间步长，并能保 证所要求的结果精度n8 1 。美国的s t o n e r 公司开发了用于气体稳态管网设计的软 第一章绪论 件s w s 和模拟长输管道动态工况的软件s p s 。此外，还有美国的m o d i s e t t e a s s o c i a t e s 公司、a l la m e r i c a np i p e l i n e 公司等也开发了有关的仿真软件。加拿大 n o v a c o r p 公司针对输气管道的具体特点，开发了一套输气管道系统稳态仿真软 件p c a s i m ，并于8 0 年代初投入使用n 引。意大利s n a m p r o g e t t i 公司也开发了用 于气体管道系统仿真的d t s ( d i s p a t c h i nt u t o r a ls y s t e m ) 软件，其功能也相当 强大，能满足管道设计管理和职工培训的多种需要晗0 1 。 1 2 1 1 国内研究动态 我国是在上世纪7 0 年代才开始进行管网稳态仿真研究，8 0 年代开始动态 仿真方面的初步研究。由于我国的管道仿真技术起步较晚，管道数学模型的建 立及求解方法还是借鉴国外的成功经验。 值得庆幸的是，近几年我国的燃气事业得到快速发展，再加上计算机技术 的进步，我们的燃气事业开始向计算机化、自动化方向发展，。这不仅表现在管 网设计上计算机仿真逐步取代了手工计算，而且更突出表现在燃气管网的自动 监测和计算机辅助运行管理上。 国内在仿真软件方面与国外存在较大的差距，但目前许多研究人员在这方 面已经做了一些有益的工作。西南石油大学较早从事管网仿真软件的研究，已 开发出两套天然气管网仿真软件，e g p n s 及g a s f l o w 软件，并应用于分析四 川输气干线和川东输气管网，其仿真结果和功能达到了国外离线仿真软件的效 果口。哈尔滨建筑大学在燃气管网的仿真与优化研究方面也取得了一些成果乜副。 哈尔滨工业大学通过建立燃气管网稳定流动与不稳定流动的数学模型，对管网 的水力工况进行过分析乜割。近几年，天津大学也在从事天然气管网仿真模型的 建立及求解方面的研究，提出了几种稳定、高效的解模方法m ，矧。国内一些设计 院也在开发适合自己的水力计算软件，但是这些软件往往是基于m s d o s 环境 的，通常界面不够友好，在计算程序的编制上或多或少地存在一些问题，并且 数据的输入输出也很不方便，因此，这一方面的研究工作还需要进一步深入。 1 2 2 气体泄漏危险性研究 1 2 2 1 国外研究动态 有关泄漏气体在大气中扩散的情况已研究得较多。根据泄漏气体在大气中 扩散时的密度差异，可将气体扩散模式分为三种：重气扩散、中等密度气团扩 天津大学博士学位论文 散和轻质气体扩散。 国外在这方面的研究工作始于七、八十年代，直到现在该领域的研究仍比 较活跃。在此期间，提出了不少气体扩散的数学模型，同时也进行过许多大规 模的试验，至今已有数以百计的各类扩散模型，主要的气体扩散模型有：高斯 模型( g a u s s i a np l u m e p u f fm o d e l ) 、b m ( b r i t t e ra n dm c q u a i d ) 模型、s u t t o n 模型、f e m 3 模型( 3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e l ) 等等。高斯模型适用于点源的 扩散，它是从统计方法入手，考察扩散介质的浓度分布瞳屯2 。高斯模型分为高斯 烟羽模型和高斯烟团模型。高斯烟羽模型( p l u m em o d e l ) 适用于连续源的扩散， 高斯烟团模型( p u f fm o d e l ) 适用于瞬间泄漏的扩散( 包括泄漏时间相对于扩 散时间比较短的情形，如突发性泄漏等) 。