（油气储运工程专业论文）天然气管道泄漏气云的爆炸危害研究.pdf

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日期易b ，。年r 月歹口日 摘要 随着高压长输天然气管道的广泛应用，管道发生泄漏后发生爆炸的事故也时有发 生，这种爆炸事故不仅对周围的环境造成重大的伤害，从而带来巨大的经济损失，而且 还会造成重大的人员伤亡，所以对长输天然气管线泄漏气云进行爆炸危害研究，确定危 害的范围，从而最大程度的减小人员伤害和经济损失，保障人生财产安全显得尤为重要。 本文采用合适的计算模型，对长输天然气管道泄漏气云的爆炸危害进行了研究和分 析，主要包括以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 利用仿真软件在一定假设的基础上搭建了输气管线稳态泄漏和非稳态泄漏的 仿真模型。这种模型可以直观清楚的看出管线的布置情况，并且较为简单的解决了泄漏 模型的选取问题和泄漏计算过程。 ( 2 ) 推导了长输天然气管道发生泄漏后，泄漏孔直径的计算公式。 ( 3 ) 在气体动力学和爆炸力学的基础上，利用能量均匀加入法和人工粘性法计算 了开敝空间的爆炸冲击波，并在此基础上利用冲击波的正反射作用推导了外界存在约束 时，爆炸冲击波的计算公式，然后选用了合适的破坏准则，确定了冲击波的危害范围， 最后分析了各个初始参数对冲击波危害范围的影响。 ( 4 ) 推导了爆炸火球的热辐射伤害距离的计算公式，给出了有风条件下射流火焰 热辐射的伤害半径的计算公式。最后分析了各个初始参数对爆炸火球和射流火焰产生的 热辐射危害范围的影响。 ( 5 ) 通过工程实例对以上的计算求解方法进行了校核。 ( 6 ) 编写了名为e h a s ( e x p l o s i o nh a z a r d s a n a l y s i ss y s t e m ) 的计算程序。 关键字：天然气管道，泄漏气云，爆炸，冲击波，热辐射 l e a k i n g n a t u r a lg a sc l o u d sa n di t s d a m a g es c o p ei no r d e rt op r o v i d ee v i d e n c e st ot a k e m e a s u r e st oc o n t r o la n dl e s s e nt h ed a m a g e r e a s o n a b l em o d e l sa r ee m p l o y e dt or e s e a r c ho nt h ee x p l o s i o no fn a t u r a lg a si nt h i s p a p e r , t h ew o r km a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) n u m e r i c a lm o d e l so nt h es t e a d yl e a k a g ea n dt h et m s t e a d yl e a k a g ef o rn a t u r a lg a sa r e e s t a b l i s h e du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eu n d e rs o m ea s s u m p t i o n s f r o mt h em o d e l s ，t h ep i p e a r r a n g e m e n tc a nb ee x p r e s s e di n t u i t i v e l ya n dt h ep r o b l e mh o wt oc h o o s et h el e a k a g em o d e l a n dh o wt oc a l c u l a t et h el e a k a g ep r o c e s sa l es o l v e di na s i m p l ew a y ( 2 ) t h ef o r m u l at oc a l c u l a t et h el e a k a g ed i a m e t e ra f t e rt h ep i p eb e g i n st ol e a ki s d e d u c e d ( 3 ) b a s e do nt h ea e r o d y n a