城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟

赵 然

（北京建筑大学，北京 100044）

城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟

赵 然

（北京建筑大学，北京 100044）

针对城镇燃气管道泄漏预防与综合评价中必须要用到的泄漏模型，分析了泄漏源模型、扩散模型、及数值模拟，以此为确保城镇燃气管道运行安全提供依据。

燃气管道；泄漏；泄漏源模型；扩散模型；数值模拟

城镇燃气管道在管材老化、腐蚀加剧、焊缝、施工扰动等因素的影响下容易产生破损和泄漏，而燃气泄漏不仅会造成事故，还会严重污染城市环境。因此，做好预防和评价工作至关重要，而在此过程中离不开对于泄漏扩散模型的应用。

1 泄漏源模型与数值模拟

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为管道受腐蚀影响而穿孔，导致管道内燃气向外泄漏。燃气在通过孔洞时的质量流量可采用以下公式进行计算：

式（1）中，Q表示燃气在通过孔洞时的质量流量，单位：kg/s；C0表示泄漏系数，通常取0.6～1.0，与孔洞形状有关；A表示孔洞的面积，单位：m2；p2表示泄漏点对应管道中心位置的压强，单位：Pa；M表示燃气摩尔质量，单位：kg/mol；k表示燃气热熔比；T2表示泄漏点对应管道中心位置的温度，单位：K；pa表示环境压强，单位：Pa；R为理想气体常数，8.314kJ/（kmol·K）。

1.2 管道泄漏

管道泄漏的模型一般用在开裂泄漏中，造成开裂泄漏的主要原因为管道由于受到超压与外力而发生破裂，是典型的大面积泄漏，通常情况下泄漏口的面积可达80%～100%管道截面积[1]。一旦发生开裂泄漏，会在很短的时间内泄漏大量燃气，瞬时降低管道气压。质量通量可采用以下公式进行计算：

式（2）中，G表示质量通量，单位：kg/（m2·h）；m表示燃气质量流量，单位：kg/s；Yg表示燃气膨胀系数；gc表示重力常数；p1表示燃气密度，单位：kg/m3；p1表示上游燃气的压力，单位：Pa；p2表示下游燃气的压力，单位：Pa；∑Kf表示差损失项，也可以使用4fL和d的商来代替，其中f表示摩擦系数，d表示内径，L表示管长，单位：m。

1.3 动态泄漏

现实状况中，如果管道发生了泄漏事故，会在一段时间以后由管理人员关闭气源，而且自动控制阀也会检测到泄漏而自动关闭气源，以此减少泄漏，直至停止，这就是一个动态泄漏的过程。在气源被关闭之后，管道中依然存在燃气，此时管道动态泄漏率可表示为：

式（3）中，Q（t）表示管道动态泄漏率；V0表示管道的体积，单位：m3；ρ表示燃气密度，单位：kg/m3；t表示泄漏持续时间，单位：s。

2 泄漏和扩散模型及数值模拟

城镇燃气主要包含三种类型，分别为煤气、天然气和液化石油气。其中，煤气与天然气的密度比空气小，发生泄漏之后伴随空气扩散；而液化石油气由于其密度大于空气，所以在发生泄漏后会进行重气扩散。由于燃气性质有所不同，因此应建立不同模型。

2.1 煤气与天然气泄漏扩散

该模型可在产生释放以后的气体和空气相互混合，同时使混合气体具备一定中性浮力之后计算下风向不同位置气体浓度。设风向为x轴，风速稳定表示为u，则气体在H高处的浓度计算公式为：

式（4）中，＜C＞表示气体平均浓度，单位：g/m3；G表示泄漏率，单位：kg/s；σ表示在不同方向上的浓度的偏差标准值；u表示风速，单位：m/s；x为下风向；y表示风向在垂直方向上的距离，单位：m；z表示距里面距离，单位：m；H表示泄漏源高度，单位：m。

2.2 石油液化气泄漏扩散

密度比空气大的气体为重气，目前对于重气的扩散模型主要将箱模型作为基础而建立。但无论是箱模型还是高斯模型，都存在一定局限性。对此，为精确模拟重气在环境中的扩散，可利用CFD法对其三维非定常态湍流流动过程进行模拟。将泄漏的燃气视作不可进行压缩的流体，而其温度和室温完全相同，采用双方程模型对燃气扩散规律进行描述，同时结合实际情况建立边界条件控制方程的解，即可获得整个泄漏场所中，泄漏燃气的速度分布与浓度分布。此外，采用FLUENT，在软件中构建燃气泄漏场所几何特征模型，并借助动量方程模型与现有参数，还能实现自动计算。

3 结束语

一般而言，不同模型可以组合使用，以此取长补短。现实中没有完美的模型，在科技快速发展的进程中，研究、建立更能真实反映实际情况的模型是燃气管道泄漏分析的重要发展方向，同时也是评价燃气管道泄漏后危害程度的迫切需要。

[1] 王鹤超，吴明，杨蕊，等.建筑群外埋地燃气管道泄漏的风险性评估[J].石油与天然气化工，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

赵然（1988—），女，吉林长春人，工程师，主要研究方向为城镇燃气输配管网、燃气泄漏扩散模拟。