b m ( b r i t t e ra n dm c q u a i d ) 模型属 于经验模型，它是由一系列重气体泄漏的试验数据绘制的计算图表组成，h a n n a 等人对其进行了无因次处理并拟合成了解析公式，该模型具有简单易用的特点 啪3 。s u t t o n 模型与高斯模型一样，是适用于相同压力的两种气体且两种气体间 的相对速度较低的条件下的扩散过程的理论模型嘲1 。f e m 3 ( 3 - df i n i t ee l e m e n t m o d e l ) 模型是3 维有限元计算模型，该模型的原型是1 9 7 9 年提出的。模型所采用 的有限元解法是由伽辽金( 6 a l e r k i n ) 法改进而来的，主要可解不定常的连续性 方程、动量方程、热量方程、扩散方程以及理想气体状态方程，它用k 理论( 梯 度输运理论) 来处理湍流问题1 。表1 2 为不同气体扩散模型的比较。国外对重气 扩散的问题研究得较多，很多大型试验基本上是针对重气的扩散，而在轻质气 体方面却研究得较少m 叫，。 表1 - 2 不同气体扩散模型比较 国外研究气体湍流燃烧的一个重要方法是数值模拟研究。湍流燃烧过程耦 合了湍流和化学反应。除了需要湍流的流动模型和化学反应动力学模型( 化学 第一章绪论 反应机理) ，还需要耦合两者关系的湍流燃烧模型。目前能够处理气相燃烧中任 意详细化学反应机理的湍流燃烧模型主要有以下几种：( 1 ) 直接数值模拟n 印 ( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 和大涡模拟m 1 ( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ， l e s ) ；( 2 ) 概率密度函数口7 1 ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 输运方程 方法；( 3 ) 基于守恒标量的方法，如火焰面模型( f l a m e l e tm o d e l s ) 和条件 矩封闭( c o n d i t i o n a lm o m e n tc l o s u r e ，c m c ) ；( 4 ) 其它模型如线性涡模型( 1 i n e a r e d d ym o d e l ，l e m ) 或“一维湍流”( o n e d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c e ，o d t ) 、 p e u l ( p r o g r a m m ee u l e r i e nl a g r a n g i e n ) 模型、m i l ( m o d e li n t e r m i t t e n t l a g r a n g ie n ) 模型。 随着激光诊断技术的发展，湍流火焰的实验研究也是目前研究湍流燃烧的 一个重要方法。s a n d i a 国家实验室的t n f 专题研究小组建立了一系列标准火焰的 实验数据库m 1 ，如简单射流火焰、值班射流火焰和漩流射流火焰等，为模型验 证提供了可靠的依据，也提高了对湍流脉动和化学反应耦合作用的认识。 1 2 2 2 国内研究动态 我国在气体扩散模型方面的研究与国外相比，差距较大，正处于初步阶段。 在我国，较早涉及气体扩散问题的研究单位应该是一些大气研究机构，主要是 针对城市大气的污染情况进行研究，基本上采用的都是高斯模型呻础1 。近几年， 一些高校也在从事易燃、易爆、有毒气体泄漏扩散问题的研究。大连理工大学 的一些研究人员，从气体动力学入手，通过对气体微元进行质量平衡、动量平 衡、能量平衡的分析，提出了一种新的扩散模型。