埋地燃气管道的气体泄漏结果建模外文翻译资料

埋地燃气管道的气体泄漏结果建模

Mehdi Parvini，Elmira Gharagouzlou

伊朗，塞姆南城市，塞姆南大学，化学工程学院，天然气与石油专业

关键字：结果建模，埋地燃气管道，氢气，分散，天然气

摘要：对于这些广泛被用的气体，如天然气和氢气，其中一种保护转移办法就是埋地管道。由于管道的低效率造成潜在风险，所以这些管道的安全性非常重要。因此，对于泄漏气体的释放以及运动特性的准确理解，即土壤内的分布和速度，到地表的释放，氢气通过地面的运动，气体在地下扩散，气体在大气中扩散，以及造成的后果，这些对于确定地下分散风险非常重要。目前的研究中，有两个可以评估土壤内气体泄漏后果的子模型，即近场和远场，并提出了一个综合模型，以确保埋地燃气管道供应的安全。近场模型与土壤和地面有关，其输出是气体在地面不同的点和时间释放，这被用作远场子模型的输入，远场也就是在大气中或表面下的开放空间中的分散模型。近场子模型的验证是由Okamoto等人研究获得的实验数据进行。 基于2014年的全规模氢泄漏，确定了远场子模型的可能场景。

正文：

1. 简介

管道是一种常用的输送气体的方法。因为气体的特有属性以及在管道内部传播过程中的规律等，所以会有几个风险威胁着管道。因此，过程风险的确定与后果建模非常重要。

如果供气管道埋在地下，任何泄漏可能导致气体扩散和在土壤中的运动。 这种扩散可能到达住宅地下空间，当接近爆炸和燃烧阈值时，可能会导致生命以及财产的损失。它也可能损害地下植物以及动物。 如果泄漏的气体到达地面，可能造成灾难性事故。气体在土壤中的分散可能会导致爆炸、燃烧和中毒等事故。

风险确定的原则之一是泄漏后果建模，其中包括估计阶段，如释放速率和材料特性的规格和分散结果的评价，换句话说，先是分析材料浓度的时间分布或位置分布，随后是这些情景的影响，如毒性，火灾和爆炸等。

Waller、Brag 、Witlox、Holt Van den Akker和Britte等人，已经进行了几项关于泄漏材料流量率的研究。扩散模型的研究主要集中在气体在室内或室外的分散，但是几乎没有研究过做地下气体分散。有一些研究集中地下流体的行为。 Hwang、Saito、Kawatani、Hibi、Ewing、Faust等人在地下水饱和与不饱和情况下用压差功率流动进行研究，估计了气-液和液体在不同情况下的污染运输的行为。在一点土壤温度和湿度情况下，关于水蒸汽行为的研究，Gerson et al在2003年提出，当水蒸汽两相系统可由比热表示时，它的热导率和分散系数，可由土壤水分和温度进行表示。Nagai和Kumagai评估了在土壤 - 植物 - 空气这样的自然界中，处于垂直和宏观形成和循环行为过程中，CO2、N2等气体的形成和运动。在关于气体颗粒的分散运动和流体行为方面的研究，Weerts et al在2001年揭示了行为流体是作为一个复杂的规则粒子运动的。气体分散已经根据气体分子扩散作为浓度差功率的结果而被检查。 在一些研究中， Senger、 Wilson、 Fujinawa、Akatsuka、Matsuda、Kobayashi、 Slough等人，已经检查了气体运动关于浓度，压力和比重的差异。这些理论研究使用达西和菲克定律，针对气体运动进行分析研究。 然而，一些验证和分析研究是基于城市煤气，考虑压力差异，具体重力和浓度等。例如，Okamoto et al在2014年试图提出一个合适的解决方案，以确保埋地供应管道在泄漏氢时保持安全。

由于适用性或潜在风险较高，一些材料，例如氢、CO2和甲烷等，也就在对危险材料泄漏的建模方面获得了更多的关注。

气体运输的风险通常包括火灾和爆炸。 例如，Rusin和Stolecka在2015年研究了氢泄漏及其后果。其中一个例子是氢气管道破裂的事故树，用来研究分析氢管道破裂的概率。 一般来说，意外分散可能发生在从小到大的管道处、高压力容器、法兰和设备的垫圈，例如压缩机，电解系统等。

