天然氣管道泄漏研究現(xiàn)狀分析

胡洪兵

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京102200）

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天然氣管道泄漏研究現(xiàn)狀分析

胡洪兵

（中國石油大學(xué)（北京）， 北京102200）

摘 要：天然氣管道發(fā)生泄漏將造成重大經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，嚴(yán)重危害泄漏點附近的人民的生命財產(chǎn)安全。因此，在天然氣管道發(fā)生泄漏后及時準(zhǔn)確的檢測出泄漏點，以及研究天然氣在不同介質(zhì)中的擴(kuò)散模型具有重大意義。概述了近年來在天然氣管道泄漏方面的多項研究現(xiàn)狀；其中最主要的方面在于利用CFD軟件結(jié)合擴(kuò)散模型對管道泄漏進(jìn)行仿真研究。

關(guān) 鍵 詞：天然氣；管道；泄漏；仿真

截止2015年9月，中國己建成天然氣管道約9萬公里，形成了以陜京一線、陜京二線、陜京三線、西氣東輸一線、西氣東輸二線、川氣東送等為主干線，以冀寧線、淮武線、蘭銀線、中貴線等為聯(lián)絡(luò)線的國家基礎(chǔ)管網(wǎng)；“十二五”即將結(jié)尾，已經(jīng)漸漸形成連貫東西、覆蓋南北、聯(lián)通全國、連接海外的統(tǒng)一的輸氣管網(wǎng)格局，開始轉(zhuǎn)型為氣源獲取方式多樣化、調(diào)派輸送簡約化、生產(chǎn)、管理、運營自動化的產(chǎn)、運、銷的統(tǒng)一體系。在此期間，各個省、縣、鄉(xiāng)政府也在努力加快居民對使用天然氣的積極性，全力建設(shè)省內(nèi)、市內(nèi)天然氣管道工程；形成了京津冀魯晉、川渝、長江三角洲、中南、中部五個區(qū)域管網(wǎng)同時存在的供氣新局面［1］。

在管道建設(shè)高速發(fā)展的同時我們更需加倍注意防范長輸管道泄漏可能帶來的危害。

管道運輸不僅關(guān)系經(jīng)濟(jì)命脈，更是關(guān)系到公共安全。這些天然氣管道一旦發(fā)生泄露，天然氣擴(kuò)散到大氣中，在泄漏區(qū)附近很有可能與空氣混和形成可燃?xì)怏w，如果此時附近出現(xiàn)點火源，則很可能會發(fā)生大型火災(zāi)甚至引起爆炸，將嚴(yán)重地?fù)p害管道運輸安全，并對經(jīng)濟(jì)和社會生活產(chǎn)生重大影響。因此，對于科研人員而言，進(jìn)行天然氣管道泄漏的擴(kuò)散規(guī)律的研究具有十分重要的實際意義［2］。

1 天然氣管道泄漏研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)天然氣管道泄漏研究現(xiàn)狀

我國在管道泄漏擴(kuò)散的研究方面起步較晚，現(xiàn)階段研究的主要方向集中在管道氣體擴(kuò)散仿真和管道泄漏模型兩個方面。下文綜述近年來科研工作者在這兩個領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展。

袁秀玲提出了一種氣體通過狹縫泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)值模擬計算模型；此模型考慮了粘性力的影響，其結(jié)果的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)高于粘性流動模型和噴管流動模型。段卓平利用數(shù)值計算方法分析易燃、易爆氣體在大氣中的擴(kuò)散過程，并且給出了泄漏源附近任一點處擴(kuò)散氣體的濃度變化規(guī)律以及任一時刻空間中擴(kuò)散氣體的濃度分布情況。何利民對擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值分析，通過Fluent中的燃燒模型，主要分析了輸氣管道產(chǎn)生泄漏時甲烷氣體組分?jǐn)U散產(chǎn)生的可能發(fā)生爆炸的危險區(qū)域和風(fēng)速對氣體泄漏擴(kuò)散速率的影響。潘旭海［3］等深入研究氣體的擴(kuò)散模型對于管道氣體泄漏仿真過程的影響并綜合大氣風(fēng)速與地理環(huán)境等因素。提出了影響氣體泄漏擴(kuò)散仿真過程的幾個重要參數(shù)的選擇方法。王樹乾［4］等運用Fluent軟件的“湍流模型”和“物質(zhì)傳輸模型”數(shù)值模擬了不同壓力條件下的氣體泄漏擴(kuò)散效果。經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算的最終解顯示了不同泄漏的壓力條件下對氣體泄漏擴(kuò)散的影響。薛海強(qiáng)［5］利用射流的基本理論針對管輸天然氣泄漏的速度場和濃度場采用數(shù)值模擬，分析了管輸氣體擴(kuò)散過程中諸多不同條件的作用。葉峰等在前人的基礎(chǔ)之上提出了氣體泄漏后在空氣中擴(kuò)散傳播的有限元模型、數(shù)學(xué)模型；采用ANSYS仿真軟件對產(chǎn)生泄漏后的氣體的擴(kuò)散彌漫過程采取了動態(tài)仿真。表明有限元模型仿真天然氣管道泄漏具有一定的前景。

