城鎮燃氣管道泄漏擴散模型及數值模擬

趙 然

（北京建筑大學，北京 100044）

城鎮燃氣管道泄漏擴散模型及數值模擬

趙 然

（北京建筑大學，北京 100044）

針對城鎮燃氣管道泄漏預防與綜合評價中必須要用到的泄漏模型，分析了泄漏源模型、擴散模型、及數值模擬，以此為確保城鎮燃氣管道運行安全提供依據。

燃氣管道；泄漏；泄漏源模型；擴散模型；數值模擬

城鎮燃氣管道在管材老化、腐蝕加劇、焊縫、施工擾動等因素的影響下容易產生破損和泄漏，而燃氣泄漏不僅會造成事故，還會嚴重污染城市環境。因此，做好預防和評價工作至關重要，而在此過程中離不開對于泄漏擴散模型的應用。

1 泄漏源模型與數值模擬

1.1 小孔泄漏

小孔泄漏的模型一般用在穿孔泄漏中，造成穿孔泄漏的主要原因為管道受腐蝕影響而穿孔，導致管道內燃氣向外泄漏。燃氣在通過孔洞時的質量流量可采用以下公式進行計算：

式（1）中，Q表示燃氣在通過孔洞時的質量流量，單位：kg/s；C0表示泄漏系數，通常取0.6～1.0，與孔洞形狀有關；A表示孔洞的面積，單位：m2；p2表示泄漏點對應管道中心位置的壓強，單位：Pa；M表示燃氣摩爾質量，單位：kg/mol；k表示燃氣熱熔比；T2表示泄漏點對應管道中心位置的溫度，單位：K；pa表示環境壓強，單位：Pa；R為理想氣體常數，8.314kJ/（kmol·K）。

1.2 管道泄漏

管道泄漏的模型一般用在開裂泄漏中，造成開裂泄漏的主要原因為管道由于受到超壓與外力而發生破裂，是典型的大面積泄漏，通常情況下泄漏口的面積可達80%～100%管道截面積[1]。一旦發生開裂泄漏，會在很短的時間內泄漏大量燃氣，瞬時降低管道氣壓。質量通量可采用以下公式進行計算：

式（2）中，G表示質量通量，單位：kg/（m2·h）；m表示燃氣質量流量，單位：kg/s；Yg表示燃氣膨脹系數；gc表示重力常數；p1表示燃氣密度，單位：kg/m3；p1表示上游燃氣的壓力，單位：Pa；p2表示下游燃氣的壓力，單位：Pa；∑Kf表示差損失項，也可以使用4fL和d的商來代替，其中f表示摩擦系數，d表示內徑，L表示管長，單位：m。

1.3 動態泄漏

現實狀況中，如果管道發生了泄漏事故，會在一段時間以后由管理人員關閉氣源，而且自動控制閥也會檢測到泄漏而自動關閉氣源，以此減少泄漏，直至停止，這就是一個動態泄漏的過程。在氣源被關閉之后，管道中依然存在燃氣，此時管道動態泄漏率可表示為：

式（3）中，Q（t）表示管道動態泄漏率；V0表示管道的體積，單位：m3；ρ表示燃氣密度，單位：kg/m3；t表示泄漏持續時間，單位：s。

2 泄漏和擴散模型及數值模擬

城鎮燃氣主要包含三種類型，分別為煤氣、天然氣和液化石油氣。其中，煤氣與天然氣的密度比空氣小，發生泄漏之后伴隨空氣擴散；而液化石油氣由于其密度大于空氣，所以在發生泄漏后會進行重氣擴散。由于燃氣性質有所不同，因此應建立不同模型。

2.1 煤氣與天然氣泄漏擴散

該模型可在產生釋放以后的氣體和空氣相互混合，同時使混合氣體具備一定中性浮力之后計算下風向不同位置氣體濃度。設風向為x軸，風速穩定表示為u，則氣體在H高處的濃度計算公式為：

式（4）中，＜C＞表示氣體平均濃度，單位：g/m3；G表示泄漏率，單位：kg/s；σ表示在不同方向上的濃度的偏差標準值；u表示風速，單位：m/s；x為下風向；y表示風向在垂直方向上的距離，單位：m；z表示距里面距離，單位：m；H表示泄漏源高度，單位：m。

2.2 石油液化氣泄漏擴散

密度比空氣大的氣體為重氣，目前對于重氣的擴散模型主要將箱模型作為基礎而建立。但無論是箱模型還是高斯模型，都存在一定局限性。對此，為精確模擬重氣在環境中的擴散，可利用CFD法對其三維非定常態湍流流動過程進行模擬。將泄漏的燃氣視作不可進行壓縮的流體，而其溫度和室溫完全相同，采用雙方程模型對燃氣擴散規律進行描述，同時結合實際情況建立邊界條件控制方程的解，即可獲得整個泄漏場所中，泄漏燃氣的速度分布與濃度分布。此外，采用FLUENT，在軟件中構建燃氣泄漏場所幾何特征模型，并借助動量方程模型與現有參數，還能實現自動計算。

3 結束語

一般而言，不同模型可以組合使用，以此取長補短。現實中沒有完美的模型，在科技快速發展的進程中，研究、建立更能真實反映實際情況的模型是燃氣管道泄漏分析的重要發展方向，同時也是評價燃氣管道泄漏后危害程度的迫切需要。

[1] 王鶴超，吳明，楊蕊，等.建筑群外埋地燃氣管道泄漏的風險性評估[J].石油與天然氣化工，2015，（01）：93-98.

Leakage and Diffusion Model of Urban Gas Pipeline and Its Numerical Simulation

Zhao Ran

Aiming at the leakage model which must be used in the prevention and comprehensive evaluation of urban gas pipeline leakage，the paper introduces and analyzes the leakage model and diffusion model respectively，and provides the basis for ensuring the safety of urban gas pipeline operation.

gas pipeline；leakage；leakage source model；diffusion model；numerical simulation

TE88

A

1003–6490（2017）10–0166–01

2017–07–20

趙然（1988—），女，吉林長春人，工程師，主要研究方向為城鎮燃氣輸配管網、燃氣泄漏擴散模擬。