为了验证该模型的合理性， 设计了简易风洞，对轻重气体在不同的泄放条件下进行了多次风洞试验，得到 模型的计算结果与试验数据吻合得较好n 3 川1 。河北廊坊武警学院采用高斯模型 对易燃有毒气体的泄漏扩散危险范围进行了预测，并进行危险性气体的泄漏扩 散实验研究h 5 倒。中南大学防灾科学与安全技术研究所采用高斯烟团扩散模型 对天然气管道瞬间泄漏的扩散行为进行了模拟h 7 1 。西南石油大学结合天然气管 道泄漏扩散过程的特殊性，提出一种更能真实反映了天然气泄漏扩散动态过程 的新模型3 。 国内在湍流扩散火焰方面的研究还比较薄弱，基本上还是停留在早期比较 原始的燃烧模型上面，对上世纪七八十年代开始出现的一些比较新颖的湍流燃 烧模型涉及的很少。目前，模拟湍流燃烧过程所采用的方法仍是直接数值模拟 ( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 、随机涡模拟、概率密度函数输运方程模拟、条件矩 天津大学博士学位论文 模型、简化概率密度函数模型、关联矩阵模型、基于简单物理概念的一些唯象 模型等m 1 。中国科学技术大学将小火焰模型和假定的p d f 方法相结合，模拟了 甲烷湍流射流扩散火焰，还分析不同化学反应机理对甲烷射流湍流扩散火焰计 算结果的影响嘞一。西南石油大学采用单点源火焰模型对天然气管道泄漏射流 火焰进行了分析，并利用喷射火焰的热辐射模型，提出了管道发生火灾事故时 的安全距离嗽5 钔。 1 3 管网仿真技术及气体泄漏危险性研究存在的问题 1 3 1 管网仿真技术研究存在的问题 随着管道技术和计算机技术的不断发展，管网仿真软件的更新速度很快， 其功能越来越强大，使用操作也越来越灵活。管网仿真软件是属于专业软件， 国外开发的这类软件价格非常昂贵，并且对软件的维护及功能的深层次使用需 要有对输送工艺、计算机和自动化方面知识都比较熟悉的专门人才。针对管网 仿真软件的特点，我们应该集中人力物力开发适合我国燃气管网使用的仿真软 件，以缩小与国外的差距。 燃气管网的水力工况分析法可分为稳态分析法和动态分析法。西南石油大 学对燃气管网的稳态计算方法进行了研究，分别应用“节点法 和“环路法 进行求解，但在计算中却忽略了压缩因子对气体流动的影响旧1 。哈尔滨建筑大 学的一些研究人员虽然考虑了压缩因子的影响，但对管网节点原始参数的求解 应用的是“搜索树 的方法，这种“搜索树”的方法要求管网中至少一个气源 点的压力必须知道乜引。这样，当管网中的气源全部给定的是流量的时候，该方 法就无法对管网进行水力工况分析。 在大多数情况下，我们不能把管网中的气体流动视为稳态流动，如管网中 用气负荷变化大、管道起点压力发生变化，这时候，我们就需要用动态分析法 来解决这些问题。目前，在管网动态仿真中常采用的数值求解方法是有限差分 法。有限差分法又分为直接差分法和特征线法两种。根据差分格式的不同，直 接差分法又可分为显式差分和隐式差分。为了保证计算的稳定性，显示差分法 的步长必须满足一定的关系，此外，显式差分法忽略了惯性项的影响，对于较 剧烈的瞬变流就不适用了。隐式差分法虽对步长的选择比较灵活，但因计算的 第一章绪论 每一步都必须联立求解大型方程组，所以计算时间较长，可能出现计算速度小 于实时运行速度的情况。特征线法由于对原始模型进行过多的简化和省略，会 使模拟计算结果的精确度较差晦副。 传统的燃气管网仿真研究，对于每一根管段原始数据的输入，要求按照管 段大、小节点号的顺序进行，而不是按照人们习惯的起点号至终点号的顺序进 行。这对于管段原始数据的输入而言，是很不方便且易出错的。另外，还要求 对每个节点分别给定一个参数( 压力或流量) 的值，但工程上实际遇到的问题 是多种多样的，如部分节点的压力和流量均已知，而其余节点的压力和流量均 未知；部分节点的压力已知流量未知，而其余节点的压力未知流量已知。