燃气管道泄漏量计算.pdf

Natural Gas Technology and Economy Vol 6 No 1 Feb 2012 2012年 第6卷 第1期 摘要由于城镇燃气管道泄漏量的估算较为复杂 所以目前还没有比较简化的计算公式 为推算出燃气直 接泄漏到大气中的泄漏量简化公式 根据城镇燃气管道的实际运行压力 利用小孔模型和管道 断裂 模型估算燃 气泄漏量 推算出管道燃气临界体积流量以对泄漏量校核 并将天然气管道泄漏量进行演算 由此可知 小孔模 型燃气的泄漏量和泄漏瞬间提升的浓度仅与管内流动的燃气压力和泄漏口的大小有关 而管道 断裂 模型燃气的 泄漏量和泄漏瞬间提升的浓度与管道直径 管内流动的燃气压力和管道入口到泄漏口的上游长度都有关系 关键词小孔模型管道 断裂 模型泄漏量最大流量限制 燃 气 管 道 泄 漏 量 计 算 周萍詹淑慧 北京建筑工程学院 北京100044 收稿日期 2011 09 05修订日期 2012 01 16 作者简介 周萍 1987 女 在读研究生 研究方向为燃气输配 E mail pigzhou207 网络出版时间 2011 02 17网址 中图分类号 TE832 2文献标识码 B文章编号 2095 1132 2012 01 0050 04 doi 10 3969 j issn 2095 1132 2012 01 012 天 然 气 技 术 与 经 济 Natural Gas Technology and Economy 0引言 对于燃气管道泄漏量的估算 Woodward 和 Mudant 1 提出了压缩容器中小孔理想流体泄漏模 型 在此基础上 Crowl 2 提出一定条件下几种泄漏 率近似的计算公式 我国对燃气管道泄漏率及泄漏 量也有一定的研究 山东建筑大学的田贯三 3 将管 道泄漏视为圆孔稳态喷射的过程 对燃气泄漏量 泄漏速度的衰减规律及浓度场等进行了分析 重庆 大学的彭世尼 4 推导出了孔口的泄漏量计算公式 讨论了燃气最大泄漏流量的限制 由于燃气管道泄 漏量的估算较为复杂 所以目前还没有得到比较实 用的简化计算公式 笔者拟分析和讨论燃气直接泄 漏到大气中的情况 根据城镇燃气管道实际运行压 力 简化出实用的泄漏量估算公式 1管道泄漏量的分析模型 燃气管道泄漏量的分析通常采用两种模型 小 孔模型和管道 断裂 模型 腐蚀穿孔或外部机械破 损等原因而造成的孔口泄漏用小孔模型模拟 管道 完全断裂而导致的泄漏用管道 断裂 模型模拟 1 1小孔模型 管道孔口泄漏过程可看作是可压缩气体的孔口 出流 小孔模型建立见图1 孔口泄漏率由气体泄漏前后的压力比值所决 定 气体泄漏速度最大只能达到声速 燃气管道泄 漏量与燃气流速有关 首先要用临界压力来判断泄 漏速度是声速还是亚声速 书书书 1 书书书 2 式中 为临界压力比 pa为大气压力 Pa pc为泄 漏孔处的临界压力 Pa k为燃气等熵指数 由于管道入口点 已知压力 至泄漏口入口点的 距离L不大 因而可忽略管道沿程阻力 即两点压力 相等 在泄漏孔口处 燃气流速一般较快 燃气没 1为管道入口点 2为泄漏口入口点 3为泄漏口出口截面点 L为 泄漏点至管道入口的距离 m qV u为泄漏点上游管道的体积流量 m3 h qv为泄漏体积流量 m3 h 图1管道泄漏示意图 50 天然气技术与经济 有足够的时间与环境进行热量交换 因此泄漏过程 可视为可压缩气体的绝热流动过程 燃气按理想气 体考虑 结合连续性方程可得小孔模型燃气的泄漏 量 1 当泄漏口压力小于 pc时 泄漏速度为亚声 速 则有 书书书 槡 槡 3 2 当泄漏口压力大于pc时 泄漏速度为声速 则有 书书书 槡 槡 4 式中 qm为泄漏质量流量 kg s 为流量系数 5 与 孔口面积及孔口流速有关的系数 可取0 90 0 98 d为泄漏孔口的当量直径 m p2为图1中点2燃气的 绝对压力 Pa T2为图1中点2燃气的温度 K R为 燃气的气体常数 J kg K 1 2管道 断裂 模型 在管道完全断裂的情况下 泄漏口的当量直径 为管道内径 图1中点2 3均在泄漏口截面上 完 全暴露于空气中 即两点的压力为大气压力 管道泄漏过程中 在关闭泄漏点上游的阀门之 前 管内可视为稳定流动 即泄漏量等于管输流 量 此时 燃气的流速较快 燃气会与周边环境进 行部分热交换 泄漏过程可视为多变过程 由此可 得泄漏点上游管道内燃气的质量流量 书书书 槡 5 式中 qm u为泄漏点上游管道内燃气的质量流量 kg s D为管道内径 m p1为图1中点1燃气的绝 对压力 Pa T1为点1燃气的温度 K 为摩擦阻 力系数 n为燃气多变指数 当n 1时 表示管道流动为等温过程 此时认 为管道燃气与周边环境有充分的热交换 当 n k 时 表示管道流动为绝热过程 此时认为管道流速 太快或者管道太短 管道燃气完全没有和周边环境 进行热交换 实际上这两种理想状况都不存在 n介 于1和k之间 为了简化计算 通常在管道燃气速度 较小或管道较长时 n 1 在管道流速很快或管道 较短时 n取k 的计算可以采用阿里特苏里公式 6 书书书 6 式中 为管道内壁的当量绝对粗糙度 mm 轻度 腐蚀的钢管一般为0 2 mm Re为雷诺数 7 联立公式 5 和 6 迭代可求得qm u 则燃气的体积泄漏量为 书书书 7 书书书 式中 为燃气的密度 kg m3 假设燃气泄漏为连续源泄漏 泄漏点浓度在瞬 间突然升高 8 泄漏中浓度保持不变 则有 书书书 8 书书书 式中 M为燃气的相对分子质量 C0与C0 u分别为小 孔模型与管道 断裂 模型泄漏点的瞬间泄漏扩散浓 度 mol m3 1 3最大泄漏量的限制 燃气在管道内的最大流量是有限制的 一是受 管道前端调压器最大通过能力的限制 二是受管内 临界流量的限制 因此 