天然气管道泄漏研究现状分析

胡洪兵

（中国石油大学（北京）， 北京102200）



天然气管道泄漏研究现状分析

胡洪兵

（中国石油大学（北京）， 北京102200）

摘 要：天然气管道发生泄漏将造成重大经济损失和环境污染，严重危害泄漏点附近的人民的生命财产安全。因此，在天然气管道发生泄漏后及时准确的检测出泄漏点，以及研究天然气在不同介质中的扩散模型具有重大意义。概述了近年来在天然气管道泄漏方面的多项研究现状；其中最主要的方面在于利用CFD软件结合扩散模型对管道泄漏进行仿真研究。

关 键 词：天然气；管道；泄漏；仿真

截止2015年9月，中国己建成天然气管道约9万公里，形成了以陕京一线、陕京二线、陕京三线、西气东输一线、西气东输二线、川气东送等为主干线，以冀宁线、淮武线、兰银线、中贵线等为联络线的国家基础管网；“十二五”即将结尾，已经渐渐形成连贯东西、覆盖南北、联通全国、连接海外的统一的输气管网格局，开始转型为气源获取方式多样化、调派输送简约化、生产、管理、运营自动化的产、运、销的统一体系。在此期间，各个省、县、乡政府也在努力加快居民对使用天然气的积极性，全力建设省内、市内天然气管道工程；形成了京津冀鲁晋、川渝、长江三角洲、中南、中部五个区域管网同时存在的供气新局面［1］。

在管道建设高速发展的同时我们更需加倍注意防范长输管道泄漏可能带来的危害。

管道运输不仅关系经济命脉，更是关系到公共安全。这些天然气管道一旦发生泄露，天然气扩散到大气中，在泄漏区附近很有可能与空气混和形成可燃气体，如果此时附近出现点火源，则很可能会发生大型火灾甚至引起爆炸，将严重地损害管道运输安全，并对经济和社会生活产生重大影响。因此，对于科研人员而言，进行天然气管道泄漏的扩散规律的研究具有十分重要的实际意义［2］。

1 天然气管道泄漏研究现状

1.1 国内天然气管道泄漏研究现状

我国在管道泄漏扩散的研究方面起步较晚，现阶段研究的主要方向集中在管道气体扩散仿真和管道泄漏模型两个方面。下文综述近年来科研工作者在这两个领域的主要研究进展。

袁秀玲提出了一种气体通过狭缝泄漏扩散过程的数值模拟计算模型；此模型考虑了粘性力的影响，其结果的准确性远高于粘性流动模型和喷管流动模型。段卓平利用数值计算方法分析易燃、易爆气体在大气中的扩散过程，并且给出了泄漏源附近任一点处扩散气体的浓度变化规律以及任一时刻空间中扩散气体的浓度分布情况。何利民对扩散过程进行数值分析，通过Fluent中的燃烧模型，主要分析了输气管道产生泄漏时甲烷气体组分扩散产生的可能发生爆炸的危险区域和风速对气体泄漏扩散速率的影响。潘旭海［3］等深入研究气体的扩散模型对于管道气体泄漏仿真过程的影响并综合大气风速与地理环境等因素。提出了影响气体泄漏扩散仿真过程的几个重要参数的选择方法。王树乾［4］等运用Fluent软件的“湍流模型”和“物质传输模型”数值模拟了不同压力条件下的气体泄漏扩散效果。经过比较，发现数值计算的最终解显示了不同泄漏的压力条件下对气体泄漏扩散的影响。薛海强［5］利用射流的基本理论针对管输天然气泄漏的速度场和浓度场采用数值模拟，分析了管输气体扩散过程中诸多不同条件的作用。叶峰等在前人的基础之上提出了气体泄漏后在空气中扩散传播的有限元模型、数学模型；采用ANSYS仿真软件对产生泄漏后的气体的扩散弥漫过程采取了动态仿真。表明有限元模型仿真天然气管道泄漏具有一定的前景。

丁信伟利用空气动力学将微元气体进行三大平衡研究，进而提出一种全新气体扩散模型，经过风洞实验，严格分析了该模型的正确性。李又绿［6］等考虑到输气管道气体泄漏产生扩散过程的特性，同时注意了天然气管道泄漏小孔中的射流作用以及水平方向的风速还有重力和膨胀的效应对气体扩散的过程的影响作用之后，提出了贴合输气管道气体产生泄漏的一种新的扩散模型。蔺跃武［7］先假定管道中流动的是绝热流动的理想气体，泄漏阶段视为理想气体的等熵流动阶段。由此提出了输气管网爆裂后气体的泄漏量的计算通用方法并指出这个方法可以对不同大小的缝隙泄漏孔径的气体泄漏量进行研究。霍春勇通过验证管道气体泄漏过程中引入了理想状态下的气体状态方程中的压缩因子，提出了大孔径泄漏条件下计算泄漏量的公式并研究了非稳态工况条件下产生气体泄漏的问题。王大庆等经过分析已有管道管输气体的泄漏模型，建立了利用管内亚临界流状态下的数学模型，并结合输气管道的气体扩散模型来计算不同类型管道的泄漏缝隙孔径下天然气的泄漏速率。向素平［8］等根据实际的限流和紧急切断造成的不稳定以及泄漏处天然气出现音速建立的泄漏模型，能够较为贴近实际的求出泄漏点出天然气的状态参数。经验证，其模型的解和实际大致吻合。艾唐伟等利用管道泄漏后，泄漏点的浓度及其等高线的变化模型能够迅速确定事故周围的安全等级，进一步验证气体的扩散浓度与大气的稳定度、水平风速的相互关系。肖建兰利用泄漏阶段的射流基本原理以及气体膨胀阶段受到重力、浮力、水平风速等作用，提出全新的输气管道泄漏模型。杨昭［9］等经过分析天然气扩散过程的边界层，确认天然气外泄形成的高浓度区域，进而得出增大气体外泄速率或者增大水平风速都会增大气体泄漏扩散速度，从而使沿下风向的泄漏浓度减小的结果。

