燃气管道泄漏量计算.pdf

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1、2 01 2正 第6 卷 第 1 期 天 然 气 技 术 与 经 济 Na t u r a l Ga s T e c h n o l o g y a n d Ec o n o my Vo 1 6 NO 1 F e b 2 0 1 2 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 51 1 3 2 2 0 1 2 O 1 0 1 2 燃 气 管 道 泄 漏 量 计 算 周萍 詹淑慧 ( 北京建筑工程学院，北京1 0 0 0 4 4 ) 摘要 由于城镇燃气管道泄漏量的估算较为复杂，所以目前还没有比较简化的计算公式。为推算出燃气直 接泄漏到大气中的泄漏量简化公式，根据城镇燃气

2、管道的实际运行压力，利用小孔模型和管道( 断裂) 模型估算燃 气泄漏量，推算出管道燃气临界体积流量以对泄漏量校核 ，并将天然气管道泄漏量进行演算。由此可知，小孔模 型燃气的泄漏量和泄漏瞬间提升的浓度仅与管内流动的燃气压力和泄漏口的大小有关，而管道( 断裂) 模型燃气的 泄漏量和泄漏瞬间提升的浓度与管道直径、管内流动的燃气压力和管道入 口到泄漏口的上游长度都有关系。 关键词 小孔囊蔓蕾重I i 曩) 曩型澄量量大流量舅 中图分类号：T E 8 3 2 2 文献标识码：B 文章编号：2 0 9 5 1 1 3 2 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 5 0 0 4 0 引言 对 于燃 气管道

3、泄漏量 的估算 ，Wo o d w a r d和 M u d a n t ” 提出了压缩容器中小孔理想流体泄漏模 型。在此基础上 ，C r o w l 提 出一定条件下几种泄漏 率近似的计算公式。我国对燃气管道泄漏率及泄漏 量也有一定的研究 ：山东建筑大学 的田贯三 3 1 将 管 道泄漏视为 圆孔稳 态喷射 的过程 ，对燃气 泄漏 量 、 泄漏 速度 的衰减规律及浓度场等进行 了分析 ；重庆 大学 的彭世尼 推导 出了孔 口的泄 漏量计算公式 ， 讨论了燃气最大泄漏流量的限制。由于燃气管道泄 漏量的估算较为复杂，所以目前还没有得到比较实 用的简化计算公式。笔者拟分析和讨论燃气直接泄 漏到大气

4、 中的情况 ，根据城镇燃气管道实际运行压 力 ，简化出实用的泄漏量估算公式 。 l 管道泄漏量的分析模型 燃气管道泄漏量 的分析通常采用两种模型 ：小 孑 L 模 型和管道 ( 断裂 ) 模 型。腐蚀穿孔或外部机械破 损等原 因而造成的孔 口泄漏用小孔模型模拟 ，管道 完全断裂而导致的泄漏用管道 ( 断裂) 模型模拟。 1 1 小孔模型 管道孔 口泄漏过程可看作是可压缩气体的孔 口 出流。 小孔模型建立见图 1 。 f 泄 黼 。 1 为管 道入 13点 ；2为泄漏 口入 口点 ；3 为泄漏 1： 3 出 口截面点 ；L为 泄漏点至管道入 口的距离，m；q v 为泄漏点上游管道的体积流量， m

5、 h； q 为泄漏体积流量 ，m h 。 图1 管道泄漏示意图 孔 口泄漏 率 由气体 泄漏 前后 的压 力 比值所 决 定 ，气体泄漏速度最大只能达到声速。燃气管道泄 漏量与燃气流速有关 ，首先要用临界压力来判断泄 漏速度是声速还是亚声速 ： 8 ： 一Pa P =( ) 似 ( 2 ) + l 式中， 为临界压力比；p 为大气压力，P a ； P 为泄 漏孔处的临界压力 ，P a ；k 为燃气等熵指数。 由于管道人 口点 ( 已知压力 ) 至泄漏 口人 口点 的 距离 不大 ，因而可忽略管道沿程阻力 ，即两点压力 相等。在泄漏孔口处，燃气流速一般较快 ，燃气没 收稿 日期 ：2 0 l 1

6、 0 90 5 修订 日期 ：2 0 1 20 l l 6 作者简介：周萍( 1 9 8 7一) ，女，住渎研究生，研究 向为燃气输配。E - m a i l ：p i g z h o u 2 0 7 s i n a C O i (1 网络 出版 时间：2 0 1 1 0 2 1 7 网址 ：h t t p ： w w w c n k i n e t k c m s d e t a i l 5 1 1 7 3 6 T E 2 0 1 2 0 2 1 7 1 4 1 2 0 0 9 h i m 5O N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E

