综合管廊燃气管道泄漏扩散理论与实验研究

发布时间：2020-07-29 10:17

【摘要】：综合管廊的建设有利于城市地下空间的合理化规划和发展,有利于城市管线的管理和维修,是国家重点支持的现代化城市建设项目,综合管廊建设区域内的干线燃气管线必须入廊。燃气管道属于高危管线,在综合管廊内发生泄漏时后果严重,研究燃气管道意外泄漏时在综合管廊内扩散规律,可以为完善《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)燃气舱通风换气以及报警决策的修编提供理论依据。论文针对综合管廊内燃气管道可能发生的泄漏模式,以长度为200m的实际燃气舱建立了燃气泄漏物理模型和数学模型,泄漏口分为2大类,一种为管道砂眼产生的圆形泄漏口,一种为焊缝断裂形成的裂缝口,主要研究在各种工况下泄漏口正上方及其7.5m半径处达到20%、40%、50%、80%、100%爆炸下限浓度的时间。数值模拟采用FLUENT软件研究了燃气管道泄漏的扩散规律,研究了燃气管道内不同压力、不同泄漏口孔径、形状、位置、朝向、不同通风换气次数等74个工况下燃气在管廊内的扩散特性。依据相似原理,研制了地下综合管廊燃气管道泄漏扩散模型实验台,采用N_2在CO_2气体中泄漏模拟甲烷气体在空气中的泄漏,实验数据与实验工况下的数值模拟结果基本吻合,验证了FLUENT模拟的可靠性。研究表明,燃气从圆形泄漏口泄漏后在管舱中两侧以波峰波谷的形式扩散;裂缝泄漏口泄漏后先射流到管舱顶部后再沿着壁面向两侧以波峰波谷的形式扩散,都符合有限空间射流的特征。燃气管道压力主要影响燃气浓度,对扩散速度和扩散半径影响较小;圆孔泄漏口的孔径与燃气浓度和扩散半径呈正相关变化,裂缝泄漏口比圆孔泄漏口更快达到燃气爆炸下限浓度;通风换气次数越大,泄漏口下游扩散距离越大,上游扩散范围越小。事故通风采用12次/h时,泄漏口下游位置可能会产生燃气浓度积聚现象,建议在事故通风时,可先低速通风再转向高速通风,避免下游燃气积聚浓度过大,以至于达到燃气爆炸下限值。对泄漏口燃气泄漏规律研究表明,圆形泄漏口泄漏时,当燃气浓度值达到40%时启动事故通风6次/h或者12次/h情况下,管舱中的燃气浓度始终低于爆炸下限的40%,建议可不紧急切断燃气管路,采用降压在线修补管道技术对管道修补;裂缝泄漏口,当燃气浓度值达到40%时启动事故通风12次/h,当浓度达到爆炸下限的45%时,紧急切断燃气管路,管舱中燃气浓度始终低于爆炸下限的30%。因此建议燃气泄漏后的报警浓度可设置为40%的燃气爆炸下限浓度值,紧急切断燃气管路的浓度可设置为45%的燃气爆炸下限浓度值。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU990.3;TU996
【图文】：

燃气,泄漏口,燃气泄漏,通风换气次数

3. 在流体力学相似理论和数值模拟的基础上，设计实验方案并搭建实验台，采用N2在充满 CO2气体的管廊模型中泄漏代替燃气在燃气管舱内的泄漏扩散。对搭建好的实验台进行 FLUENT 数值模拟，分别模拟 N2泄漏和 CH4气体泄漏两种情况，对比分析这 3 种结果，验证并指导 FLUENT 数值模拟计算。4. 研究在综合管廊内燃气扩散的影响因素，即泄漏口孔径和形状、燃气管道压力、泄漏口位置及朝向、通风换气次数对燃气泄漏扩散的影响。以小孔和裂缝为基准工况分析不同因素下对燃气泄漏后在燃气舱内扩散的影响。5. 利用 Tecplot 软件划分燃气危险区域，分析危险区域的移动变化规律；汇总在泄漏口正上方及距其 7.5m 处燃气浓度达到不同比例燃气爆炸下限值的时间，为确定合适报警时间以及启动事故通风时间提供数据支持。6. 分别在燃气浓度达到 20%、30%、40%、50%爆炸下限时启动通风设备，分析在不同的通风换气次数下泄漏口下游各处燃气浓度的变化规律，完善燃气泄漏通风换气策略。本文的研究路线框架如图 1-1 所示：

泄漏过程,燃气管道,泄漏口

图 2-1 燃气管道泄漏过程Figure 2-1 Gas pipeline leakage process2.3.1 小孔泄漏模型建立小孔泄漏是指泄漏孔口直径低于 20mm 的燃气泄漏过程，由于孔径小，当泄漏口上方不存在支流或者其他泄漏口，不考虑燃气管道的摩擦损失和沿程阻力损失的话，此时的燃气泄漏流量达到最大值[51]，且 P2=P1，T2=T1。对小孔泄漏的过程作如下假设：（1）综合管廊内燃气管道采用无缝钢管材质，有一定的壁厚，其泄漏口与喷嘴口相似，由于泄漏口的孔径较小，流速大，其流动过程视为可压缩气体的绝热过程；（2）其流动过程满足一元气体流动欧拉运动方程[52]；（3）视燃气为理想气体，则满足理想气体的状态方程。根据上述假设，小孔泄漏过程可表示为kPC （2-10）0dPudu （2-11）P （2-12）

平面图,燃气管,管廊,断面图

北京某项目综合管廊燃气舱平面图

【参考文献】