丁信偉利用空氣動力學(xué)將微元氣體進(jìn)行三大平衡研究，進(jìn)而提出一種全新氣體擴(kuò)散模型，經(jīng)過風(fēng)洞實驗，嚴(yán)格分析了該模型的正確性。李又綠［6］等考慮到輸氣管道氣體泄漏產(chǎn)生擴(kuò)散過程的特性，同時注意了天然氣管道泄漏小孔中的射流作用以及水平方向的風(fēng)速還有重力和膨脹的效應(yīng)對氣體擴(kuò)散的過程的影響作用之后，提出了貼合輸氣管道氣體產(chǎn)生泄漏的一種新的擴(kuò)散模型。藺躍武［7］先假定管道中流動的是絕熱流動的理想氣體，泄漏階段視為理想氣體的等熵流動階段。由此提出了輸氣管網(wǎng)爆裂后氣體的泄漏量的計算通用方法并指出這個方法可以對不同大小的縫隙泄漏孔徑的氣體泄漏量進(jìn)行研究?；舸河峦ㄟ^驗證管道氣體泄漏過程中引入了理想狀態(tài)下的氣體狀態(tài)方程中的壓縮因子，提出了大孔徑泄漏條件下計算泄漏量的公式并研究了非穩(wěn)態(tài)工況條件下產(chǎn)生氣體泄漏的問題。王大慶等經(jīng)過分析已有管道管輸氣體的泄漏模型，建立了利用管內(nèi)亞臨界流狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合輸氣管道的氣體擴(kuò)散模型來計算不同類型管道的泄漏縫隙孔徑下天然氣的泄漏速率。向素平［8］等根據(jù)實際的限流和緊急切斷造成的不穩(wěn)定以及泄漏處天然氣出現(xiàn)音速建立的泄漏模型，能夠較為貼近實際的求出泄漏點出天然氣的狀態(tài)參數(shù)。經(jīng)驗證，其模型的解和實際大致吻合。艾唐偉等利用管道泄漏后，泄漏點的濃度及其等高線的變化模型能夠迅速確定事故周圍的安全等級，進(jìn)一步驗證氣體的擴(kuò)散濃度與大氣的穩(wěn)定度、水平風(fēng)速的相互關(guān)系。肖建蘭利用泄漏階段的射流基本原理以及氣體膨脹階段受到重力、浮力、水平風(fēng)速等作用，提出全新的輸氣管道泄漏模型。楊昭［9］等經(jīng)過分析天然氣擴(kuò)散過程的邊界層，確認(rèn)天然氣外泄形成的高濃度區(qū)域，進(jìn)而得出增大氣體外泄速率或者增大水平風(fēng)速都會增大氣體泄漏擴(kuò)散速度，從而使沿下風(fēng)向的泄漏濃度減小的結(jié)果。

由于管道泄漏實驗實際操作難度太大，因而使得采用適當(dāng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬管道泄漏具有極大的優(yōu)越性。此外，隨著計算機(jī)性能的發(fā)展以及泄漏模型研究的日趨成熟，仿真軟件模擬泄漏過程的研究越來越多，多數(shù)結(jié)果與實際情況相符。表1給出了泄漏模擬研究的幾篇論文中的主要內(nèi)容。

表1 仿真研究的主要內(nèi)容Table 1 The main content of simulation research

1.2 國外天然氣管道泄漏研究現(xiàn)狀

天然氣泄漏后對空氣和地理環(huán)境的污染問題與天然氣的擴(kuò)散方式密切相關(guān)，國外在天然氣擴(kuò)散方面的研究探索開始于上世紀(jì)70、80年代。在此期間，提出了不少有參考價值的擴(kuò)散的計算模型，同時也進(jìn)行了很多次擴(kuò)散模型試驗。

