【天然气管道泄露扩散模型研究的国内外文献综述3900字】

天然气管道泄露扩散模型研究的国内外文献综述1.1国外研究现状国外在天然气泄漏扩散这个领域的探索的比较早，当气体从输气管道中泄漏时，管道泄漏的位置会积聚大量气体，压力逐渐变大，使其喷射而出，气体泄漏的运动速率与管道直径、泄漏气体在管道里流动的速度、管道运行过程中承载的压力等等都有一定的影响。Europeangaspipelineaccidentdataorganization（EGIG）依据发生泄漏位置的大小，可以将泄漏模型分为三种：泄漏口径小于0.02米的为小孔泄漏；泄漏口径大小在管径与0.2米之间的为大孔泄漏；还有一个由管道断裂引起的管道泄漏。除此以外，确定管道的泄漏类型的另一种方法是依据泄漏孔径与管径的值对比来计算：如果泄漏孔径与管径的比值低于0.2，就选择小孔计算的模型。小孔泄漏根据临界的压力可以细分为临界流和亚临界流两类[4]。当比值分布在0.2—0.8时则选择大孔计算模型，当比值大于0.8时选择管道计算模型。外国学者Montiel将大孔计算模型细分了三种状态[5]：第一种是亚临界管道流，漏孔为临界流；第二种是两处都为亚临界流状态；第三种是两处都是临界流状态。如今大多数学者多采用第一种方法对泄漏类型进行判断，但第二种也有很多研究人员应用[6-7]。对于泄漏气体的计算，模型主要有稳态下的气体泄漏比率，另一个是瞬态下的气体泄露率。稳态下的气体泄漏比率是国外学者Helena首次建立出来的的，是在把气体假设成理想气体的前提下，这样气体在输气管道中的流动状态便可实现一维绝热流动，然后再泄漏孔处假设成定熵流动。由于Helena提出的稳态计算模型中把气体假设成了理想气体，所以在对高压气体进行计算时，计算结果就会出现很大的偏差。外国学者Young-DoJ[8]针对于高压管道的泄漏速率计算，提出了一种简便的计算模型，计算管道内在发生泄漏前后所产生的压降损失，以此可以估算出气体的泄漏速率。国外对天然气管道泄漏的研究起步早，气体扩散过程进行了大量的模拟和实验研究，现如今仍在继续。几十年以来，研究人员已经提出了很多模型，研究的内容已经很成熟，针对不同的情况都能找到对应的模型。在研究中使用的较多的就是高斯模型、BM模型等。但这四个模型的优缺点也很明显，适用条件各异，具体见下表1.1。表1.1典型气体扩散模型的比较Table1.1Comparisonoftypicalgasdiffusionmodels项目烟团模型烟羽模型Sutton模型BM模型FEM3模型可用气体轻气/中性轻气/中性中性重气/中性重气规模大小大大大大均适用泄漏时间短长长长均适用难易简单简单简单简单困难计算量小小小小大精度较低较低可以较低较低优势计算简单；适用性广计算简单；适用性广更加适合模拟紊流流动更适于重气使用三维模型，精度精确缺陷未涉及重力未涉及重力误差大没有外延性只能重气使用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)在近些年借相关信息技术的研究和进步之力已经变的十分成熟并得到了大家的普遍的使用。数值模拟可以对事故发生的各个条件进行设置，对整个事故发生的过程进行仿真模拟，最后求得精确值。该技术主要是借助FLUENT、CFX等三维流体仿真软件来实现。在模拟的过程中是要求尽力百分百还原真实的事故现场，并且在仿真过程中还要对模型中的相关限制和约束条件进行约束，最终是为了得到最贴切实际的解。所以经常用以实验条件无法得到实现的场景和情形。也有的学者利用计算流体力学软件对在复杂区域环境下气体泄漏做了模拟试验[9-10]。也有其他学者分别对液化天然气在水泥地空气中的扩散进行了研究，借该模型进行仿真试验并求得结果，将模型结果与实际情况对比，两者差别很微小，所以可以看出这个模型具有较高的可行性和实际操作性[11]。HenriqueD等[12]人将高斯烟羽模型与CFD技术结起来研究输气管道泄漏的气体浓度扩散情况。RussoP等[13]人使用平板益微积分模型和释放率模型对输气管道气体的泄漏扩散进行模拟计算，从而能够确定泄漏的气体在空气中的危险范围有多大，能够为城市规划提高数值参考。OkamotoH等[14]使用CFD软件对输气管道的泄漏进行三维的模拟，同时对管道的全尺度气体泄漏做了实验，监测泄漏的气体浓度在土壤中的变化，研究出了浓度差和重力对泄漏气体的影响。ChaminduDeepagoda等[15]对输气管道的泄漏做了相关的实验，研究土壤异质性以及含水率会对泄漏的气体产生什么样的影响。BettisRJ等[16]探究土壤的孔隙率对输气管道泄漏气体的流动影响，对液化石油气和天然气分别做了模拟计算，研究出压差对泄漏气体的流动影响。PokhrelD等[17]利用理论和实验探究含水率对输气管道泄漏气体流动的影响，在这个过程中包含了堆肥、土壤和两个的混合物三个因素，并由此创建了新的经验公式。ParvinM等[18]对输气管道泄漏的流动空间进行了设置，分别设置为无限区域和封闭区域，研究出了气体浓度的扩散范围。Alvarez-Ramirez等[19]研究了土壤的孔隙率对输气管道泄漏气体的流动影响，将布朗运动的方法用到扩散规律研究中。SiddiquiM等[20]利用三维流体仿真软件对输送气体的管道建立模型并加以计算，并且建立了相关的风险评价模型，探究哪些因素可以降低风险程度。在管道风险评价方面的研究，国外学者建立的风险系统及评价指标比我国研究起步早。Kent提出了肯特法，主要是分别对各段管道进行风险评估，然后对整条运行管道的风险进行评估。并且建立了管道风险事故原因的分类及对应的评估指标。随着实践和理论的发展，该方法在后期的被丰富和修正，使得该方法可行性和范围覆盖度更高。API581及ASME也在风险评价的方法中给出了自己的相关参数标准和指标。现阶段，有的学者在针对于管道风险的定量研究问题上，依据天然气泄漏的风险事故特点，提出了致命长度法对管道的风险进行计算评价，主要是用来补充有的评估方法无法针对长距离输送的管道解决问题。TNO则出行了一本关于风险评价的书籍即《定量风险评价手册》，这本手册详细说明怎么对风险进行定量的分析。