7、c o n o m y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第3 1 期 天然气技术与经济 输送储存 2 0 1 2 矩 有足够的时间与环境进行热量交换 ，因此泄漏过程 可视为可压缩气体 的绝热流动过程 。燃气按理想气 体考虑，结合连续性方程可得小孑 L 模型燃气的泄漏 量。 1 )当泄漏 口压力 小 于P 时 ，泄漏速 度为亚 声 速 ，则有 ： =孚 【 c 一 c 丁 【 ) J ( 3 ) 2 )当泄漏 V I 压力大于p o 时 ，泄漏速度为声速 ， 则有 ： 一 P 2 ( 南 (4 ) 丁。 丽 式中，g 为泄漏质量流量 ，k g s ； 为流量系数

8、与 孔 V I 面积及孔 口流速有关 的系数 ，可取 0 9 O0 9 8 ； d 为泄漏孔 口的当量直径 ，m；p 2 为图 1 中点2 燃气的 绝对压力 ，P a ；T 2 为图 1 中点2 燃气 的温度 ，K； 为 燃气的气体常数， J ( k g K ) 。 1 2 管道 ( 断裂 )模型 在管道完全断裂的情况下，泄漏口的当量直径 为管道内径 ，图 1 中点 2 、3 均在泄漏 口截面上 ，完 全暴露于空气 中，即两点的压力为大气压力。 管道泄漏过程 中 ，在关闭泄漏点上游 的阀门之 前 ，管内可视为稳定流动 ，即泄漏量等于管输流 量 。此时 ，燃气 的流速较快 ，燃气会与周边 环境进

9、 行部分 热交换 ，泄漏过程可视为多变过程。由此可 得泄漏点上游管道 内燃气的质量流量 ： D ( p l + 1 7 一 p 2 “ 7 ) n |u 。 _ (5 ) 式 中 ， 为 泄漏 点上 游管 道 内燃 气 的质 量 流量 ， k g S ；D为管道内径 ，m；P 。 为图 1 中点 1 燃气的绝 对压力，P a ； 为点 1 燃气的温度，K ；A 为摩擦阻 力系数 ；n 为燃气多变指数 。 当 it, =1 时 ，表示管道流动为等温过程 ，此时认 为管道燃气与周边环境有充分的热交换；当t, = k 时 ，表示管道流动为绝热过程 ，此时认为管道流速 太快或者管道太短，管道燃气完全没

10、有和周边环境 进行热交换；实际上这两种理想状况都不存在，n 介 于 1 和k 之间。为了简化计算，通常在管道燃气速度 较小或管道较长时， =1 ；在管道流速很快或管道 较短时 ，n 取k 。 A 的计算可以采用阿里特苏里公式 嗍 ： A = 0 1 1 ( - + 6 8 ) 。2 ( 6 ) 式 中 ，为管道内壁 的当量绝对粗糙度 ，m m，轻度 腐蚀的钢管一般为0 2 mm；尼为雷诺数 口 。 联立公式( 5 ) 和( 6 ) 迭代可求得g 则燃气的体积泄漏量为： q =3 6 0 0 ( 7 ) 。 p q v = 3 6 0 0 式中，p 为燃气的密度 ，k g m 。 假设燃气泄漏为

11、连续源泄漏 ，泄漏点浓度在瞬 间突然升高 嘲 ，泄漏中浓度保持不变，则有： ： ： ( 8 ) 。一 一3 6 0 0 M 、 g ， Pq v ， ， u 一3 6 0 0M 式中， 为燃气的相对分子质量；C o 与 ， 分别为小 孔模型与管道 ( 断裂 ) 模型泄漏点 的瞬间泄漏扩散浓 度 ，m o l m。 。 1 3 最大泄漏量的限制 燃气 在管道 内的最大流量是有 限制 的 ，一是受 管道前端调压器最大通 过能力 的限制 ，二是受管 内 临界流量 的限制 。因此 ，燃气管道的泄漏量并不一 定是上述模型计算的结果 ，而应将结果进行下列校 核。 1 )调压器最大通过能力的限制。城市燃气管

12、道 的流量和泄漏量都不能大于上游调压器的最大通过 能力g ，调压器出厂时通常都给出了在不同进V I 压力下的 一值，因此无论哪种模型的计算，实际 泄漏量都不应大于 一。 2 )管道燃气临界流量的限制。与泄漏孔处的绝 热流动相似 ，燃气管道流动也存在临界流量问题。 管道燃气临界体积流量为： o o S 。 ( ( 9 ) 天然气技术与经济 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第6 卷 周萍，等：燃气管道泄漏量计算 第 1 期 式中，q ， 为管道燃气的临界体积流量，m h 。 无论按照何种模型计算所得的体积流量都必须 为： 用临界流量来校核 ：若计算得到的泄漏体积

