埋地燃气管道小孔泄漏研究

作     者：潘丹丹 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐鹏;郑小兵

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：甲烷 埋地管道 扩散 泄漏速率 数值模拟 

摘      要：随着我国天然气事业的持续快速发展,巨量的城市埋地燃气管道将陆续面临生命周期事故易发阶段。天然气易燃易爆,少量泄漏弥散在土壤中不易被发现,但对人们的生命财产安全构成巨大的潜在威胁。为此国内外研究者对燃气管道泄漏的影响开展了大量研究。本文在对近三十年相关文献调研的基础上,对中压埋地燃气管道小孔泄漏的规律和影响,进行了数值模拟和实验验证研究。对埋地中压管道小孔泄漏的稳态和非稳态过程分别进行了模拟研究,影响因素包括管道压力、泄漏孔大小、管道埋深和土壤物性参数。首先利用ANSYS软件进行CFD仿真建模,包括前处理阶段的几何模型建立、网格划分和后处理阶段的模型选择、参数设置,后用数据分析软件Tecplot对计算结果进行可视化处理。同时,本文设计并建造了现场测试平台,将泄漏质量流量的实验值和模拟值作对比分析,得出最大相对误差为3.8%,验证了所建数值模型的适用性。分别利用壤土和沙土两种土质实测不同工况条件下的埋地管道燃气泄漏规律,对数值模型进行迭代优化。本文主要研究结论如下:（1）稳态工况下,泄漏燃气在土壤中的压力、泄漏速度随泄漏距离的变化梯度较大,其扩散影响区域有限,而甲烷质量分数扩散影响区域较大;燃气在土壤中的水平压降速率要小于垂直方向速率,且水平方向上泄漏燃气呈圆形扩散分布,对称性更好,燃气在土壤中的泄漏速度分布规律与之类似;对于影响泄漏速率的四个重要因素:管道压力、泄漏孔径、土壤埋深以及土壤孔隙度中,泄漏速率与管道压力、泄漏孔径和土壤孔隙度成正相关分布。土壤埋深对泄漏速率影响较小,仅对甲烷浓度分布产生一定影响;在参数设置值范围内,随着管道压力、泄漏孔径和不同土质土壤孔隙度的增加,甲烷爆炸上下限范围均逐渐扩大且变化较明显,土壤埋深增加时甲烷爆炸极限半径略有扩大,即发生管道小孔泄漏时管道压力、泄漏孔径、土壤孔隙度和土壤埋深均为越大越危险,其中前三者的影响更明显;壤土和沙土两种土质,在孔隙度为0.4时,透过沙土的甲烷泄漏速率为壤土的6倍,同等条件下沙土的爆炸半径要高于壤土,即相同管道敷设条件下,使用壤土填充比沙土有着更高的安全性。（2）非稳态工况下,土壤中燃气压力和泄漏速度分布在较短时间内便达到稳定,相对于整个泄漏过程可忽略不计,看作稳态分布;甲烷浓度分布达到稳定的时间相对较长,研究意义更大。随着时间的变化,先快速增长积聚,之后以浓度梯度由大到小的增长速度向外扩散,扩散范围逐渐扩大直至趋于稳定;燃气泄漏质量流量变化梯度较大,在很短时间内便达到稳定,随后总泄漏量稳定增长;其他工况条件相同时,同一个监测点处甲烷浓度达到稳定的时间与管道压力、泄漏孔径、土壤孔隙度呈负相关;土壤埋深对甲烷浓度达到稳定的时间影响不明显;当沙土和壤土的孔隙度为0.4时,同一个监测点条件下壤土的甲烷浓度达到稳定的时间比沙土长。