1天然氣管道泄漏速率
　　
　　天然氣擴散是一種非常復雜的大氣污染物擴散過(guò)程，在對其模擬評價(jià)過(guò)程中存在大量不確定性因素，這些不確定性因素直接影響了模擬結果的正確性，泄漏速率或泄漏量即為其中之一。
　　
　　天然氣泄漏速率是模擬評價(jià)天然氣管線(xiàn)泄漏事故過(guò)程中的重要因素之一，對其研究將有利于提高模擬評價(jià)結果的正確性。應用熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)理論，結合理想氣體狀態(tài)方程、絕熱方程和能量守恒方程，研究分析了天然氣管道的泄漏過(guò)程，分別給出了在臨界泄漏階段以及亞臨界泄漏階段的泄漏速率計算公式，為天然氣管輸安全工程的相關(guān)計算提供了可靠的理論依據。
　　
　　2基于HYSYS的動(dòng)態(tài)天然氣集輸管道泄漏模型
　　
　　天然氣管道泄漏模型與適用性分析：
　　
　　1）穩態(tài)泄漏模型。這類(lèi)模型zui常見(jiàn)的是一般泄漏速率模型，利用氣體在泄漏點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的特性，認為泄漏發(fā)生時(shí)泄漏處管內壓力不變，通常根據各種守恒方程可得出解析解的泄漏速率方程。該方法適用于泄漏時(shí)管道內氣體壓力恒定工況。也有很多研究將小孔泄漏近似為穩態(tài)泄漏進(jìn)行計算。
　　
　　2）動(dòng)態(tài)非穩定泄漏模型。目前動(dòng)態(tài)泄漏模型均主要對大孔泄漏和管道泄漏情景進(jìn)行計算和研究，因難以確定實(shí)際泄漏量，基本都假設管道發(fā)生泄漏后ESD閥同時(shí)關(guān)閉，認為泄漏量即為兩ESD閥間氣體量，并根據能量守恒方程等得到泄漏速率方程。實(shí)際上，天然氣管道泄漏后，由于受泄漏檢測技術(shù)、人員干預、執行機構響應等因素的制約，泄漏處上下游ESD閥關(guān)斷動(dòng)作并不能保證同步，即存在不同程度的關(guān)斷延遲。在此借鑒加拿大阿爾伯特能源與公共事業(yè)局（AEUB）推薦的天然氣管道有效泄漏長(cháng)度概念，建立管道泄漏的等效開(kāi)口系統模型，結合過(guò)程模擬技術(shù)，研究ESD閥關(guān)斷延遲對泄漏過(guò)程的影響。
　　
　　3ESD閥關(guān)斷動(dòng)作對泄漏率的影響
　　
　　3.1計算算例條件。
　　
　　由于高壓天然氣管道泄漏速度較高，為清晰對比泄漏后的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程和ESD閥關(guān)斷延遲影響，基于前述理論和模型，建立20000m長(cháng)、內徑為254mm水平天然氣管道HYSYS泄漏等效模型。計算管道泄漏常見(jiàn)的小孔、大孔范圍內的泄漏口面積，小孔取內管道內橫截面積的1%（50615mm2），大孔取10%（5065mm2）。對于全尺寸斷裂，泄漏視為管道泄漏模式，泄漏速率為上下游管道單獨泄漏速率之和，2個(gè)ESD閥延遲相互影響很小，篇幅所限，這里不再分析。為求不同泄漏孔徑的氣體泄漏速度系數，將等效模型內介質(zhì)為純甲烷并與美國環(huán)保署和國家海洋大氣管理局推薦的ALOHA計算數據進(jìn)行對比驗證，雖然ALOHA只能對純物質(zhì)提供ESD閥關(guān)閉后泄漏量的分鐘內均值，但是可以近似得到不同泄漏孔徑的泄漏系數，提高模型計算泄漏速率準確度。在此小孔和大孔速度系數分別取0165和0185。設定的條件為：1）因管道處于集輸管網(wǎng)的背景壓力環(huán)境，管段的入口壓力（本文取9512kPa），下游出口壓力（穩態(tài)模式求解后）；2）入口氣體溫度為45℃；3）實(shí)際的氣體成分，相關(guān)參數如流經(jīng)上下游ESD閥的流量，泄漏點(diǎn)處壓力、溫度等由HYSYS計算?；谇笆鰳嫿ǖ男孤┑刃Ｐ?，在驗證其有效性后，本文利用HYSYS的過(guò)程計算優(yōu)勢，計算管道摩擦壓力損失變化和沿程熱量損失，將管道氣流改為實(shí)際天然氣成分（本文為相對分子質(zhì)量為19141的高含硫天然氣），分析管道泄漏段上下游ESD閥關(guān)閉時(shí)機對泄漏的影響。為分析和對比ESD閥關(guān)斷順序對小孔及大孔泄漏速率的影響，定義以下動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)：1）50min為管道由正常平穩運行狀態(tài)轉為泄漏事故狀態(tài)的開(kāi)始時(shí)刻；2）150min時(shí)上游（或下游）ESD閥立即執行關(guān)斷；3）250min時(shí)剩余的下游（或上游）ESD閥執行關(guān)斷。