总之，似乎有必要对地下氢分散进行实验并准备关键数据，作出适当的决定以应付紧急情况。还有一些对不同气体的现场研究。例如Hanna et al在2012就做过此类研究。近年来已经进行了关于材料分散的数学建模的若干研究，例如Schmidt、Venetsanos、Baraldi等人研究不同种类氢分散的CFD模型。但是应该注意的是这些研究并没有考虑埋地管道。

Vianello和Maschio在2014年，通过将管分成四部分，提出了一种用于所有方向的气体泄漏的方法：无论管道是埋地的还是暴露在空气中的，估计具有非常低的管道压力的气体泄漏重塑的泄漏流量，在具有校正的孔尺寸的土壤中以实现相同的速率。值得注意的是对大孔泄漏气体的灾难性后果的估计。因此，小孔一般不予考虑。Okamoto et al在2014年使用达西和菲克定律模拟氢分散。

本研究旨在确定埋地供气管道的气体泄漏和扩散后果。为此目的，在两个模型中进行建模; 近场模型与土壤和地面及其输出有关，在不同的点和时间从地表释放的气体。并且它被用作远场子模型的输入，该子模型是在大气中或表面下的开放空间中的散射模型。

2.地下或近场建模

在这里考虑从管道到地面的气体释放和分散。其输出是在气体的空间和时间通量和浓度分布的不同点，特别是在地面。不用说，其输出用作输入远场子模型。这里使用多孔环境中的达西定律和分量传递方程。这些方程同时求解和建立土壤中的氢泄漏模型。

2.1。 达西定律

达西定律中的速度由压力梯度，流体粘度和多孔环境的结构定义。根据这个定律，整个多孔表面的纯流动表示为如下：

（1）

其中u，k，m，p和r分别代表达西速度（m / s），多孔环境渗透性（m²），流体动力粘度（Pa.s），流体压力（Pa）和流体密度（kg/m³）。渗透率k表示由许多固体颗粒和孔组成的超过一个体积的流动阻力。

达西在界面中的两相定律是通过组合实现的，达西定律与连续性方程如下：

（2）

其中孔隙率εp被定义为占据的控制体积的一部分通过毛孔。广义方程通过组合等式（1）和（2）如下：

（3）

在较高的泄漏率下，土壤可能在上面流动泄漏，导致更快的分散。在这项研究中，模型假设泄漏率低，地面是多孔的、稳定的。

2.2多孔环境下的组分传递方程

2.2.1可变饱和多孔环境

下面的方程为ci浓度表示转移矿物在可变饱和多孔环境中，当孔用流体填充并且包含气囊或停滞气体时更多一般状态。

（4）

其中c_i、c_P和c_G用于气体组分i在液体中的浓度（每体积流体的摩尔数）、固体颗粒的吸收量（每固体干燥单位重量的摩尔数）和气体中的浓度（每单位气体体积的质量）。方程（4）通过使用流体体积在多孔环境中转移分数q平衡质量，体积密度。因此，气体体积分数。

在上述方程中，r_p和ε固相密度（kg /m3）和孔隙率（无量纲）。堆积密度在界面处估计，而固相密度使用孔隙率由下式计算。

在等式（4）的左边，前三个项表示液相，固相和气相分量，而最后一项指向在方向u（m / s）的速度方向的对流。等式右边，第一项表示由于机械混合以及扩散和蒸发的分量分散。张力（m²/ s）和有效扩散（m²/s）分别由D和De表示。

为了解决成分si和ci的浓度的函数ci，假定cP，i和cG，i代表吸收矿物质到固相和溶解在气相中。通过将相对项根据时间扩展，来实现以下等式。

（5）

其中k_P，i = vc_P，i / vc_i和kG，i = vc_G，i / vc_i表示吸收等温线和线性蒸发。然后，公式（4）可以写为如下：

（6）

2.2.2。 饱和多孔环境

式（7）表示在饱和多孔环境中的转移。

（7）

2.3。 近场模型结果

通过Oamoto等人2014年在日本对土壤中的氢泄漏进行了一系列实验获得的数据进行模型验证。

假设埋设氢气管道的一般地面条件是一个全面的测试场，其中碎石和沥青铺设在坑砂的均匀表面层上，如图所示。出于安全考虑，准备一个10m╳10m╳2m的场地进行测试。

试验在0.2kPa的泄漏压力下完成，泄漏流量为1000cc / min，相当于过去来自地面中的孔或接头的泄漏流率的值。图4表示分散气体在（0，theta;1），（theta;1,0.5）和（theta;2，theta;1.5）的X和Z方向上的三点处的浓度。这表示从试验获得的结果建模，具有良好的一致性。氢达到