因此， 传统的管网仿真方法存在明显的局限性。 1 3 2 气体泄漏危险性研究存在的问题 国内外对管道气体泄漏扩散过程的研究还不够深入，尚未建立完全适用于 天然气泄漏扩散的理论模型。在研究有关易燃、易爆、有毒气体在大气中的扩 散过程时，常被广泛采用的是高斯模型( g a u s s i a np l u m e p u f fm o d e l ) 和s u t t o n 模型，但它们只适用于研究相同压力的两种气体且气体间的相对速度较低的条 件下的气体扩散过程。由此看来，上述两种模型均不适合于研究具有初始喷射 速度的管道泄漏气体的扩散过程，另外，二者还未能考虑重力作用对天然气扩 散过程的影响。 国内学者对高斯模型和s u t t o n 模型进行了修正，提出了板块模型，考虑了 重力和初始喷射速度对气体扩散过程的影响，但没有考虑高压气体喷射后的膨 胀过程h 3 1 。有学者采用重气模型分析了气团重气效应的行为过程，研究中虽然 考虑了气团的初始密度、风速、大气稳定度、温度等因素对扩散过程的影响， 但其主要是针对完成喷射膨胀后的气体的扩散过程，没有考虑气体的喷射膨胀 过程m 1 。另外，还有学者结合天然气管道泄漏扩散过程的特殊性，提出了一种 能真实反映天然气泄漏扩散过程的新模型，研究中考虑了泄漏天然气的初始喷 射速度以及重力对气体扩散过程的影响，但并没有考虑温度、大气稳定度等因 素对扩散过程的影响m ，。 国内对天然气管道破裂后产生的射流火焰研究得较少，有学者采用单点源 模型研究射流火焰的形状及尺寸，该模型将射流火焰形状看作是平截头圆锥体， 研究中忽略了浮力对火焰的影响作用2 。但对于密度比空气小的天然气，其喷 天津大学博士学位论文 射燃烧产生的射流火焰受浮力作用将是比较明显的。 1 4 本文研究意义及主要研究内容和方法 1 4 1研究意义 本课题受天津市科技支撑计划重点项目( 编号：4 1 3 5 1 7 ) 资助。 现代燃气管网朝着大型化、复杂化方向发展，为保证管网在安全的前提下 优化运行，必须全面深入地掌握管网运行工况的变化规律。如果没有准确、迅 速的管网工况分析手段，短时间内做出安全可靠的控制策略或安全经济的运行 方案是十分困难的，甚至是不可能的。管网仿真技术正好填补这一空白，它为 现代管网的优化设计及运行管理的技术人员提供了管网动态工况分析的工具。 管网仿真软件属于专业软件，国内在软件开发方面与国外存在较大差距。 国外开发的此类软件价格非常昂贵，并且是针对国外燃气管网的运行特点开发 的，还不能完全适用于我国的燃气管网。为了缩小我国燃气管网仿真软件与国 外间的差距，尽早开发出适用于我国燃气管网的仿真软件，有必要对管网仿真 技术做进一步的深入研究。 城市燃气管道发生泄漏是个概率事件，完全杜绝泄漏事故的发生是不可能 的。因此，燃气管道工程把管道的安全性和可靠性摆到了首位。燃气是属于易 燃、易爆气体，一旦管道发生泄漏，将会严重威胁到管道周边的生命财产安全。 对管道泄漏危险性进行研究，可为燃气泄漏事故救援方案的制定提供理论指导， 此外，还可为新建燃气管道安全距离的确定提供理论依据。对在役管道进行定 量风险性评价，可让管理者及时发现管道的薄弱环节，合理地分配维护资金， 从而避免“平均花钱，不见效益”的盲目性。同时，加强对高风险管段的管理， 可最大限度地降低管道事故。 1 4 2 主要研究内容和方法 针对目前燃气管网仿真技术及管道气体泄漏危险性研究中所存在的问题， 本文拟从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 建立燃气管道瞬态流动模型，采用新的数值解法进行求解 管道仿真结果准确与否，关键在于所建立的数学模型能否准确、全面地描 第一章绪论 述管内流体的流动过程，以及能否找到求解模型的有效方法。