m i c sa n de x p l o s i o nm e c h a n i s m ，e n e r g ya v e r a g e da d d i n g m e t h o da n da r t i f i c i a lv i s c o s i t ym e t h o da r ee s t a b l i s h e dt oc a p t u r et h es h o c kw a v ei naf r e e d o m a i n f u r t h e rm o r e ，t h ef o r m u l at oc a l c u l a t es h o c kw a v eu n d e rt h ec o n s t r a i n e dc o n d i t i o ni s d e d u c e da c c o r d i n gt ot h er e f l e c t i o np r i n c i p l e u p o nt h ea b o v e m e n t i o n e df o u n d a t i o n s ，t h e d a m a g es c o p ei se v a l u a t e dd e p e n d i n go nar e a s o n a b l ed e s t r u c t i o ng u i d e l i n ea n dr e l e v a n t p a r a m e t e r so nt h ee f f e c to ft h ed a m a g es c o p ea r ea n a l y z e d ( 4 ) f o r m u l a st oc a l c u l a t et h ed i s t a n c eo fh e a tr a d i a t i o ni n d u c e db yt h ee x p l o s i o nf i r e b a l l a n dt h ed a m a g er a d i u so ft h ej e tf l a m eu n d e rt h e w i n d i n gc o n d i t i o na r ee s t a b l i s h e d e v e n t u a l l y , i n i t i a lp a r a m e t e r so nt h ee f f e c to ft h ee x p l o s i o nf i r e b a l la n dj e tf l a m ea r e a n a l y z e d i i i 1 1 ：! ：! ：! 3 1 3 1 气云爆炸的基本形式3 1 - 3 2 气云爆炸破坏准则4 1 3 3 影响气云爆炸的因素5 1 3 4 气云爆炸的研究方法6 1 4 本文的主要研究内容7 第二章气体泄漏量的计算9 2 1 前言9 2 2 泄漏量的求解9 2 2 1 模型的建立9 2 2 2 计算结果的分析一1 1 2 3 泄漏孔径的求解15 2 4 j 、结1 8 第三章气云爆炸产生冲击波的危害研究2 0 3 1 引言2 0 3 2 开敞空间的冲击波计算2 0 3 2 1 有限差分方法。2 0 3 2 2 爆炸基本方程组2 1 3 2 3 有限差分数值计算2 7 3 3 存在外界约束的冲击波的计算3 0 3 4 冲击波的伤害范围3 2 3 4 1 对人员的伤害一3 2 3 4 2 对建筑物的伤害3 2 3 5 冲击波伤害范围计算结果分析3 3 3 5 1 开敞空间冲击波的伤害范围分析3 3 3 5 2 有外界约束的冲击波的伤害范围分析一3 5 ：；7 ：；8 3 8 ：；8 ：；8 4 0 4 1 4 3 1 射流火焰辐射热的计算4 l 4 3 2 射流火焰热伤害距离的计算4 4 4 4 热辐射的伤害范围计算结果分析4 6 4 4 1 爆炸火球伤害分析4 6 4 4 2 射流火焰伤害分析4 8 4 5 以、结5 0 第五章可燃气云爆炸危害的工程实例校核5 1 5 1 爆炸冲击波的危害校核5 l 5 2 爆炸热辐射的危害校核5 4 5 3 小结5 5 第六章可燃气云爆炸危害预测程序的开发5 7 6 1 前言5 7 6 2e h a s 程序的环境支持5 7 6 3e h a s 程序的主要功能模块。