天然氣管道泄漏擴散的模型研究

蔣波沱 邢曉龍 賈彥強 張 旭

（沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽110136）

0 引言

天然氣作為一種清潔優質的能源，在我國大力發展低碳經濟的過程中獲得了前所未有的發展。由于我國的天然氣資源產地遠離天然氣需求中心，而且從總體上來說，我國并不具備足夠豐富的天然氣資源，而是通過運輸將國內外的天然氣資源運送至天然氣消費城市，因此天然氣的運輸十分重要。又由于運輸管道距離長，運輸天然氣量大，因此管道泄漏事故頻發，為預防此類事故發生進而造成重大損失，人們對天然氣管道泄漏擴散過程研究就顯得尤為重要。本文綜述了人們對天然氣泄漏擴散的模型研究，闡述了目前天然氣泄漏模型、擴散模型的適用范圍及進展，為今后的研究提供了參考資料。

1 泄漏模型

目前，常用的氣體泄漏模型主要有Levenspie[1]、Crowl[2]孔隙模型及管道模型。 其中孔隙模型又分為小孔模型和大孔模型，其適用范圍分別為泄漏孔與管道直徑比d/D≤0.2 和直徑比為0.2

2 擴散模型

表1 天然氣擴散經典模型的比較

與氣體泄漏模型相比， 氣體的擴散模型有許多經典的計算模型，如高斯模型、BM 模型、Sutton 模型、FEM3 模型等，但其均各自限制，表1 羅列了幾種氣體擴散的經典模型[7]。

隨著人們對氣體擴散過程的深入了解，人們又提出許多新的氣體擴散計算模型。 如美國空軍開發的AFTOX 模型[8]，即危險氣體擴散模型，此模型是一種多煙團疊加模型，適用于模擬點源以及區域氣體擴散過程，不適用于模擬重氣擴散；HEGADAS 模型[9]，適用于重氣連續源泄露，尤其適用于液化天然氣管道的泄漏擴散；還有適用于中氣和重氣擴散模擬及點源及區域氣體擴散過程的DEGADIS 模型[10]；由美國環保局開發的只適用于中性氣體擴散的INPUFF 模型等[11]。

近幾年，人們在從事易燃易爆、有毒氣體擴散領域也取得了一些成果。 如潘旭海等[12]在箱模型基礎上建立了LTA-HGDM 模型，該模型具有形式簡單、模擬精度較好、運算快捷等優點。 肖建明等[13]提出了一種計算高斯模型擴散面積的算法，該算法解決了易燃易爆和有毒氣體在中毒或爆炸下限危害濃度范圍內的面積計算問題，可以大大縮短災害后果評估時間、提高災害后果評估精度，對預防、減少人員傷亡和財產損失產生了積極影響。 王樹乾等[14]利用Fluent 的物質傳輸模型和湍流模型模擬了不同壓力對天然氣泄漏擴散的影響，為天然氣泄漏擴散事故預防處理提供了理論參考。 李又綠等[15]建立適合天然氣管道泄漏特點的擴散模型，主要考慮泄漏擴散過程中的射流作用、膨脹效應、重力作用、水平風速等，其所建立的模型更加符合天然氣管道泄漏擴散過程的實際情況，并通過算例討論闡述不同外界條件對天然氣泄漏擴散的影響，對天然氣泄漏擴散的模型研究具有指導意義。

3 泄漏擴散結合的模型

近年來的發展趨勢表明，越來越多的擴散模型中包括了初始泄漏速率的計算模擬，所以也有一些學者開始嘗試將泄漏模型和擴散模型有效地整合在一起。 向啟貴[16]通過對天然氣管道破裂后介質的釋放特點及其規律進行分析，篩選了擴散參數及模式，得到天然氣管道泄漏擴散模型，采用該模型計算硫化氫擴散距離，可以為安全有效地實施安全生產及制定安全應急預案提供科學依據。 劉墨山[17]利用UDM 模型對不同的釋放源在極端條件下的天然氣管道事故進行了模擬計算，為安全預評價和現狀評價提供了手段和方法。徐博等[18]使用Matlab 計算管道泄漏引起蒸氣云爆炸事故的風險曲線，計算結果為天然氣新管線的規劃、建設及現有管線的調整提供了決策依據。 孟志鵬等[19]提出一種基于湍流模型的可用于可爆性氣體泄漏擴散的三維數值模擬方法，雖然只適用于中性氣體的擴散，但也為評估泄漏事故的危害提供了一定的依據。 桑博[20]利用計算流體動力學軟件，選用Realizable kepsilon 模型對天然氣在空氣中擴散的過程進行仿真模擬，并分析泄漏孔直徑、風速、泄漏初速度、泄漏孔形狀對泄漏過程影響的強弱程度，對天然氣泄漏擴散的研究進展有重要意義。 侯慶民[21]對天然氣管道發生泄漏后的擴散情況進行了方法研究和規律分析，其模擬研究結果和泄漏擴散理論相符，為天然氣泄漏擴散提供了一種分析思路。