表2給出了5種經(jīng)典的擴(kuò)散模型。這些計算模型有高斯（Gaussian）模型，BM（BritterandMeQuaid）模型，Sutton模型，F(xiàn)EM3（3DFiniteElelnentModel）模型，板塊模型，重氣模型等。高斯模型著手于數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法，研究擴(kuò)散管道氣的空間濃度分布，適密度與大氣相近的氣體的點源擴(kuò)散，模擬精度較低。但是它可以仿真氣體連續(xù)性外漏和氣體突然泄漏這兩種不同的泄漏方式，且由于模型提出的時間比較早，存在的實驗數(shù)據(jù)多，因而方法較為成熟。其他幾種模型各自具有優(yōu)點，適用條件各異。

表2 國外5種典型氣體擴(kuò)散模型比較Table 2 Five kinds of typical gas diffusion model

在氣象條件方面，L. Soulhac0、M. Pontiggia0、Jae-Jim Kim0、Zhirong Wang0、H. Wilkening0、Jian Hang0等人分別以風(fēng)向、風(fēng)速等不同氣象條件，采用CFD方法研究其對氣體擴(kuò)散的影響，但是，對空間不同高度處的氣體泄漏擴(kuò)散的濃度分布，沒有考慮大氣環(huán)境中溫度梯度和濕度梯度的影響。

在障礙物方面，M.lateb［16］等人考慮了迎風(fēng)面大樓的存在與否，采用CFD方法軟件對污染物泄漏擴(kuò)散進(jìn)行三維數(shù)值模擬。Mohamed F.Yassin［17］考慮了不同屋頂形狀以及屋頂高度與建筑高度不同比的影響，采用CFD方法軟件對污染物擴(kuò)散進(jìn)行二維數(shù)值數(shù)值模擬，F(xiàn). Scargiali［18］采用計算流體力學(xué)方法，建立三維幾何模型，對重氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，結(jié)果證明了在下風(fēng)向，街區(qū)會減少地面重氣的積聚，但卻會增大其擴(kuò)散的影響范圍，但氣體的密度不同，其擴(kuò)散的結(jié)果差異很大。此外，MaroPontiggia和Steven R. Hanan［19］等人分別采用了CFD軟件模擬了在城市建筑群間和平坦開闊地帶氣體泄漏擴(kuò)散的不同，指出氣體易在下風(fēng)向建筑群近地面聚集并達(dá)到高濃度，停留持續(xù)的時間也很長。YoshihideTominaga［20］采用CFD方法軟件Fluent，分別選用RANS和LES兩種湍流模型，對建筑群行列中兩棟建筑物之間的污染物泄漏擴(kuò)散進(jìn)行三維模擬，研究了垂直點源上方的風(fēng)速、平均濃度、渦粘度、渦擴(kuò)散率分布規(guī)律。

2 結(jié)論與展望

綜合以上研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)：天然氣管道泄漏研究都是從兩個方面進(jìn)行。首先是針對泄漏介質(zhì)在空氣、土壤、水里的擴(kuò)散方式進(jìn)行理論研究，提出各種相應(yīng)的擴(kuò)散模型。其次是用CFD軟件對泄漏過程進(jìn)行仿真。對比國內(nèi)外工作者的研究內(nèi)容來看，國外工作者更多從事模型研究，提出了很多原創(chuàng)性的泄漏模型。國內(nèi)通過這些年科研人員的不懈努力，在管道泄漏的理論研究與泄漏擴(kuò)散仿真上我們漸漸的與國際靠攏；但是在泄漏檢測設(shè)備，泄漏發(fā)生后的防范設(shè)施等方面還是與國際領(lǐng)先技術(shù)相差較遠(yuǎn)。

隨著信息時代的到來，管道系統(tǒng)正處在數(shù)值化監(jiān)控之下；一方面管道的防泄漏研究有效結(jié)合數(shù)學(xué)模型與計算機(jī)仿真技術(shù)，開發(fā)出適用性較強(qiáng)的檢測軟件；另一方面運用統(tǒng)計分析法針對輸氣管道運行的不同工況、不同季節(jié)、不同輸量、不同地理環(huán)境等條件下的管材損耗進(jìn)行分析，更準(zhǔn)確更全面地預(yù)測管道損耗狀況?？蒲泄ぷ髡咴谶@兩個方向都需要在保證預(yù)測精度的前提下盡可能地將影響因素考慮在內(nèi)，使檢測、預(yù)測結(jié)果更可信。此外，在適當(dāng)條件下進(jìn)行管道泄漏實驗，獲取數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)，才能使數(shù)值模擬獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋杰鯤，李宏勛，張在旭.我國天然氣工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策［J］.未來與發(fā)展， 2006，（08）：2-4.