5 7 6 3 1 气体泄漏率的计算模块5 8 6 3 2 爆炸冲击波伤害区域的计算模块5 9 6 3 3 爆炸热辐射伤害区域的计算模块一6 2 6 4d 、结6 4 结论6 5 参考文献6 7 致谢71 需 由于天然气的主要成分是甲烷属于易燃易爆气体，当管道中的天然气泄漏到大气空间中 时，就会形成可燃气云，这种可燃气云如果被意外地点燃，就可能形成大范围的气相爆 炸，而这类可燃性气体爆炸往往会对人员、周围建筑物造成巨大的伤害。 特别是在国内，1 9 7 1 - 1 9 9 0 年间，在四川省内的天然气管道上共发生了1 0 8 次爆炸 事故f 。近几年这类事故更是屡见不鲜【2 】，如2 0 0 6 年1 月2 0 日，四川仁寿县富加镇一 一天然气管道发生爆炸；2 0 0 8 年1 2 月8 日凌晨，浙江省宁波市江北区天然气管道 发生爆炸起火。 因此，模拟分析天然气管道发生泄漏后形成爆炸的灾害过程，预测爆炸冲击波及辐 射热的威力，确定此类灾害事故的影响区域，划定安全范围。最大程度的减小由于爆炸 造成的人员伤害和经济损失，从而预防与控制此类事故，保证输气管道安全运营、保障 人生财产安全具有重大的意义和科研价值。 国内外对于可燃气云爆炸的研究也已经有了初步的进展，如国外现已经开发了 e x s i m ，f l a s s 和a u t o r e a g a s 等软件来模拟计算爆炸的冲击波；在二十世纪九十年代 初期，欧洲建立了气体爆炸模拟与实验研究项目( m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i n t og a s ，简称m e r g e ) ，由七个著名研究机构组成联合体从事这项工作。俄国的国家 防火科学研究中心也从事这方面的研究工作。 我国这方面的研究工作起步较晚，研究单位主要有中国科学院、大连理工大学、北 京理工大学、南京理工大学、南京化工大学、四川大学、华南理工大学、中国矿业大学 等。但他们基本上是研究可燃气体的爆轰过程，较少涉及爆燃过程。近年来我国对此项 工作高度重视，经费投入较大，使该技术有了迅速发展。 第一章前言 1 2 爆炸的理论研究 1 2 1 爆炸的基本概念 所谓爆炸，是物质从一种状态迅速地转变为另一种状态，并在瞬间释放出巨大的能 量同时产生巨大的声响的现象。在此过程中，物系的体积在极短时间内急剧膨胀而对外 界做功，形成冲击波，从而对人员和周围建筑物造成很大的伤害。 根据爆源和传播介质的状况可以将爆炸场分为理想爆源爆炸场和非理想爆源爆炸 场。理想爆源有如下的特点：能量瞬间释放；爆源的体积很小，能量密度大；爆源区压 力高。其典型的爆炸波形如图1 1 a 。对不符合理想爆源特点的爆炸爆源，称非理想爆源。 其典型的爆炸波形如图1 1 b 所示。在实际的爆炸现象中，核爆炸和高能固体炸药的爆 炸属于理想爆源爆炸。而对于可燃性气体或粉尘爆炸、锅炉爆炸、及某些化学物质的爆 炸等实际发生的大部分事故性爆炸过程，其爆源都属于非理想爆源。 = 、 出 曩 2 生 譬么 - - 4 a 理想爆源b 非理想爆源 ai d e a le x p l o s i o ns o u r c ebn o n - i d e a le x p l o s i o ns o u r c e 图1 - 1 爆炸特征曲线3 j f i g l - ie x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 1 2 2 爆炸的破坏形式 当发生爆炸的时候，常常伴随有压力升高、发光、发热、巨大声响等现象，会对附 近的建筑物、设备和人员等造成很大的破坏作用。其破坏作用与爆源的总能量、爆源的 尺寸和几何形状、爆炸时的条件、以及爆炸位置等因素有关。 主要的破坏形式h 6 1 有以下几种： ( 1 ) 冲击波：当发生爆炸时，产生的爆炸冲击波是最主要的破坏形式。从图1 1 中可以看出，爆炸冲击波最初是正向爆炸波，而后是负向爆炸波，随着时间的推移，冲 击波不断的衰减。 冲击波【7 8 1 是由压缩波迭加形成的。从爆心以较高的速度向四面八方传播，在传播 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 过程中压力、密度、温度等发生突跃变化。冲击波的速度与爆炸物的性质、数量和起爆 方式有很大的关系。我们把介质状态参数发生突跃变化的强间断面，称为冲击波阵面。 冲击波的速度相对于冲击波阵面前的介质是超音速的，而相对于冲击波阵面后的介质是 亚音速的。冲击波的破坏作用是由冲击波的超压引起的。 ( 2 ) 造成火灾：爆炸和燃烧关系十分密切，气体爆炸产生的余热会使可燃气体燃 烧从而造成火灾。 ( 3 ) 破片伤害：爆炸产生的冲击波会使周围的建筑物、机械设备等各种物体破坏 后产生许多破片，具有一定初始速度的破片能够在空中飞行很远的距离，并能伤害飞行 中遇到的目标。 ( 4 ) 震荡作用：由于爆炸冲击波的作用，在爆炸破坏作用范围内，有一个能使物 体震荡的力量。 1 - 3 可燃气云的爆炸研究 1 3 1 气云爆炸的基本形式 根据爆炸波的传播速度，将可燃性气体的爆炸模式大致分成以下四种：定压燃烧、 爆燃、定容爆炸、爆轰。 定压燃烧是没有约束的燃烧。其在燃烧过程中，压力不会增长始终保持不变。所以 很难产生压力波，从而由于超压引起的对于外界的伤害是很小的。 乞，戌，岛 吻，c 2 ，疋 q ，p l ，届 u ic l ，五 e o ，扁，岛 ，龟，磊 火焰阵面( 爆燃波阵面)前驱冲击波阵面 图2 - 2 爆燃波的两波三区结构 f i 9 2 - 2 t w ow a v e sa n dt h r e ea r e ao fd e f l a g r a t i o nw a v e 爆燃是一种带有压力波的燃烧。在气体的燃烧过程中，当燃烧阵面后边界有约束或 障碍时，火焰就会加速，从而形成了以当地的音速向前传播的压力波。这个压力波传播 速度比火焰阵面要快( 火焰阵面以亚音速传播，压力波以音速传播) ，叫前驱冲击波。 所以，爆燃是由前驱压力波和后随的燃烧阵面构成。从而形成了如图1 2 所示的两波三 区结构【9 1 。 3 第一章前言 可燃气体在一定容积的容器内局部点火发生的燃烧过程叫做定容燃烧。在这种爆炸 过程中，容器内的压力随着燃烧的进行是逐渐增大的，而容器体积和密度是不变的。 当爆燃中的火焰阵面受到的约束或者干扰变强时，爆燃就会变为爆轰【1 0 1 。此时冲击 波的传播速度已经变为超音速，而且冲击波阵面两侧的压力和密度是突跃变化的。 、 1 3 2 气云爆炸破坏准则 从前面分析得知，当气云发生爆炸时对外界的破坏形式主要有冲击波、火灾、破片 伤害和震荡作用。在这里主要从冲击波和热辐射两个方面总结气云爆炸的破坏准则。 一、冲击波的破坏准则： ( 1 ) 超压准则 这一准则认为只有当冲击波的超压等于或者大于某一临界值时，才会对目标产生破 坏作用。超压准则只考虑了超压峰值的影响，而忽略了超压持续时间的影响。所以超压 准则不是对于所有的爆炸情况都是适用的。它主要适用于凝聚炸药点源爆炸的特定情 况。 ( 2 ) 冲量准则 人们在超压准则的基础上在考虑超压峰值的同时也考虑了超压作用时间和波形的 影响提出y ；c - m 准n 。冲量的定义为【1 1 】：f = 【+ p a t ，其中f + 为正压区作用时间。这一 准则比超压准则更加全面，但是时间表明如果超压低于某一个值，作用时间再长也不会 对外界造成伤害，当冲击波的波形不同时，即使冲量值相同，破坏作用也是不同的。 ( 3 ) 压力冲量准则 这一准则是由美国海军武器实验室( n o l ) 和弹道研究实验室( a r l ) 在二十世纪七十 年代通过大量实验和理论研究形成的。该准则认为爆炸冲击波对外界的伤害效应是由超 压和冲量共同决定的，超压准则和冲量准则只是它的特殊情况。 二、热辐射的破坏准则【1 2 】 ( 1 ) 热通量准则 热通量准则认为目标能否被伤害是由热通量这一个参数决定的。只有当目标接收到 的热通量大于或者等于引起目标伤害所需的临界热通量时，目标才被伤害。有文献指出， 在稳态火灾的作用下，由于作用于目标的热通量持续时间比目标达到热平衡的时间长， 可以采用热通量准则。 ( 2 ) 热剂量准则 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 热剂量准则认为目标能否被伤害是由热剂量这一个参数决定的。只有当目标接受的 热剂量大于或者等于目标伤害的临界热剂量时，目标才会被伤害。有文献指出，在瞬态 火灾条件下，由于热通量作用的时间比目标达到热平衡的时间短以至目标接收到的热量 来不及散失，可以采用热剂量准则【1 3 】。 ( 3 ) 热通量热剂量准则 热通量热剂量准则认为，目标能否被伤害或者伤害的程度是由热通量和热剂量两 个参数共同决定的。热通量准则和热剂量准则只是热通量热剂量准则一种特殊情况， 所以当热通量准则或者热剂量准则不再适用时，就应该使用热通量热剂量准则。 1 3 3 影响气云爆炸的因素 ( 1 ) 可燃气体的性质 可燃气体的性质( 如分子结构和反应能力) 会影响到爆炸极限和爆炸超压，从而影 响爆炸出现的可能性以及爆炸产生的后果 1 4 1 6 1 。 