城市天然气管道泄漏扩散事故后果分析与数值模拟

作     者：许渊 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周德红

授予年度：2020年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：天然气管道 泄漏扩散 数值模拟 后果分析 

摘      要：近年来,天然气作为一种重要的清洁能源,在发电供热、交通运输、制造业及居民日常生活等诸多领域得到了广泛的应用。然而,在我国天然气发展过程中,天然气管道入廊建设标准还是一片空白,缺乏相关实际监测数据。这对城市地下综合管廊的运营和在建天然气入廊项目的施工带来了很大的挑战。因此,对管廊内天然气管道泄漏扩散进行分析具有十分重要的理论与工程意义。本文以入廊天然气管道为研究对象,采用数值模拟的方法,分析了天然气泄漏扩散规律和事故后果。首先,根据天然气管道入廊建设的通风和防爆要求,确定了事故发生的六大危险因素,并验证了在建项目中国家各类标准的落实情况。在此基础上,根据实际工程设计数据,分离出对应的简化物理模型。针对于密闭空间内的天然气泄漏事故,选择与之相匹配的数学模型和研究方法,利用Fluent数值模拟软件对对天然气的浓度分布进行了研究。分析了泄漏孔径、初始泄漏速度与舱室内风速对泄漏后果的影响。结果表明:泄漏孔径越大、泄漏孔处初始速度越大,扩散速度越快。大孔泄漏时舱室内天然气的浓度分层现象比较明显,不同浓度层间隔更加均匀。无通风时,泄漏天然气以孔口为中心呈伞形对称分布;有通风时,天然气向下风向偏移扩散。加大通风次数能够有效稀释天然气,风速越大,通风效果越好。以独立舱室内天然气体积分数的1%为报警浓度,根据国家现行标准设置相应监测点,分别改变泄漏孔径和泄漏速率,对比超过报警浓度的范围和特殊点位达到报警浓度的时间间隔变化情况。结果表明:在泄漏时间为30s时,泄漏孔径从5mm增加到40mm,危险范围从5.5m增加到18m,报警时间从13s缩短到3.5s。泄漏速度从50m/s增加到150m/s,危险范围从10m增加到22m,报警时间从18s缩短到4.8s。风速从2m/s增加到3m/s,危险范围增加值为18m。最后采用TNT当量法对爆炸后果进行计算,得到在泄漏孔径为10mm,泄漏速度为100m/s的条件下所造成的财产损失半径,并利用MATLAB软件绘制出冲击波示意图。本文通过开展对综合管廊内天然气管道泄漏扩散过程事故后果的研究,对独立舱室内天然气管道泄漏事故有了更深刻的认识,研究成果不仅为天然气管道入廊项目的通风设计和监测点布局提供理论依据,而且明确了事故后果,也可为管廊内燃气泄漏事件应急方案的编制提供帮助。