燃气管道的泄漏量并不一 定是上述模型计算的结果 而应将结果进行下列校 核 1 调压器最大通过能力的限制 城市燃气管道 的流量和泄漏量都不能大于上游调压器的最大通过 能力qV max 调压器出厂时通常都给出了在不同进口 压力下的qV max值 因此无论哪种模型的计算 实际 泄漏量都不应大于qV max 2 管道燃气临界流量的限制 与泄漏孔处的绝 热流动相似 燃气管道流动也存在临界流量问题 管道燃气临界体积流量为 书书书 槡 槡 9 天然气技术与经济 输送储存总第31期2012年 51 Natural Gas Technology and Economy 式中 qV c p为管道燃气的临界体积流量 m3 h 无论按照何种模型计算所得的体积流量都必须 用临界流量来校核 若计算得到的泄漏体积流量小 于临界流量时 则计算得到的即为实际泄漏流量 若计算得到的泄漏体积流量超过临界流量时 则实 际泄漏流量应不大于管道临界流量 2燃气管道泄漏量的简化估算公式 对城镇天然气管道进行泄漏量估算公式的简 化 取大气压力pa 101 325 Pa 温度T 283 K 天 然气等熵指数k 1 29 9 气体常数R 518 J kg K 燃气密度 0 73 kg m3 流量系数 0 95 运动黏度 10 393 10 6Pa s 无因次系数C 164 0 2 mm 将以上数据代入公式 1 2 得到燃气的临界 压 力 pc 0 185 MPa 根 据 城 镇 燃 气 设 计 规 范 GB50028 2006 低压燃气管道的绝对压力小于pc 中压及其以上压力级制的燃气管道的绝对压力大于 pc 1 以小孔模型估算泄漏量时 低压天然气管道 书书书 槡 10 中压及以上压力的天然气管道 书书书 11 2 以管道 断裂 模型估算泄漏量时 泄漏点上 游管道内燃气的质量流量为 书书书 槡 n 1 12 书书书 槡 n 1 29 书书书 13 书书书 14 书书书 15 式中 u为燃气在管道的流速 m s 迭代可求得质量流量qm u 则燃气的体积泄漏量 为 书书书 16 书书书 泄漏点浓度在瞬间突然升高时为 书书书 17 书书书 管道燃气的临界流量限制为 书书书 n 1 18 书书书 n 1 29 3燃气管道泄漏量演算 根据上述估算公式计算得出燃气管道泄漏量 并用临界流量限制对其进行校核 得到部分中压天 然气管道的泄漏量 将计算结果绘成图 方便根据 管道运行条件快速估算出泄漏量 3 1小孔模型 天然气管道设计压力为 0 4 MPa 在 0 48 MPa 绝对压力 下运行时见图2 3 2管道 断裂 模型 1 管道入口到泄漏点的上游长度 L 100 m L 500 m n取1 29 管道设计压力为0 4 MPa 在 0 48 MPa 绝对压力 下运行时见图3 2 管道入口到泄漏口的上游长度L 1 000 m L 2 000 m n 取 1 管道设计压力为 0 4 MPa 在 0 48 MPa 绝对压力 下运行时见图4 由此可知 小孔模型燃气的泄漏量和泄漏瞬 间提升的浓度只与管内流动的燃气压力和泄漏口大 小有关 与管道的直径和管道入口到泄漏口上游的 图2小孔模型泄漏量曲线图 0 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000 0 010 050 090 130 170 210 250 29 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 m h 3 1 m mol m 3 第6卷第1期周萍 等 燃气管道泄漏量计算 52 天然气技术与经济 长度没有关系 管道 断裂 模型燃气的泄漏量和 泄漏瞬间提升的浓度与管道直径 管内流动的燃气 压力和管道入口到泄漏口的上游长度都有关系 管 道入口到泄漏口的上游长度越小 泄漏量越大 长 度越大则泄漏量越小 小孔模型泄漏口处管内燃 气压力基本保持不变 管道 断裂 模型泄漏口处管 内燃气压力逐渐降低 4结论 1 燃气管道发生泄漏的过程非常复杂 通常很 难精确计算出泄漏量 但根据泄漏形式估算泄漏量 是有实际意义的 2 笔者分析的泄漏量估算值是假定燃气直接泄 漏至大气中的 并未考虑事故发生时环境状态的影 响 如风向及其大小 第三方破坏时燃气管道通常 也不是完全暴露在空气中的 埋地管道由于泄漏口 的周围是土壤 存在较大的阻力 因此 燃气管道 发生泄漏时的实际泄漏量将小于文中的估算泄漏量 参考文献 1 J L Woodward K S Mudan Liquid and gas discharge rates through heles in process vessels J Loss Prev in Pro cess Ind 1991 4 4 161 165 2 D A Crowl J F Louvar Chemical Process Safety Fundamentals with Application J Prentice Hall NJ 1990 3 172 177 3 田贯三 管道燃气泄漏过程动态模拟的研究 J 山东建 筑工程学院学报 1999 14 4 56 60 4 黄小美 彭世尼 燃气管道泄漏流量的计算 J GAS HEAT 2008 28 3 15 18 5 龙天渝 蔡增基 流体力学 第1版 M 北京 中国建筑 工业出版社 2004 6 段常贵 燃气输配 第3版 M 北京 中国建筑工业出 版社 2001 7 严铭卿 燃气工程设计手册 M 北京 中国建筑工业出 版社 2010 8 唐保金 田贯三 埋地燃气管道泄漏扩散模型 J GAS HEAT 2009 29 5 134 137 9 邱信立 廉乐明 李力能 工程热力学 第3版 M 北 京 中国建筑工业出版社 