对于碳氢化合物，碳链越稳定爆炸上、下限范围小；对同一烃类化合物碳原子个数 越多，爆炸极限范围越小；导热系数越大爆炸极限范围就越大；气体反应活性越强，气 体爆炸产生的火焰速度和超压越大，产生爆轰的可能性也越大。 ( 2 ) 可燃气体的纯度 可燃气体的纯度主要是影响其爆炸极限。当可燃气体中含有惰性气体时，爆炸极限 的范围会缩小1 1 7 】，即使爆炸下限上升，上限下降，而且研究表明惰性气体对上限的影响 比对下限的影响更为显著。混合物中所含惰性气体量越大，爆炸极限的范围则越小。 ( 3 ) 可燃气体的含量 可燃气体的含量只有在爆炸极限范围之内时，点火才能发生燃烧爆炸。每种气云都 有自己的最危险质量分数【1 8 l ，在最危险质量分数时，爆炸超压最大；而随着质量分数偏 离最危险质量分数，爆炸超压减小，破坏能力随之降低。 ( 4 ) 气云的均匀程度 气云的均匀程度主要影响到爆炸极限范围的大小，气云均匀程度越高爆炸极限范围 越大。一般说来，非均匀气云爆炸产生的超压小于均匀气云爆炸产生的超压【1 9 1 。 ( 5 ) 点火源的性质 改变点火源的性质，如改变点火源的能量或改变点火源的表面积，都会改变爆炸的 范围。实验表明点火源能量增加，爆炸范围增大【1 4 】。而且点火源的性质还会影响到气云 第一章前言 爆炸的形式，如果是弱点火源，会发生爆燃，点火能量对气云爆炸威力的影响很小【1 9 、2 0 l ， 但是，若是强的点火源，则会直接发生爆轰。 ( 6 ) 气云所受的外界约束 当气云边界没有约束时，气云被弱点火源点燃后发生的爆燃，只会产生较小的超压。 如果气云外界存在约束时，则爆炸就会产生较大的超压。这主要是因为外界约束的存在 会使火焰的传播速度加速，从而使得燃烧更加剧烈，所以爆炸超压增加【2 1 2 5 1 。 ( 7 ) 外界大气环境 天然气与空气混合物初始温度和初始压力对爆炸极限有很大的影响。其中初始温度 越高【2 6 】，爆炸极限的范围越大。所以，温度升高时天然气与空气混合物混合气体的爆炸 危险性增大。初始压力对爆炸极限的影响比较复杂，一般情况下，压力增大，燃烧范围 和爆炸极限范围扩大；压力降低，燃烧范围和爆炸极限范围缩小。而且压力对爆炸上限 的影响较为显著，而对下限影响较小。 1 3 4 气云爆炸的研究方法 ( 1 ) 实验研究 对于气云爆炸的实验研究，一般都是小尺寸气云的爆炸实验，如大连理工大学和河 北工业大学等都做了小规模的气云爆炸的实验1 2 7 2 9 1 。对于大尺寸的气云一般都是采用缩 放实验的方法。这主要是因为进行大量大规模的实验耗费巨大的资金和人力，并且危险 性特别高。进行缩放实验的目的是用较小尺寸的实验结果来预测大尺寸气云爆炸的危害 结果；原理是利用相似性，即保持r e 和k a r l o w i t a 不变3 0 3 1 1 。 ( 2 ) 理论研究 目前，预测或评估气云爆炸效应的理论方法主要有：t n t 当量法、自相似方法、球 形和半球形的一维数值模型、数值模拟方法。 t n t 当量法【3 2 、3 3 1 是一种重要的经验方法，其原理是：根据能量相当的原则，将气 云爆炸的破坏作用转化成t n t 爆炸的破坏作用。t n t 当量法的最大优点是简便易用， 但是由于此方法是采用的理想气源爆炸，结果误差较大。所以，人们现在普遍认识到 t n t 当量法不宜用于评估气云爆炸效应。 自相似方法是主要的理论方法。在此方法中假设在气体运动的过程中，波形剖面上 的各个气体动力学的参量随着时间的增加仍保持与自身相似。其中理想爆源的自相似方 法( 假设火焰和压力波的传播速度是不变的，) 是由t a y l o r t 3 4 1 等提出的；二十世纪七十 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 年代初，美国的k u h l 3 5 】等在理想爆源的自相似方法的基础上提出了研究气体爆炸过程 的k u h l 自相似理论( 假设压力波阵面前气体介质和火焰面后燃烧产物都处于静止状态) 。 显然，自相似方法仅适用于火焰稳定传播的情况，这与通常的实际情况差距较大。 二十世纪七十年代末，s t r e h o l w l 3 6 】等人发展了球形和半球形的一维数值方法；荷兰 t n o 实验型3 7 】在八十年代初，提出t n o 模型，该模型给出了爆炸超压和压力正相作用 时间与距爆心距离的关系；v a n d e n b e r g t 3 8 , 3 9 等在1 9 8 5 年在t n o 模型的基础上提出了多 能模型，该方法以半球形气云为模型，假设火焰传播速度不变，而且从球心开始点火， 考虑了湍流、约束等问题获得了一组爆炸强度曲线。