　　
　　需說(shuō)明的是，所設各動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)只為清晰對比ESD閥關(guān)斷影響而設定，并不代表管道ESD閥關(guān)斷動(dòng)作的實(shí)際執行時(shí)間。
　　
　　3.2不同關(guān)斷條件下的管道流量變化。
　　
　　泄漏的發(fā)生使管道出入口流量不再相等，為計算有效泄漏質(zhì)量，在分析泄漏事故狀態(tài)時(shí)，了解天然氣管道流量變化有助于分析泄漏速率的變化影響關(guān)系。對于小孔泄漏，泄漏發(fā)生后（50～150min）泄漏段管道入口流量增加，出口流量降低，泄漏量由泄漏段的上游管道所提供，即在泄漏段管道出口無(wú)回流。
　　
　　當上游ESD閥先關(guān)斷后，下游管道出口將立即出現逆流，補充泄漏量。當下游ESD閥先行關(guān)閉時(shí)，上游管道入口處流量降低，但持續補充流量明顯大于上游先關(guān)斷段時(shí)的逆向補充流量，將造成較多的氣體釋放。當泄漏為大孔泄漏時(shí)，泄漏量則由ESD閥上游管道和ESD閥出口的下游管道共同提供，上游入口流量顯著(zhù)增加，下游管道出口出現大的逆向回流，造成更多的氣體釋放。當上游ESD閥先行關(guān)閉后，泄漏管段下游出口的逆向回流量大幅增加，補充泄漏量。當下游ESD閥先行關(guān)閉后，管內上游流量大幅增加，但相比低于上游ESD閥先關(guān)斷后的出口逆向補充流量。不同孔徑和ESD閥不同關(guān)斷順序下管內流量存在差異，流量變化存在動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，這些因素都決定實(shí)際的氣體釋放質(zhì)量和速率。顯然，如不能保證ESD閥同時(shí)關(guān)斷，應優(yōu)先關(guān)斷管道入口ESD閥，此時(shí)無(wú)論大小孔補充流量都相對較低。
　　
　　3.3不同關(guān)斷條件下的泄漏速率變化。
　　
　　泄漏段管道出入口流量在不同關(guān)斷順序和時(shí)差條件下的變化決定著(zhù)泄漏率的變化，泄漏發(fā)生后（50min時(shí)）由于管內壓力存在動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，小孔由于泄漏速率低，平衡時(shí)間很短，初始時(shí)刻流量稍高，十幾秒內達到壓力平衡后的穩態(tài)泄漏流量（由6001215kg·min-1降至585159kg·min-1）。而大孔泄漏后初始時(shí)刻流量較高，需經(jīng)過(guò)10余分鐘系統方達到壓力平衡后的穩態(tài)泄漏，降幅較高（由5565121kg·min-1降至4377133kg·min-1）。實(shí)際過(guò)程中當上游ESD閥先關(guān)斷時(shí)，大孔和小孔泄漏速率都會(huì )降低，但是大孔泄漏速率降低程度明顯高于小孔泄漏，泄漏速率在上游ESD閥關(guān)斷達到穩定后泄漏速率降低34188%小孔泄漏速率僅僅降低3145%。當下游ESD閥先行關(guān)閉時(shí)，大孔泄漏速率也會(huì )大幅下降27153%而小孔泄漏速率并未降低反而有所增加。
　　
　　4結論
　　
　　利用本文方法可對不同距離和梯度變化的管道，定義不同的泄漏位置和尺寸，結合管道過(guò)程控制參數建立泄漏速率計算模型，為天然氣管道泄漏控制提供有益參考。通過(guò)本文研究可得到以下結論。
　　
　　1）隨著(zhù)泄漏孔徑的增加，管道內將出現回流現象，管道ESD閥關(guān)斷延遲順序對小孔泄漏和大孔泄漏速率的控制效果存在不同影響。先關(guān)斷上游ESD閥時(shí)，無(wú)論小孔還是大孔泄漏，都使下游出口ESD閥處出現逆向流，補充泄漏。而下游先關(guān)斷時(shí)，小孔泄漏使上游入口處管道流量有所降低，而大孔泄漏卻使入口處流量大幅增加。2）ESD閥的關(guān)斷延遲和關(guān)斷順序，主要表現在對泄漏速率的影響，即影響單位時(shí)間內釋放到大氣的天然氣量，而相同間隔不同順序的關(guān)斷對釋放持續時(shí)間的影響較小。3）在現有天然氣管道關(guān)斷多采用壓力、流量監控等自動(dòng)關(guān)斷的現狀下，為zui大限度地控制事故天然氣泄漏速率和釋放時(shí)間，管道的緊急關(guān)斷應優(yōu)先采用聯(lián)動(dòng)的同時(shí)關(guān)斷方式，其次為上游先關(guān)斷方式。