1992 编辑 蒋龙 图3绝热过程泄漏量曲线图 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 0 10 20 30 40 5 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 m h 3 1 m mol m 3 100 Lm 100 Lm 500 Lm 500 Lm 图4等温过程泄漏量曲线图 250000 200000 150000 100000 50000 0 0 10 20 30 40 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 m h 3 1 m mol m 3 1000 Lm 1000 Lm 2000 Lm 2000 Lm 2月9日 四川省省长蒋巨峰对中国石油川渝地区石油企业协调组呈报的 关于中国石油在川企 业2011年工作情况的汇报 作出重要批示 充分肯定中国石油在川企业为四川省经济社会发展作出 的积极贡献 蒋巨峰批示道 中石油在川企业为我省2011年经济社会发展作出了积极贡献 特别在 资源开发 油气保障等方面 做了大量艰苦细致 卓有成效的工作 希望继续在加强勘探 加快开 发 多方组织油气资源上下功夫 进一步增强油气生产和供应能力 努力确保民生和重点项目的油 气需要 为我省经济发展 民生改善和社会和谐作出更大贡献 资料来源 中国石油西南油气田公司网 四川省省长蒋巨峰对中国石油在川企业2011年工作作重要批示 天然气技术与经济 输送储存总第31期2012年 53 天然气技术与经济 天然气技术与经济 gas identification Application of Downhole Choke Technol ogy to Xushen Gasfield By LI Rong feng ABSTRACT Surface high pressure gathering and transportation technology is used for some deep and high pressure gas wells in Xushen gasfield So some problems will occur such as heavy pressure load for surface system high investment cost and fre quently freezing of wellbore and pipeline for some wells which can bring about certain difficulty for production and management In order to solve these problems a technology of downhole choke was introduced in 2010 and an experiment of both surface sys tem and downhole choke has been conducted for two wells By ana lyzing some production data before and after the experiment it is considered that downhole choke can not only effectively prevent hydrate from freezing but also largely decrease wellhead pressure Key Words downhole choke deep and high pressure gas well hydrate freezing low pressure gathering and transporta tion Application of Sidetracking to Well Yuan lu 1 during Air Drilling By HUANG You fu WANG Xi yong ZHAO Jia ming and YANG Chun ABSTRACT Air drilling is widely popularized and has been ap plied to more than one hundred wells in Puguang and Yuanba ar eas It is the major technology of drilling speed increasing for con tinental strata But tool broken and wall sloughing often occur So sometimes sidetracking is very necessary Compared with air drilling sidetracking the conventional one with drilling fluid changing has some problems of low penetration rate and operating efficiency Therefore sidetracking without mud changing can in crease efficiency for solving complicated accidents extend well sections of sidetracking application and raise drilling speed