虽然球形和半球形的一维数值模型 较自相似模型已有很大的改善，但是，该模型失于笼统，可操作性不强，所以该模型仍 有待于进一步完善。 所谓数值模拟方法又称为计算流体力学方法( c f d 方法) 。该方法是利用气体动力 学方程、湍流方程、燃烧方程来共同描述气云的爆炸过程，然后对这些方程进行假设， 再利用有限元法或有限差分法进行求解，最后用图形加以表达，以此模拟实际的爆炸情 况。所以利用此方法可以细致的模拟气云爆炸和冲击波传播的全过程。然而，c f d 方法 在模拟气云爆炸方面存在很多缺点m 4 2 】，如设置离散格式的边界条件和初始条件需要技 巧，网格划分时既要保证网格的计算精度又要保证网格的收敛性等等。 总之，t n t 当量法优点是比较简单，使用方便。其缺点是可信度太低；自相似方法 只适用于极低火焰速度到c j 爆燃的范围；球形和半球形一维数值模型：s t r e h o l w 等人 将自相似方法的适用范围扩大到高速爆燃甚至爆轰；t n o 模型适用简单，但与实际有 较大差距；多能模型整体上提出了一个分析气云爆炸的原则、方法，但是失于笼统；c f d 方法模拟爆炸过程的细节具有较高的可信度；其使用受到以下几方面的限制：设置初始 条件和边界条件需要一定的技巧；参数选区的不确定性；计算机性能等等。 1 4 本文的主要研究内容 国内外对于天然气管道泄漏气云爆炸危害的研究现在还处在比较基础的阶段，特别 是国内，虽然已经有了很多的研究，但是研究成果还没有在现实的天然气管线中得到应 用。本课题是浙江省重大科技专项基于g i s 的天然气长输管道事故应急救援指挥 辅助决策系统的部分内容，主要是针对浙江省长距离输气管道，通过对现有研究方法 的分析和对比，选择合适的软件和建立合适的模型，进行了天然气的管道泄漏率的模拟 计算；通过对现有模型的研究和修正，进行了天然气泄漏气云爆炸危害的计算和分析。 7 第一章前言 本论文的研究成果在理论上为进一步研究可燃气云爆炸提供参考依据，在工程实践上可 以为我国长距离输气管线爆炸危害的管理提供技术指导。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 本文利用流体计算软件，建立合适的泄漏模型，并对天然气稳态和非稳态泄 漏进行模拟计算。 ( 2 ) 本文把天然气管道泄漏气云简化为球形气云，从而建立一维球对称爆炸模型， 利用有限差分方法编写了开敞空间冲击波的计算程序，并在此基础上利用冲击波的正反 射原理编写外界存在约束条件下产生的冲击波的计算程序，最后选择超压破坏准则对其 破坏的范围进行划分，并对其进行工程实例上的校核。 ( 3 ) 分析热辐射伤害模型：爆炸火球和射流火焰模型。根据蒸气云爆炸的特性， 选择r o b e r t s 模型，通过简化推导爆炸火球热辐射伤害范围的计算公式；通过选用 c h a m b e r l a i n 模型计算射流火焰热辐射的伤害范围，最后对热辐射产生的伤害进行工程 实例上的校核。 ( 4 ) 在上述理论分析和计算的基础上，本文利用v b 语言编制可燃气云爆炸危害 预测程序。 8 首先必须 利亚学者 压输气管 线发生断裂时的气体泄漏率进行了计算【4 3 删；美国工程院院士l e v e n s p i e l 提出了高压输 气管线发生全截面断裂时气体泄漏率的计算模型【4 5 】；西安交通大学的董玉华和西安石油 大学的王大庆等人在总结前人研究的基础上提出了一种计算稳态泄漏过程( 即泄漏率不 随时间而改变) 的简化模型，而且还对输气管道的非稳态泄漏过程进行了初步研究f 4 6 5 1 1 。 虽然这些文献对输气管道的孔隙泄漏( 泄漏孔直径不超过2 0 m m ) 、大孔泄漏( 泄漏孔 直径大于2 0 m m ，小于管道直径) 、管线全面断裂泄漏进行了研究，但是这些计算模型 和计算过程都较为复杂，而且没有涉及到泄漏孔直径的求解，所以本文基于上述文献采 用仿真软件来计算输气管线发生泄漏时的泄漏率，并在此基础上利用流体运动方程推到 了计算泄漏孔直径的公式。 2 2 泄漏量的求解 对于气体在管内的流动过程可以按照管道的绝热情况分为绝热流动和等温流动两 个过程，对于实际气体在管线内的流动过程既不是绝热流动也不是等温流动，而是介于 这两者之间的流动过程。但是，对于高压长距离输气管线来说，气体的流动可以简化为 等温流动或者是绝热流动，而且研究表明这两种流动过程描述气体运动过程结果是相似 的。所以本文在采用仿真软件进行仿真计算时采用如下假设：( 1 ) 气体在管内流动为一 维流动；( 2 ) 气体在管内流动过程为绝热流动过程；( 3 ) 气体在泄漏口处的流动近似为 等熵流动；( 4 ) 忽略阀门等附件的局部阻力。 