摘 要

在经济持续发展的时代背景下，能源消费不断增长，并且增幅显著，与此同时，对能源质量提出的要求也不断增加。在注重可持续发展和生态文明的大前提下，能源行业在国家的领导下正积极配合调整能源结构。其中天然气作为一种无污染的清洁能源被大力发展，而伴随之迅速发展的还有管道运输。但是在运输过程中由于自然原因或者人为操作不当容易发生泄漏事故。一旦发生事故，将会对企业和附近居民带来巨大的财产和生命威胁。因此为了尽可能的减小事故带来的危害，本文对天然气管道泄漏的扩散过程进行模拟研究，并且以模拟结果为依托得出各个不同影响因子对泄漏扩散的影响程度，为天然气管道泄漏事故提供一定的技术参考。

本文在进行天然气扩散模拟之前，先对泄漏速率进行了计算，在国内外学者的研究基础上运用已知的一些实验数据对原有泄漏速率计算公式进行了修正。天然气管道泄漏过程具有特殊性，考虑到重力作用和水平风速对扩散过程的影响以及孔口泄漏过程的膨胀效应和射流过程，本文建立并修正了适合天然气管道泄漏扩散的模型。并且基于Ansys中Fluent模块数值模拟分析了不同影响因素（泄漏孔口直径、泄漏口速度、风速大小等）的组合情况下的泄漏扩散情况。其次，采用Ansys的结果处理器对各种不同组合方案下天然气的泄漏扩散结果进行分析对比，根据沿高度和距离的天然气扩散趋势综合分析三个因子对天然气泄漏扩散的影响，并得出相应控制措施为事故发生后的人员疏散等提供一定的技术指导。

关键词：天然气；管道；泄漏扩散；泄漏速率；数值模拟；扩散趋势

Abstract

With the sustained and rapid development of China's economy, energy consumption is increasing, and the supply quality of energy is higher and higher. Under the overall coordination of sustainable development and construction of ecological civilization, positively adjust the energy structure, has become the primary task of energy industry and socioeconomic development. Natural gas as a pollution-free clean energy is vigorously developed, and so is the pipeline transport. However, it is easy to cause leakage accidents due to natural reasons or improper operation during transportation. Once there is an accident, it will bring huge property and life threats to the enterprise and nearby residents. Therefore, in order to reduce the harm caused by the accident as much as possible, this paper studies the diffusion process of natural gas pipeline leakage, and based on the simulation results, the influence regards to different influence factors on the leakage and spread provides technical reference for natural gas pipeline leakage accident.

In this paper, the leakage rate is calculated before the gas diffusion simulation, and some experimental data known at home and abroad are used to modify the original leakage rate formula. Due to the particularity of the diffusion process of natural gas pipeline leakage, a model suitable for natural gas pipeline leakage diffusion is modified and established, considering the jet action and expansion effect of the leakage process, and the effect of gravity and horizontal wind velocity on the diffusion process. And based on the Fluent, the leakage and diffusion of different factors ( leakage orifice diameter, leaking speed, wind speed, etc. ) are analyzed. Secondly, using the results processor of Ansys, the results of the leakage and diffusion of natural gas are analyzed and compared. According to the trend of natural gas diffusion along height and distance, the influence of three factors on the leakage of natural gas is analyzed comprehensively, which can provide some technical guidance for evacuating personnel.

Key words：natural gas，pipeline，leakage diffusion，leakage velocity，numerical simulation，diffusion trend