地表非常迅速，因为它是轻质气体。之后约50小时，地面和大气中的气体分散量达到平衡和一致性。图5表示达西速度的流线。它表明，因为氢气比空气具有更低的密度和重量，因此被认为是轻质气体。然后开始向地表移动分散。尤其重要的是，气体大量分散在地面上可能会导致不可抗拒的事故。

该模型解释了到达地面后的材料分散并在这方面提出不同的方案。这些情况（例如火灾和爆炸）可能因不同环境条件而异。以下是确定不同场景下火灾和爆炸建模所需的方程式的表示。

3.1闪火

可燃云的大小和状况可以通过大气扩散模型进行预测。但是，根据数学建模伪装特征来说闪火未知的。为了预测闪光的火焰大小唯一的方法在是CCPS。 这个半实验方程用于测量可见光火焰高度如下（CCPS（1994））：

（8）

其中h，S，rho;_f-a，r_a和r分别代表云高（m）、火焰速度（m / s）、空气 - 燃料混合物密度（kg / m ³）、空气密度（kg / m ³）、质量化学计量空燃比。

（9）

其中ɑ、phi;和phi;st代表化学计量燃烧的压力增加常数、空气 - 燃料混合物中的燃料体积比、燃料化学计量体积比。在预测由闪光引起的热流时，需要一系列假设来简化：云中的混合物是固定的和均匀的，火焰水平与垂直相同，表面在云内移动。

3.2TNT等价模型

该模型是基于爆炸性气体在一定环境和TNT质量条件下的等效性，提出的用于估计爆炸波的最简单模型之一。对定量的可燃气体用TNT进行均衡，如公式（10）。

（10）

其中h，w，M，Ec和E_TNT表示爆炸产率（即真正释放的能量在爆炸中占总理论可用

能量），质量等于TNT（kg），可燃气体质量（kg），气体燃烧热（kj / kg）和TNT燃烧热（约4600℃）（kj / kg）。 气体爆炸可以通过获得相等质量的TNT和TNT的爆炸特性进行模拟。

3.3可能的情况

现在，可以根据环境条件确定不同的场景。这些场景可以分为两组：首先，当气体到达地表并分散到开放空间，其次，当气体管道放置在室内和气体分散在封闭空间中。所以，如果可能的方案，并在以往的研究维度上的近场子模型验证，都可以进行估计。模型的输出可以被用在表示在100小时内少量的分散气体达到恒定水平4.71╳10^-7 mol/ m²的总氢通量。因此，这种程度的通量不能带来关于巨大事件。

图3

图4

3.3.1。室外分散

在这种情况下，假定氢气一旦它到达地面就要进入大气。应当注意氢气很少并且基于气候条件的各种速率导致减少，分散的气体可能被稀释。其效果如图。图7示出了由分散引起的闪火，氢气在10小时内排入大气中，这表明闪蒸只有当氢气分散到空气中时才发生。如图所示，对三种不同的气候条件进行闪火，即稠度F和速度1.5 m / s，一致性D和速度为1.5m / s。图7表示在同样的速度，更粗糙的气候条件，较短的闪火将发展在地面。例如，闪光的最长半径在一致性F为1.5m / s，稠度D为1.5m / s，时为0.2〜0.3m左右。值得注意的是，这些半径非常小。然而，如果它们在可燃源附近，它们可以引起以下事件。

图5

图6

3.3.2室内分散

3.3.2.1闪火

在这种情况下，假定氢被分散并限制在小的封闭空间中。很明显气体聚集在封闭空间中，并且由于火花增加非常多会造成爆炸的风险。相关的图表7表示0.1kg氢气在室中闪燃70小时（1.06〜1.06〜1.06m）。因为它是室内条件所以应考虑气候的一致性。图8表示半径为0.5m的情况下将发生闪光。如前所述，虽然半径很小，但可能会导致火灾。如果可燃源在附近或是更大的半径时会发生火灾甚至爆炸。

图7

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