2 2 1 模型的建立 利用仿真软件搭建输气管道发生泄漏的仿真模型，假设管道内的气体都通过泄漏 孔，其稳态泄漏和非稳态泄漏过程的仿真模型如图2 1 和图2 2 所示： 9 第二章气体泄漏量的计算 36 羹 叫乙加 图2 - 1 气体稳态泄漏的仿真模型 f i 9 2 1 s i m u l a t i o nm o d e lf o rs t e a d yg a sr e l e a s e 元气件1 ：管线的初始压力源； 元气件2 ：泄漏孔前的管线； 元气件3 ：9 0 。接头； 元气件4 ：压力损失元件； 元气件5 ：大气的压力源； 元气件6 ：流量为0 的流量源。 图中2 1 元件3 代表的是泄漏孔处的位置，由于这泄漏孔处有一个突缩和突扩的问题， 所以加上元件4 来模拟压力的损失问题；元气件6 表示管道内的气体都通过泄漏孔。 8 禺 叫 回 | 厂l j 回。囟 ，一j 3 5_ s 9，一- ro 西一言里；也牟 图2 - 2 气体非稳态泄漏的仿真模型 f j 9 2 - 2 s i m u l a t i o nm o d e lf o ru n s t e a d yg a sr e l e a s e 元气件l ：管线的初始压力源；元气件2 ：从起点到距离泄漏孔最近阀门的管线 元气件3 ：控制球阀； 元气件4 ：阀门开度控制器： 元气件5 ：最近阀门到泄漏孔的管线；元气件6 ：9 0 。接头； 元气件7 ：压力损失元件； 元气件8 ：大气的压力源； l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 元气件9 ：流量为0 的流量源。 2 2 2 计算结果的分析 在本节中，利用上一节建立的稳态泄漏和非稳态泄漏的仿真模型结合具体的实例进 行模拟计算，并对模拟计算的结果进行分析。 某天然气输送管线全长3 0 0 k m ，管线直径d o = 7 0 0 m m ，管内起点压力p 1 = 7 m p a ， 管内气体温度t 1 = 3 0 0 k ，管壁的绝对粗糙度e = 0 0 3 m m 。 1 、稳态泄漏计算结果的分析 假设气体泄漏率始终小于管道允许的最大泄漏率，通过前面建立的图2 1 所示的稳 态泄漏仿真模型计算当天然气管线发生泄漏时不同情况下的气体的泄漏率。 图2 3 为l 1 = 1 5 0 k m 时，计算的不同初始压力下的气体泄漏率随泄漏孔直径的变化 规律。 鼍 l 秽 瓣 赡 裂 蝗 旷 图2 - 3 不同起始压力下的气体泄漏率与泄漏孔直径的关系曲线 f i 9 2 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l e a s er a t ea n dh o l ed i a m e t e rw i t hd i f f e r e n tp r e s s u r e 从图2 3 可以看出，当起始压力尸l 相同时，随着泄漏孔直径的不断增大，气体泄漏 率是不断增大的，而且开始增加的比较快，后来比较慢；当起始压力大于4 m p a 时，气 体泄漏率随着泄漏孔直径一直是增大的，这说明此时，在泄漏孔直径从0 到管道直径的 变化过程中，管内气体一直是亚临界流动，而孔口气体一直是临界流动。当起始压力等 于或小于4 m p a 时，气体泄漏率开始时随着泄漏直径的增大而增大，当达到一定值时， 就不在增大，通过计算得知此时的泄漏孔直径为0 6 m ，这说明此时，在泄漏孔径从o 到0 6 m 变化过程中，管内气体一直是亚流动，孔口气体一直是临界流动，当泄漏孔直 径大于0 6 m 时，孔口气体就变成了亚临界流动。从图中还可以看出，同一泄漏孔直径 第二章气体泄漏量的计算 下的气体泄漏率是随着起始压力尸l 的增大而逐渐增大的。此图形的变化规律与西安石 油大学和西安交通大学的研究结果是一致的，这充分说明了采用软件进行仿真模拟的合 理性。 图2 - 4 为管内起始压力为5 m p a 时，泄漏孔距离起始点的距离三l 不同时，气体泄漏 率随泄漏孔直径的变化规律。 釜 矽 褥 嘿 裂 捡 圹 泄漏孔直径m 图2 - 4 泄漏孔距离起点的距离不同时气体泄漏率与泄漏孔直径的关系曲线 f i 9 2 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l e a s er a t ea n dh o l ed i a m e t e rw i t hd i f f e r e n tl e n g t h 从图2 4 可以看出，因为管内初始压力尸1 为5 m p a ，所以随着泄漏孔直径的变大， 无论1 多大，泄漏率都是越来越大，而且开始的时候随泄漏孔直径增长的很快，后来越 来越慢，这主要是由泄漏孔处管道内的压力会越来越小造成的。