a lot It has been implemented successfully in well Yuanlu 1 Good re sults of drilling speed increasing and economic benefits have been obtained Key Words air drilling sidetracking air screw well Yuan lu 1 Leakage Calculation for Gas Pipeline By ZHOU Ping and ZHAN Shu hui ABSTRACT To calculate gas pipeline leakage is so complicat ed So far there is no simplified equation for it In this study based on the actual pressure of pipeline we obtained leakage by pinhole and pipeline fracture models estimated critical vol ume flow rate to check the leakage and calculated pipeline leak age Result shows that for pinhole model the leakage and concen tration increasing at the leaking moment are relevant to both gas pressure in pipe and size of the leak hole only For pipeline frac ture model the two are relevant to pipe diameter gas pressure and length between inlet and leak hole Key Words pinhole model pipeline model leakage maxi mum flow limitation Accumulation in Pipelines of Heba Block and Its Countermeasures By YANG Yu YAO Lin yu MENG Qing hua and FU Xian hui ABSTRACT Heba block northeastern Sichuan Basin is an important E P block for Sinopec For the He Ba pipeline from well Heba 1 to Bazhong Gas distribution Station in this block a lot of condensed liquid can be found in pipeline transpor tation resulted in a serious accumulation So not only its effi ciency may decrease but also the operational cost will increase In this paper the flow of surface separation system is presented and then the effect of either separated liquid s temperature or state parameter on accumulation is modeled by Hysys software and two countermeasures are proposed including 1 to control pipeline temperature and 2 to dewater by triethylene glyol meth od It is considered after an economic correlation that the first countermeasure controlling pipeline temperature can be used in preference because of strong reliable Key Words accumulation separation effect pipeline tempera ture countermeasure Hoisting Removal and Transportation of Large and Special shaped Equipments By ZHANG Yu WANG Yu and ZENG Chuan sheng ABSTRACT In a northeast Sichuan high sour gasfield some equipment in the original plant needs to be relocated Thereinto the large and special shaped waste heat boiler with 118 tons is so difficult to be hoisted removed and transported Through compar ison of various schemes this paper designs a process equipment with rectangul