燃气在管内的流 动状态可分为稳态和瞬态两类。在大多数情况下，管道瞬态流动模型更能满足 工程实际需要。传统的模型求解方法( 特征线法、直接差分法等) 均存在各自 的不足，本文将借鉴国外学者在管网稳态仿真中采用流体网络理论的成功经验， 将其应用到管网的动态仿真研究中，并通过工程实例，比较传统数值解法与该 方法计算结果的差异，以验证该方法的可靠性。 ( 2 ) 对传统的管网仿真方法进行改进，并将改进后的新方法应用于燃气管 网的动态仿真研究 在已知管网结构( 管段连接关系、管长、管径等) 的前提下，根据某些己 知的节点压力或流量求解未知的节点压力或流量。将燃气管网描述成一个连通 的有向图，并采用节点一管段关联矩阵来表示管网内部各管段间的联接关系。 传统的仿真方法要求对每一个节点都必须给定一个已知参数( 节点压力或流 量) ，可通过对节点一管段关联矩阵进行适当的变换来消除传统仿真方法的缺 陷。根据节点流量与管段压降所满足的基尔霍夫定律，对管网进行建模求解， 并通过工程实例，以验证该方法的有效性。 ( 3 ) 结合管道气体泄漏扩散所具有的特性，研究能真实反映天然气泄漏扩 散过程的新模型 高斯模型的适用范围为泄漏气体的密度与空气的密度相当，并忽略泄漏气 体的初始速度，而实际上管道燃气发生泄漏时，均存在初始泄放速度。另外， 天然气的密度比空气小，因而在扩散过程中还受到浮力作用。天然气在泄漏初 始阶段满足射流动力学理论。当气体扩散速度接近于空气流动速度时，天然气 的扩散过程才满足高斯模型的适用范围。在研究天然气的实际扩散过程时，除 了考虑天然气的初始泄放速度，还将考虑天然气的密度、温度以及环境条件等 因素对气体扩散过程的影响。 ( 4 ) 采用c f d 技术研究泄漏管道喷射火焰的形貌及其影响因素 管道泄漏气体的喷射燃烧过程是个综合的物理化学过程，耦合了湍流流 动过程和化学反应过程。湍流燃烧过程的数学描述包含了流体动力学模型、湍 流燃烧模型和热辐射模型。将小火焰模型和假定的p d f 方法相结合，模拟天然 气湍流射流扩散火焰，稳态火焰面结构由层流小火焰数据库得到，应用详细的 化学反应机理描述天然气各个组分的化学反应过程。采用s i m p l e c 算法求解质 量、动量、混合分数时均值和脉动值方程、能量方程以及湍流两方程，调用预 天津大学博士学位论文 先生成的层流火焰面数据库求解平均参变，得到喷射火焰的形貌，将模拟结果 与风洞试验进行对比，并研究各种因素对火焰形貌的影响。根据数值计算结果 拟合出喷射火焰的长度计算模型，将该模型与其他火焰长度模型进行对比，以 验证该模型的可靠性。 ( 5 ) 对在役燃气管道进行定量风险性评价 燃气管道发生破裂是一种较为严重的管道泄漏事故。根据气体在管内流动 所满足的守恒方程，建立管道破裂泄漏率模型，研究管道发生气体喷射与火焰 喷射时其危险域与破裂管段长度、管道直径及管道输气点压力之间的定量关系。 另外，基于个人风险和社会风险评价方法，对在役燃气管道的风险性进行定量 评价，以获得在役管道的安全状况及其安全距离。 1 5 本章小结 本章在分析世界能源结构变化趋势的基础上，对我国开发利用天然气资源 的重要性给予了说明，并分析了天然气输配过程中所面临的安全问题，指出本 文的研究重点，即燃气管网的动态仿真技术及管道气体泄漏危险性研究。接着， 分析了国内外管网仿真技术和气体泄漏危险性的研究现状、发展趋势以及所存 在的问题。最后，指出本文将在管网仿真技术和气体泄漏危险性两个方面进行 进一步的深入研究，并阐明了本文的研究意义以及主要研究内容和所采用的研 究方法。 第二章管道瞬态流动模型的建立及求解 第二章管道瞬态流动模型的建立及求解 天然气的开发利用离不开管道系统的输送。天然气管道系统通常包括矿场 集气管网、输气干线和配气管网，它将采气( 集气) 、净气、储气、供气