还可以看出泄漏孔距离 起点距离上l 越远，泄漏率越小，这主要是由于1 越大，由于管道内壁摩擦造成的气体 压降越大。并且随着泄漏孔直径的越来越大，同一1 下的气体泄漏率越来越接近。此图 形的变化规律与西安石油大学和西安交通大学的研究结果是一致的，这也充分说明了采 用软件进行仿真模拟的合理性。 图2 5 为当起始压力p 1 - - 4 m p a ，l 1 = 1 5 0 k m 时，泄漏孔下面管内处的压力随泄漏直 径的变化规律。 从图2 - 5 可以看出，此处的压力是随着泄漏孔直径的增大而逐渐减小的。此图形的 变化规律和西安交通大学的研究结果是一致的，这同样说明了采用软件进行仿真模拟的 合理性。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 = 登 穴 出 翟 地 泄漏孔直径d o ，m 图2 - 5 泄漏孔直径与管内压力p 2 的关系曲线 f i 9 2 5 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh o l ed i a m e t e ra n dp r e s s u r ep 2 2 、非稳态泄漏计算结果的分析 由于在现实的气体泄漏过程中，应该是非稳态泄漏，上述的分析只是针对了稳态泄 漏的情况，所以在这里利用图2 2 所示的仿真模型对非稳态泄漏进行模拟计算和分析。 在进行非稳态泄漏仿真计算时，要考虑到时间步长的选取，在这里要满足以下约束条件： 上 3 0 2 ( 2 - 1 ) 口， 式中： ，管线的长度，m 。 a 气体声速，m s ； 出时间步长，s 。 图2 - 6 为当阀门关闭后，气体泄漏率随时间的变化。在此图中，假定距离泄漏孔最 近的两个阀门之间的距离为2 0 k m 。阀门刚刚关闭时刻取为0 时刻，起点距离泄漏孔处 的距离为1 5 0 k m ，泄漏孔直径为0 1 m 。图2 7 为当阀门关闭后，气体泄漏孔处管内压力 p 2 随时间的变化。 从图2 - 6 中可以看出，当阀门关闭后气体泄漏率开始下降，开始时刻减小的比较快， 接着变化越来越慢，在时间2 7 3 0 0 s 以后，气体泄漏率变为o ，这表示孔口处的气体泄漏 已经由临界泄漏过渡为亚临界泄漏。 从图2 7 中可以看出，当阀门关闭后气体泄漏孔处管内的压力开始下降，开始时刻 减小的比较快，接着变化越来越慢，在时间2 7 3 0 0 s 以后，达到临界压力，从而孔口处 的泄漏由临界流转变成为非临界流。 泄漏率和管内气体压力 o 5 , 0 0 01 0 ，0 0 01 5 ，0 0 02 0 , 0 0 02 5 ，0 0 03 0 , 0 0 0 泄漏时间t s 图2 - 6 阀门关闭后气体泄漏率随时间的变化 f i 9 2 - 6r e l e a s er a t ec h a n g i n gw i t ht i m ea f t e rt h ev a l v ec l o s e d 5 0 葛4 0 d h 祟3 0 幽 霍2 0 鼬 l o o 0 5 , 0 0 01 0 ，0 0 01 5 ，0 0 02 0 , 0 0 02 5 ，0 0 03 0 , 0 0 0 泄漏时间t s 图2 7 阀门关闭后管内压力随时间的变化 f i 9 2 - 7 p r e s s u r ec h a n g i n gw i t ht i m ea f t e rt h ev a l v ec l o s e d 假设阀门在泄漏3 0 m i n 后关闭，图2 8 和图2 - 9 分别为临界流阶段的气体泄漏质量 与整个过程中泄漏的质量之比和临界流阶段的平均泄漏率与稳态泄漏率之比随起始压 力的变化。 从图2 8 中可以看出，临界泄漏阶段泄漏的气体质量与整个过程泄漏气体的质量的 比值都比较接近l ，而且随着管内起始压力的增大而逐渐增大的，开始增长的比较快， 后来逐渐趋于平缓。从图中还可以看出当起始压力大于2 5 m p a 时，该比值大于0 9 。因 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此，可以理解为泄漏的气体几乎全部是在临界流阶段泄漏出去的。所以整个泄漏过程的 平均泄漏率可以用临界泄漏阶段的平均泄漏率来代替。 零 蔓 n 删