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.3.1泄漏模型研究 2

1.3.2泄漏扩散研究现状 3

1.3.3风险控制现状研究 4

1.4主要研究内容及技术路线 5

1.4.1主要研究内容 5

1.4.2技术路线 6

第2章 天然气管道泄漏扩散理论基础 7

2.1天然气管道泄漏特点 7

2.2泄漏扩散理论 7

2.2.1射流作用 7

2.2.2膨胀效应 8

2.2.3天然气泄漏扩散基本方程概述 8

2.3扩散过程分析 10

2.4扩散影响因素 10

2.5本章小结 10

第3章 天然气泄漏扩散数值模拟 12

3.1天然气管道泄漏扩散模型 12

3.1.1几何模型 12

3.1.2网格划分 14

3.1.3初始条件与边界条件 14

3.1.4湍流模型及方程 15

3.1.5模型参数 15

3.2天然气管道泄漏扩散模拟 16

3.2.1模拟方案编号 16

3.2.2模拟结果 17

3.2.3泄漏扩散影响因子分析 21

3.3本章小结 22

第4章 天然气泄漏安全风险分析与评价 23

4.1安全风险分析 23

4.1.1风险的概念 23

4.1.2危险源识别 23

4.1.3事故频率分析 24

4.1.4事故后果分析 24

4.2模拟结果 24

4.2.1稳态天然气扩散趋势图 24

4.2.2瞬态天然气扩散趋势图 27

4.2.3安全风险分析与评价 28

4.2本章小结 30

第5章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景

在社会经济不断发展的大前提下，能源消费总量和能源消费质量不断攀升，不断创下新高。伴随着能源工业不断发展的，许多环境问题随之而来。气象局检测到多地空气中可吸入颗粒大幅度超标，甚至许多城市出现了严重的雾霾天气。因此积极调整能源结构，大力开发清洁能源，创造环境友好型的能源发展模式已成为能源行业发展中不可忽视的存在。

我国能源发展道路上仍存在许多尚需改进的地方，目前能源的合理利用率还比较低，节能减排形势严峻，能源和产业结构亟待调整，急需开发气体资源。天然气作为一种清洁的新能源被各界广泛看好。建国以来，我国的天然气产业有了很大的发展。我国探明的天然气储量自“八五”以来迅速增长，这也标示着天然气行业进入快速发展阶段。自21世纪以来，天然气消费量迅猛发展，我国的天然气市场得到很大程度的开发利用。2011年，我国天然气的产量第一次突破1000亿m³，与10年前比较增长了3.6倍，年均增长速度达到了14%。2012年以后，我国天然气行业的生产运行总体呈现出平稳的态势。同时我国的天然气消费量与天然气进口量呈现同步增长的态势。2012年开始，我国天然气年均探明的地质储量保持高增速态势，与改善能源结构的政策相适应，我国的天然气发展前景一片光明。

1.2研究意义

作为五大交通运输方式之一，管道运输在运送液体、气体、浆体上有显著的优势。管道运输在促进经济发展过程中的作用日益凸显。但是我国大部分管道建成时间距今已有很长的年岁，有些管道系统由于自然破坏或者人为管理不当等原因导致管道泄漏事故频发。管道泄漏不仅造成了能源流失浪费，还会给周边的人们的生命财产造成威胁。据近年来的统计数据显示，虽然采取了一定的安全性措施，但管道泄漏事故率依然很高，并且单起事故造成的危害往往是毁灭性的。因此有必要针对天然气泄漏扩散过程做进一步的数值模拟，研究环境中不同因子对扩散浓度的影响规律，以采取合适的措施，使事故造成的危害尽量减小到可控范围。还可以为人员的疏散方案提供一定的技术参考。

1.3国内外研究现状

1.3.1泄漏模型研究

对泄漏扩散问题进行分析研究时，要了解天然气泄漏扩散机理，选用合适的泄漏扩散速率计算公式。EGIG根据泄漏孔口的孔径将管道泄漏分成3个类型：即泄漏孔径不超过20毫米的小孔泄漏、泄漏孔径大于20毫米但是小于管径的大孔泄漏以及全截面破裂。学术界对这几种模型开展了许多深入的研究。

许多学者就泄漏扩散模型进行了研究，提出了几种比较典型的泄漏扩散模型，并且给出了相应的计算方法。A·Levenspiet在《工程流量和热交换》中提出了一种研究小孔泄漏的模型和管道界面断裂的模型^[1]。而韩国学者Young-Do Jo也曾在《一种研究泄漏速率的简单模型》中提出了一种通过计算管道线路中滞止状态的气体在泄漏孔口处的压降损失来近似计算气体泄漏速率大小的高压管线孔泄漏计算泄漏率的简化模型^[2]。这种模型涉及到压降的泄漏修正系数和不考虑摩擦时的泄漏速率计算公式。但是这个模型在计算时忽略气体密度，往往造成计算值与实际相比偏大。应用在实际工程中时其计算出来的危险域和事故后果的估算值大于实际，具有较大的参考性。