气体管道泄漏模型的研究进展

气体管道泄漏模型的研究进展气体管道泄漏模型的研究进展 多年来 国内外许多专家和学者在管道输送安全性方面做 了大量的研究工作 从管道的安全设计 管道的材质分析到管 道泄漏检测技术等多方面进行了大量的研究 1 8 实际上 由于 各种自然或人为的不可预料的因素 管道运输泄漏事故时有发 生 因此 对管道气体的意外泄漏进行泄漏影响区域分析及其 扩散影响范围的确定 从而采取适当的措施 组织救援 对事 故处理以及减少事故损失均具有举足轻重的作用 管道泄漏速 率的确定是分析泄漏扩散以及预测评价事故后果的基础和依据 近年来 国内外相关专家和学者对于气体运输管道泄漏模型进 行了一些研究 9 11 1 泄漏模型泄漏模型 1 1 一般泄漏速率模型一般泄漏速率模型 现行较普遍的气体泄漏速率的计算 是利用气体泄漏速率 与其流动状态有关的特性 通过判断泄漏时气体流动属于声速 临界流 还是亚声速流动 次临界流 来确定其泄漏速率模型 9 气体流动属于声速流动 有 时 气体流动属于亚声速流动 有 式中 pa 环境压力 pa p 管道内气体的压力 pa k 气体的等熵指数 qm 气体泄漏速率 kg s gd 气体泄漏系数 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 9 aor 泄漏孔的面积 m2 m 气体摩尔质量 kg ktool r 摩尔气体常数 取 8 314 j mol k t 气体温度 k 这种方法对于泄漏时管道内的气体压力恒定工况的计算是 比较方便的 当因管道内压力降低而影响泄漏速率时 此模型 就不适用了 1 2 小孔泄漏模型和管道泄漏模型小孔泄漏模型和管道泄漏模型 10 小孔泄漏指孔径小于 20mm 的孔的泄漏或断裂 孔径为 20 80mm 的孔为大孔 管道横截面完全断裂的泄漏模型则为 管道泄漏模型 12 这种气体泄漏模型将气体看成可压缩气体 应用流体力学 的连续性方程 动量守恒方程和能量守恒方程描述气体的流动 过程 在理想气体状态方程中引入气体压缩因子来减少与实际 气体的差别 即气体的状态方程为 pv znrt 式中 v 气体的体积 m3 z 压缩因子 n 气体的物质的量 mol 图 1 是管内气体泄漏的示意图 12 它表示距管道某一阀门 l 处存在一个小孔 管道在此处发生穿孔或破裂 点 1 为管道起 始断面 即阀门所在的断面 上的一点 点 2 为与泄漏点在同一截 面上的管内某点 点 3 为泄漏点 pi ti ui pi i 1 2 3 分别 指点 l 2 3 处的压力 单位为 pa 温度 单位为 k 气体流速 单位为 m s 气体密度 单位为 kg m3 ta a分别指大气 环境温度 单位为 k 大气密度 单位为 kg m3 小孔泄漏模型 对于小孔模型 考虑到孔径较小 假设管内压力不受泄漏 的影响而发生变化 并且忽略摩擦的影响 气体膨胀过程为等 熵过程 因而气体泄漏速率恒定 等于起始最大泄漏速率 当孔口气体泄漏为临界流时 起始最大泄漏速率为 当孔口气体泄漏为亚临界流时 起始最大泄漏速率为 式中 qm max 气体泄漏的起始最大泄漏速率 kg s co 气体排放系数 对 re30000 的非临 界流取 0 61 其他情况取 10 管道泄漏模型 当管道由于某种原因发生全截面断裂时 采用管道泄漏模 型 图 1 中的点 2 和点 3 状态一样 即 p2 p3 pao 利用机械 能守恒方程和总能量守恒方程来描述管内气体的绝热流动过程 10 式中 u 气体泄漏时的流速 m s 气体密度 kg m3 f 摩擦力 n h 气体的焓 j 动摩擦系数 l 泄漏点距起始点的距离 m d 管道内径 m 上面的两种模型只是在小孔和管道全部断裂的情况下适用 而对于大孔泄漏就不适用 大孔泄漏在实际工程中是非常普遍 的 由于大多数管道埋在地下 经常会因操作不当或工程机械 的使用不当受到损坏 发生气体泄漏事故 10 而这种泄漏不可 避免会造成大孔泄漏 在这种情况下 如果不知道气体泄漏模 式 就很难确定事故的影响范围 给应急救援带来很大的盲目 性 可能会造成更大的事故风险 如果运输的是易燃易爆及有 毒气体 其后果将更加严重 1 3 其他模型其他模型 有专家学者对天然气管道运输泄漏模型也进行了研究 12 14 将天然气在管道中的流动看成绝热过程 在泄漏点看成等熵过 程 对中低压运输气体 考虑运输气体稳定与不稳定流动情况 运用能量守恒和动量守恒定律 得出一个关于气体管道运输的 模型 这个模型适合稳定情况下的下列情况 管道内为亚临 界流 泄漏处为临界流 管道内和泄漏处均为亚临界流 管道内和泄漏处均为临界流 此模型也适合于非稳定的情况 如泄漏一段时间后 管道停止供气而引起泄漏速率减小 气体 泄漏的模型为 式中 le 管道等效长度 m 是管道实际长度与压降系 数函数的和 11 对理想气体 根据连续性方程 其最大泄漏速率 qm max可 以用下式表示 该管道泄漏模型适合于各种孔径 但也存在一些不足 它 只适合于管道运输气体是中低压的情况 也就是将管道中气体 看成是理想气体 而不适合高压的情况 2 结论结论 以上管道泄漏速率的 3 种模型都有各自的适用范围 因此 应根据管道运