1.2国内研究现状国内相关研究较之于国外发展的较慢，主要是国内输气管道的使用较之于国外晚。我国的学者主要是在气体泄漏扩散模型的基础上进行的研究和优化，使得该方法更能适用于国内的工程实际运用[21]。林晓斌[22]分析了埋地天然气管道在土壤中的泄漏扩散，在没有硬化路面的情况下，可以自由地从土壤上方流出，使用单一控制变量法，对管道的泄漏压力、泄漏孔径进行模拟，得到了不同条件下气体泄漏在土壤中的扩散浓度和扩散速度。吴雨施[23]用CFD软件中的UDF编程，模拟了液化石油气和天然气在居民区高楼层的整体泄漏情形，并对泄漏空间四周环境同时进行了分析研究如：风速、风向、大气等多种因素分别会对天然气的扩散产生什么影响。夏军宝[24]研究了输气管道处于不同情形中的泄漏。低压输气管道和次高压输气管道泄漏的气体进行实验测量。同时探究出了输气管道在有障碍下的爆炸极限低于没有障碍物的时候。就目前的研究来看，天然气扩散建模诸多，但还是很缺乏高度贴合天然气泄漏扩散所提出的理论建模，目前对于天然气扩散的研究只能借助于气体扩散建模或者其他模型进行计算。所以可以说高斯建模是首个针对于天然气扩散提出的解决方法。该方法主要是将高斯分布假设成为气体云的浓度在扩散中的分布。但是该模型忽略了初始喷射和重力对天然气扩散的影响，所以我国学者讲高斯模型和萨顿模型相结合研究，提出了平板模型，主要研究重力和浮力对扩散的影响。研究初期，大多数学者主要是针对稳态泄漏的气体泄漏率研究。懂玉华等构建了在该情形下的通用计算模型。但在实际生活中，管道泄漏出的气体多为非稳态的情形，所以不是很贴合实际。发生非稳态的情形也主要是因为阀门在气体泄漏时会立刻关上，管道内部的压力就会因气体泄漏缓慢减小，泄漏口处的气体速率也跟着降低[25-26]。而对于气体扩散建模的问题上，我国学者在国外学者提出的方法上，对各种不同介质的扩散相关因素的影响计算总结出了天然气的分布扩散特性。章博[27]使用FLUENT仿真模拟软件对含有硫的天然气在复杂地势的情形下进行模拟。王树乾[28]等是改变压力值，以用来分析不同压力值对天然气泄漏的影响和特点。从国内研究发展来看，对风险的研究多数是从定性、半定量、定量三个方面出发我国存在的缺陷是缺乏基础数据的积累作为研究的支撑，发展进程也是不足国外研究。目前做的工作主要是我国的管道失效数据库正在逐渐建立并完善。参考文献[1]BP.EnergyOutlook:2019（InsightsfromtheEvolvingtransitionscenario-China）[R].2019.[2]山东省发展和改革委员会.山东省石油天然气中长期发展规划(2016-2030年)[Z].2017.[3]DongY,GaoH,ZhouJ,etal.SimulationofGasReleaseRateThroughHolesinPipelines[J].Xi'anJiaotongUniversity,2002,15(6):423-428.[4]ErmakDL.User'sManualforSLAB:AnAtmosphericDispersionModelforDenser-than-AirReleases[J].1997,17(8):23-28.[5]庄知龙.基于CFD的变体飞行器变形过程气动特性及控制问题研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.[6]韩光洁.埋地燃气管道泄漏量计算及扩散规律研究[D].重庆大学,2014.[7]ScargialiF,GrisafiF,BusciglioAetal.Modelingandsimulationofdenseclouddispersioninurbanareasbymeansofcomputationalfluiddynamics[J].JournalofHazardousMaterials,2011,(197):285-293.[8]JoYD,AhnBJ.Asimplemodelforthereleaserateofhazardousgasfromaholeonhigh-pressurepipelines.[J].JournalofHazardousMaterials,2003,97(1):31-46.[9]HannaSR,HansenOR,IchardM,etal.CFDmodelsimulationofdispersionfromchlorinerailcarreleasesinindustrialandurbanareas[J].AtmosphericEnvironment,2009,43(2):262-270.[10]SklavounosS,RigasF.SimulationofCoyoteseriestrialsPantI:CFDestimationofnon-isothermalLNGreleasesandcomparisonwithbox-modelpredictions[J].ChemicalEngineeringScience,2006,61(5):1434-1443.[11]CormierBR,QiR,YunGWetal.ApplicationofcomputationalfluiddynamicsforLNGvapordispersionmodeling:Astudyofkeyparameters.[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries.2009,22(3):332-352.[12]HenriqueD,Jean-MichelG,Jean-LouisF,PierreLC.Dispersionofodorousgasesintheatmosphere—PartI:Modelingapproachestothephenomenon[J].ScienceofTheTotalEnvironment,200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