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1、·44·化工设备与管道第40卷天然气输送管道破裂泄漏量计算蔺跃武刘典明(胜利油田兴达石油科工贸有限责任公司,东营257068)摘要天然气输送管道泄漏量的计算,是一个比较复杂的问题。现有的计算模型只能考虑小孔泄漏和管道完全破裂泄漏这两种极端情况。本文借助于流体力学和热力学理论,从质量守恒、动量守恒、能量守恒以及状态方程等四方面入手,建立一种能够将现有的“小孔模型”和“管道模型”关联起来的普遍化计算模型。本模型是对现有计算模型的完善与补充。关键词天然气管道破裂泄漏量计算1引言用下标1表示分配点管内的参数,下标2、3和a分天
2、然气是清洁的燃料,也是重要的化工原料。天别表示管道破裂处管道内、泄漏口和环境参数。然气的有效利用首先要解决的问题是天然气的输送,天然气的输送主要依靠管道系统,这个管道系统往往在人口密集区域(如城市)。由于挖掘施工等造成天然气管道破裂,导致天然气泄漏,会造成严重的环境污染,甚至酿成恶性爆炸事故。天然气输送管道破裂泄漏量的计算,是安全设计和事故分析的重要依据。天然气管道破裂泄漏量的计算,是一个较复杂的问题,目前有两种计算模型,一是将泄漏口看成是一个足够小的孔,将管道看成是一个有足够大容积的容器,因而泄漏口的压力不受管路流动
3、的影响而假定:①管道内的流动为绝热流动(忽略与管道[1]的热交换保持恒定,这就是所谓的“小孔模型”。另一种是所);②泄漏口的流动为等熵流动;③管道内[2]的天然气服从理想气体行为谓的“管道模型”,即将泄漏口与管道的流通面积(在中、低压范围内)。对视为相同,这种模型考虑了泄漏流动引起的管道压于管道内的绝热流动,从能量守恒和动量守恒可得[3]降,但无法考虑泄漏口尺寸变化的情况。出如下方程:22“小孔模型”和“管道模型”实际上反映了两种极K+1P1T2MP2P14fLeln+2-+=0端情况,通常需要对介于二者之间的情况进行
4、分析KP2T1RGT2T1D和计算。这时,既要考虑泄漏口不同尺寸下的泄漏流(1)动,也要考虑不同泄漏流动对管道流动的影响,以及式中:K为天然气的绝热指数;P为压力,Pa;T为温管道流动反过来对泄漏流动的影响。由于天然气流度,K;M为天然气的分子量,kg/kmol;G为单位面2动的可压缩性,流动过程中密度、压力和温度等均会积的质量流量,kg/m·s;R为通用气体常数,kJ/k发生较大变化,再加上泄漏流动和管道流动之间互mol·K;f为管道摩擦系数;Le为管道的当量长度,为影响的复杂关系,使该问题的分析变得比较复m;D为管
5、道内径,m。下标1和2如图1所示。管道[2]杂。的当量长度Le可由下式确定:2求解模型DLe=L+∑NiKi(2)f天然气输送管道及破裂泄漏分析模型如图1所式中:L为管道长度,m;Ni为管件(阀门、弯头等)数;示。设破裂点与管道流动起点(分配点)的距离为L,2003年第5期·45·Ki为管件的压降系数。摩擦系数f由下式确定:径的相对大小。下面,根据不同的流动状态,对泄漏-0.25口的泄漏量进行分析。0.079Re当Re<100000时f=(3)-0.15070.0232Re当Re>100000时3管道内为亚临界流动而泄
6、放口为临界流式中Re为雷诺数。动对于泄漏口的等熵流动,从质量守恒和理想气假定管道内与泄漏口的流量相同,则下式成立:体状态方程可得出如下泄漏量(质量流量)计算式Q=Au3ρ3=A0u2ρ2=A0u1ρ1(6)[4]:式中:u为流速,m/s;ρ为天然气密度,kg/m3;A0为管2K+122MKPaKPaK道流通解截面积,m;下标1、2和3的意义如图1所Q=AP2-(4)RT2K-1P2P2示;其余符号同前。2式中:Q为质量流量,kg/s;A为泄漏口面积,m;其余由于泄漏口处于临界流动,流量与Pa无关,将式符号同前。(5)代
7、入式(4)得:泄漏口的流量计算取决于该处的流动状态,泄K+1MK2K-1漏点处管道内的流动状态决定于临界压力比ξc(=Q=AP2RT2K+1(7)Pa/P2c,P2c为泄漏点处管道内压力,Pa),临界压力考虑到式(6),将单位面积的质量流量G表达成马赫比ξc由下式确定:数(Ma)的函数后得:KPa2K-1K+1ξc==(5)QAMK2K-1P2cK+1G==P2A0A0RT2K+1当P2>P2c时,泄漏点处管道内处于临界流动;KMKMP28、1RT2处于临界流动时,泄漏口必然处于临界流动;当管道式中:(Ma)为马赫数,(Ma)=u/c;c为当地声速,内处于亚临界流动时,泄漏口可能也处于亚临界流m/s,对于理想气体:C=KM/RT。动状态,也可能处于临界流动,这将取决于泄漏口孔将式(8)代入式(1)得:22K+1P1T2MP2P14fLeln+K+1-+=0(9)KP2