13、流量小 于临界流量 时 ，则计算 得到 的即为实 际泄漏 流量 ； 若计算得到的泄漏体积流量超过临界流量时，则实 际泄漏流量应不大于管道临界流量。 2 燃气管道泄漏量的简化估算公式 对城镇 天 然气 管道进 行泄 漏量 估算 公式 的简 化 ，取大气压力P =1 0 1 3 2 5 P a ，温度 T=2 8 3 K，天 然气等熵指数k =1 2 9 ，气体常数R= 5 1 8 J ( K) ，燃 气密 度P=0 7 3 k g m ，流量 系数仅=0 9 5 ， 运动黏度 =1 0 3 9 3 1 0 P a s ，无因次系数C=1 6 4 ， =0 2 mm。 将以上数据代入公式( 1 )

14、 、( 2 ) 得到燃气的临界 压 力 P 。 =0 1 8 5 MP a 。 根 据 城 镇 燃 气 设 计 规 范 G B 5 0 0 2 8 2 0 0 6 ，低压燃气管道的绝对压力小于P ； 中压及其 以上压力级制 的燃气管道 的绝对压力大于 P c O 1 )以小孔模型估算泄漏量时 ： 低压天然气管道 0 _ o o 5 8 p z () L 504 一 ( 752 ( 1 0 ) 中压及以上压力的天然气管道 g =0 0 0 0 3 7 2 d P 2 ( 1 1 ) 2 )以管道( 断裂) 模型估算泄漏量时 ，泄漏点上 迭代可求得质量流量 ，则燃气的体积泄漏量 q v=3 4 7

15、 3 6 8 q ( 1 6 ) gv = 4 7 3 6 8q 泄漏点浓度在瞬间突然升高时为 ： C o=1 3 1 9 41 0 g v ( 1 7 ) C0 =1 31 9 4 1 0 q v 管道燃气的临界流量 限制为 ： g v ， ， =8 5 7 8 7 4 7 D ( ：1 ) ( 1 8 ) =2 7 9 3 11 0 P D ( 凡=1 2 9 ) 3 燃气管道泄漏量演算 根据上述估算公式计算得出燃气管道泄漏量， 并用 临界流量限制对其进行校核 ，得到部分 中压天 然气管道 的泄漏量 ，将计算结果绘成图 ，方便根据 管道运行条件快速估算出泄漏量。 3 1 小孔模型 天然 气

16、管 道设 计压 力为 0 4 MP a ，在 0 4 8 MP a ( 绝对压力) 下运行时见图2 。 80 o 00 7 0 0 0 0 ： 6 0 0 0 0 n 昌 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 赡3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 lO 0 00 0 O 1 0 0 5 0 0 9 0 1 3 0 1 7 泄漏 口直径 m 游管道内燃气的质量流量为 ： 图2 小孔模型泄漏量曲线图 q = 000 1 45D (凡 = 1 ) ( 1 2 ) 3 2 管 道( 断 裂 ) 模 型 管 道( 断 裂 J 模 型 ： 0 0 0l 54 D2 竺 ： 竺 -0 2 2 5 面A

17、 L ， 5 l n i ) R = 7 08 7 0 u D A -o - 1 1 ( + 5 2 4 5 7 7 式 中，“ 为燃气在管道的流速 ，mS 。 52 N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y a n d E c o n o my ( n=1 2 9) ( 1 3) ( 1 4 ) ( 1 5 ) l _ 2 1 0 0 8 O 6 0 4 0 2蟥 0 1 ) 管 道人 口到 泄漏 点 的上游 长度 L=1 0 0 m、 L=5 0 0 m，凡 取 1 2 9 ，管道设计压力 为 0 4 MP a ，在 O 4 8 MP a ( 绝对压力

18、) 下运行时见图 3 。 2 )管道入 口到泄漏 口的上游 长度 L=l 0 0 0 m、 =2 0 0 0 m，n 取 1 ，管道设计压力为 0 4 M P a ，在 0 4 8 M P a ( 绝对压力) 下运行时见图4 。 由此可知： 小孔模型燃气的泄漏量和泄漏瞬 间提升 的浓度只与管 内流动 的燃气压力 和泄漏 口大 小有关 ，与管道的直径 和管道人 口到泄漏 口上游 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第3 l 期 天然气技术与经济 输送储存 2 0 1 2 正 3 5 0 0 0 0 3 0 00 0 0 ： 2 5 0 0 0 0 篷“- 2。O