［2］王新.天然氣管道泄漏擴(kuò)散事故危害評價［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010：23-35.

［3］潘旭海，蔣軍成，事故泄漏源模型研究與分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002（01）：3-4.

［4］王樹乾，邱榮先，鐘月華.壓力對管道天然氣泄漏擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬［J］.四川化工，2009（06）：2-5.

［5］薛海強(qiáng).室內(nèi)燃?xì)庑孤U(kuò)散的數(shù)值模擬研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)2010：34-40.

［6］丁信偉，王淑蘭，徐國慶.可燃及毒性氣體擴(kuò)散研究［J］.化學(xué)工程，2000（01）：1-3.

［7］藺躍武，劉典明.天然氣輸送管道破裂泄漏量計算［J］.化工設(shè)備與管道，2003（05）：1-4.

［8］向素平，馮良，周義超.天然氣管道泄漏模型［J］.天然氣工業(yè)，2007（07）：2-4.

［9］楊昭，賴建波，韓金麗.天然氣管道氣體泄漏擴(kuò)散過程研究［J］.天然氣工業(yè)，2007（07）：1-3.

［10］Gousseau P， Blocken B， Stathopoulos T et al.CFD simulation of near-field pollutant dispersion on a high-resolution grid：A case study by LES and RANS for a building group in downtown Montreal［J］. Atmospheric Environment， 2011 （45）：428-438.

［11］Soulhac L， Salizzoni P. Dispersion in a street canyon for a wind direction parallel to the street axis［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2010， 12（98）：903-910.

［12］Pontiggia， M， Derudi M， Busini， V et al. Hazardous gas dispersion：A CFD model accounting for atmospheric stability classes［J］. Journal of Hazardous Material， 2009 （171）：739-747.

［13］Kim， Jae-Jin， Baik， Jong-Jin. A numerical study of the effects of ambient wind direction on flow and dispersion in urban street canyon using the RNG k-ε turbulence model［J］. Atmospheric Environment，2004， 19（38）：3039-3048.

［14］Wang Zhirong， Hu，Yuanyuan， Jiang Juncheng.Numerical investigation of leaking and dispersion of carbon dioxide indoor under ventilation condition［J］. Energy and Building， 2013 （66）：461-466.

［15］Wilkening， H， Baraldi， D. CFD modelling of accidental hydrogen release from pipeline［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2007 （32）：2206-2215.

［16］Hang Jian， Luo Zhiwen， Sandberg Mats et al. Natural ventilation assessment in typical open and semi-open environments under various wind direction［J］. Building and Environment， 2013 （70）：318-333.

［17］Lateb M， Masson C， Stathopoulos T et al. Comparison of various types of k-ε models for pollutant emissions around a two-building configuration［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2013 （115）：9-21.

［18］Yassin Mohamed F. Impact of height and shape of building roof on air quality in urban street canyons［J］. Atmospheric Environment， 2011，（45）：5220-5229.

［19］Scargiali F， Grisafi F， Busciglio A et al. Modeling and simulation of dense cloud dispersion in urban areas by means of computational fluid dynamics［J］. Journal of Hazardous Materials， 2011 （197）：285-293.

［20］TominagaYoshihide， Stathopoulos Ted. CFD Modeling of Pollution Dispersion in Building Array：Evaluation of turbulent scalar flux modeling in RNS model using LES results［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2012 （104-106）：484-491.

Analysis on Current Research of Natural Gas Pipeline Leakage

HU Hong-bing
（China University of Petroleum， Beijing102200，China）

Abstract:The leakage of natural gas will not only cause great economic loss and environmental pollution， but also endanger the transportation security and life and property safety of the residents near the leakage site.It is very important to locate the leakage site immediately after the accident occurs and study the diffusion model of natural gas in different medium. In this paper， research status about natural gas pipeline leakage was summarized. One of the most important parts is using CFD software combined with diffusion model to numerically simulate the natural gas leakage.

Key words:Natural gas；Pipeline；Leakage；Simulation

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0352-03

收稿日期：2015-10-11

作者簡介：胡洪兵（1990-），男，四川遂寧人，研究方向：天然氣管道泄漏。E-mail：781908434@qq.com。