4 總結

本文分析和總結了天然氣泄漏擴散模型的最新研究進展。從中我們可以看出，目前并沒有模型能夠天然氣泄漏、擴散和爆炸三個過程進行綜合描述，特別是對于擴散過程和爆炸過程，沒有模型將二者統一聯系起來。 因此，這方面的研究仍需人們進一步深入探索。

［1］Levenspiel O. Engineering flow and heat exchange [M]. New York： Plenum press， 1984.

［2］Crowl D A. Chemical process safety： fundamentals with applications [M]. NJ：Prentice Hall， 1990.

［3］王新.天燃氣管道泄漏擴散事故危害評價[D].哈爾濱工業大學，2010.

［4］馮云飛，吳明，閆明龍，等.燃氣管道泄漏模型的研究進展[J].當代化工，2011，40(12)：1255-1260.

［5］王大慶，霍春勇，高惠臨.長輸管線氣體泄漏率簡化計算方法[J].天然氣工業，2008，28(1)：116-118.

［6］向素平，馮良，周義超.天然氣管道泄漏模型[J].天然氣工業，2007，27(7)：100-102.

［7］桑博.長輸天然氣管道泄漏擴散的數值模擬[D].北京交通大學，2011.

［8］Bruce A K. AFTOX 4.0-The air force toxic chemical dispersion model-a user’s guide， PL -TR -91 -2119 Environmental Research Papers， No.1083 [R].Massachusetts： Phillips Laboratory， Hanscom Air Force Base， 1991.

［9］Witlox H W M. The HEGADAS model for ground-level heavy-gas dispersion I& II [J]. Atmosphere Environment， 1994， 28(18)： 2917-2946.

［10］Tom S， Jerry H. User’s guide for the DEGADIS 2.1 dense gas dispersion，EPA-450/4-89-019 [R]. Research Triangle Park， North Carolina， USA： Office of Air Quality Planing and Standards， U S EPA， 1989.

［11］William B P， Lavdas L G. INPUFF 2.0-a multiple source Gaussian Puff dispersion algorithm [R]. Research Triangle Park， North Carolina， USA： Atmospheric Sciences Research Laboratory， U S EPA， 1986.

［12］蔣軍成，潘旭海.化學危險性氣體泄漏擴散模擬及其危險因素[J].南京化工大學學報，2001，23(1)：19-22.

［13］肖建明，陳國華，張瑞華.高斯煙羽模型擴散面積的算法研究[J].計算機與應用化學，2006，23(6)：559-564.

［14］王樹乾，鐘月華，肖澤儀，等.壓力對管道天然氣泄漏擴散影響的數值模擬[J].四川化工，2009，12(6)：34-37.

［15］李又綠，姚安林，李永杰.天然氣管道泄漏擴散模型研究[J].天然氣工業，2004，24(8)：102-104.

［16］向啟貴.天然氣管道泄漏擴散機理研究[D].西南交通大學，2006.

［17］劉墨山.川渝地區含硫天然氣管道泄漏事故后果模擬研究[D].中國地質大學(北京)，2010.

［18］徐博，錢新明，劉振翼.天然氣輸送管道泄漏事故危害定量分析[J].中國科學安全學報，2008，18(1)：146-149.

［19］孟志鵬，王淑蘭，丁信偉.可爆性氣體泄漏擴散時均湍流場的數值模擬[J].安全與環境學報，2003，3(3)：25-28.

［20］桑博.長輸天然氣管道泄漏擴散的數值模擬[D].北京交通大學，2011.

［21］侯慶民.天然氣管道泄漏與天然氣在空氣中擴散的模擬研究[D].哈爾濱工業大學，2009.