19、O 。 。 。O OO 1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 5 0 0 o 0 删 1 0 o0 0 0 5 0 0 0 0 0 图 3 绝热过程泄漏量 曲线图 -泄漏 量 ( L = I O 0 0 m ) 泄漏 量 ( L ： 2 0 0 0 m ) 一瞬 间提 升浓度 ( L =1 O 0 0 m ) ， L瞬 间提 升浓 度 ( L = 2 O 0 0 m ) 0 2 0 3 0 4 0 5 管 道直 径 m 等温过程泄漏量曲线图 目 一 0 目 蠖 3 0 n 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5聪 0 长度没有关系

20、。 管道 ( 断裂 ) 模型燃气的泄漏量和 泄漏瞬 间提升的浓度与管道直径 、管 内流动的燃气 压力和管道入口到泄漏 口的上游长度都有关系，管 道人 口到泄漏 口的上游长度越小 ，泄漏量越大 ；长 度越大则泄漏量越小 。 小孔模型泄漏 口处管 内燃 气压力基本保持不变 ，管道( 断裂 ) 模 型泄漏 口处管 内燃气压力逐渐降低 。 4 结论 1 )燃气管道发生泄漏的过程非常复杂 ，通常很 难精确计算出泄漏量 ，但根据泄漏形式估算泄漏量 是有实际意义的。 2 )笔者分析的泄漏量估算值是假定燃气直接泄 漏至大气 中的 ，并未考虑事故发生 时环境状态 的影 响( 如风向及其大小) 。第三方破坏时燃气

21、管道通常 也不是完全暴露在空气 中的；埋地管道 由于泄漏 口 的周 围是土壤 ，存在较大 的阻力 。因此 ，燃气 管道 发生泄漏时的实际泄漏量将小于文中的估算泄漏量。 参考文献 1 J L Wo o d w a r d ，K S Mu d a n L i q u i d a n d g a s d i s c h a r g e r a t e s t h r o u g h h e l e s i n p r o c e s s v e s s e l s J L o s s P r e y i n P r o - c e s s I n d ，1 9 9 1 ，4 ( 4 ) ：1 6 1

22、 1 6 5 2 D A C r o w l ，J F L o u v a r C h e mi c a l P r o c e s s S a f e t y ： F u n d a me n t a l s w i t h A p p l i c a t i o n J J P r e n t i c e Ha U ， N J ， 1 9 9 0 ( 3 ) ：1 7 2 1 7 7 3 田贯三 管道燃气泄漏过程动态模拟的研究 J _ 山东建 筑工程学院学报 ，1 9 9 9 ，1 4 ( 4 ) ：5 6 6 0 4 黄小美 ，彭世尼 燃气管道泄漏流量的计算 J G A S HE A T

23、，2 0 0 8 ，2 8 ( 3 ) ：1 5 1 8 5 龙天渝，蔡增基 流体力学( 第 1 版) M 北京 ：中国建筑 工业 出版社 ，2 0 0 4 6 段常贵燃气输配( 第3 版) M 北京 ：中国建筑工业出 版社，2 0 0 1 7 严铭卿 燃气工程设计手册 M 北京 ：中国建筑工业出 版社，2 0 1 0 8 唐保金 ，田贯三 埋地燃气管道泄漏扩散模型 J G A S H E A T ，2 0 0 9 ，2 9 ( 5 ) ：1 3 4 1 3 7 9 邱信立 ，廉乐明，李力能 工程热力学 ( 第3 版 ) M 北 京 ：中国建筑工业出版社，1 9 9 2 ( 编辑：蒋龙 ) 四

24、川省省长蒋巨峰对中国石油在川企业 2 0 1 1 年工作作重要批示 2月9日，四川省省长蒋 巨峰对 中国石油川渝地 区石油企业协调组呈报 的 关于中国石油在川企 业2 0 1 1 年工作情况的汇报 作出重要批示，充分肯定中国石油在川企业为四川省经济社会发展作出 的积极贡献。蒋 巨峰批示道 ：中石油在川企业为我省2 0 1 1 年经济社会发展作 出了积极贡献。特别在 资源开发、油气保障等方面，做了大量艰苦细致、卓有成效的工作。希望继续在加强勘探、加快开 发 、多方组织油气资源上下功夫 ，进一步增强油气生产和供应能力，努 力确保 民生和重点项 目的油 气需要 ，为我省经济发展、民生改善和社会和谐作 出更大贡献。 ( 资料来源：中国石油西南油气田公司网) 天然气技术与经济 53 4 图 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m