由于管道泄漏实验实际操作难度太大，因而使得采用适当模型进行数值模拟管道泄漏具有极大的优越性。此外，随着计算机性能的发展以及泄漏模型研究的日趋成熟，仿真软件模拟泄漏过程的研究越来越多，多数结果与实际情况相符。表1给出了泄漏模拟研究的几篇论文中的主要内容。

表1 仿真研究的主要内容Table 1 The main content of simulation research

1.2 国外天然气管道泄漏研究现状

天然气泄漏后对空气和地理环境的污染问题与天然气的扩散方式密切相关，国外在天然气扩散方面的研究探索开始于上世纪70、80年代。在此期间，提出了不少有参考价值的扩散的计算模型，同时也进行了很多次扩散模型试验。

表2给出了5种经典的扩散模型。这些计算模型有高斯（Gaussian）模型，BM（BritterandMeQuaid）模型，Sutton模型，FEM3（3DFiniteElelnentModel）模型，板块模型，重气模型等。高斯模型着手于数学统计方法，研究扩散管道气的空间浓度分布，适密度与大气相近的气体的点源扩散，模拟精度较低。但是它可以仿真气体连续性外漏和气体突然泄漏这两种不同的泄漏方式，且由于模型提出的时间比较早，存在的实验数据多，因而方法较为成熟。其他几种模型各自具有优点，适用条件各异。

表2 国外5种典型气体扩散模型比较Table 2 Five kinds of typical gas diffusion model

在气象条件方面，L. Soulhac0、M. Pontiggia0、Jae-Jim Kim0、Zhirong Wang0、H. Wilkening0、Jian Hang0等人分别以风向、风速等不同气象条件，采用CFD方法研究其对气体扩散的影响，但是，对空间不同高度处的气体泄漏扩散的浓度分布，没有考虑大气环境中温度梯度和湿度梯度的影响。

在障碍物方面，M.lateb［16］等人考虑了迎风面大楼的存在与否，采用CFD方法软件对污染物泄漏扩散进行三维数值模拟。Mohamed F.Yassin［17］考虑了不同屋顶形状以及屋顶高度与建筑高度不同比的影响，采用CFD方法软件对污染物扩散进行二维数值数值模拟，F. Scargiali［18］采用计算流体力学方法，建立三维几何模型，对重气泄漏扩散进行了模拟，结果证明了在下风向，街区会减少地面重气的积聚，但却会增大其扩散的影响范围，但气体的密度不同，其扩散的结果差异很大。此外，MaroPontiggia和Steven R. Hanan［19］等人分别采用了CFD软件模拟了在城市建筑群间和平坦开阔地带气体泄漏扩散的不同，指出气体易在下风向建筑群近地面聚集并达到高浓度，停留持续的时间也很长。YoshihideTominaga［20］采用CFD方法软件Fluent，分别选用RANS和LES两种湍流模型，对建筑群行列中两栋建筑物之间的污染物泄漏扩散进行三维模拟，研究了垂直点源上方的风速、平均浓度、涡粘度、涡扩散率分布规律。

2 结论与展望

综合以上研究现状可以发现：天然气管道泄漏研究都是从两个方面进行。首先是针对泄漏介质在空气、土壤、水里的扩散方式进行理论研究，提出各种相应的扩散模型。其次是用CFD软件对泄漏过程进行仿真。对比国内外工作者的研究内容来看，国外工作者更多从事模型研究，提出了很多原创性的泄漏模型。国内通过这些年科研人员的不懈努力，在管道泄漏的理论研究与泄漏扩散仿真上我们渐渐的与国际靠拢；但是在泄漏检测设备，泄漏发生后的防范设施等方面还是与国际领先技术相差较远。

随着信息时代的到来，管道系统正处在数值化监控之下；一方面管道的防泄漏研究有效结合数学模型与计算机仿真技术，开发出适用性较强的检测软件；另一方面运用统计分析法针对输气管道运行的不同工况、不同季节、不同输量、不同地理环境等条件下的管材损耗进行分析，更准确更全面地预测管道损耗状况。科研工作者在这两个方向都需要在保证预测精度的前提下尽可能地将影响因素考虑在内，使检测、预测结果更可信。此外，在适当条件下进行管道泄漏实验，获取数值模拟相关参数，才能使数值模拟获得更准确的结果。

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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

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0352-03

收稿日期：2015-10-11

作者简介：胡洪兵（1990-），男，四川遂宁人，研究方向：天然气管道泄漏。E-mail：781908434@qq.com。