燃气管网仿真技术及其泄漏危险性研究

论文摘要

随着国民经济的快速发展,城市燃气消费量日益增加,燃气管网变得日趋复杂,这使得人们更难于了解和掌握管网系统的运行规律。而燃气管网发生泄漏是一个概率事件,完全杜绝泄漏事故的发生是不可能的。管网一旦发生气体泄漏,将有可能造成重大的财产损失甚至人员伤亡。因此,燃气管网仿真技术及其泄漏危险性的研究已成为当前燃气输配领域亟待解决的重要课题。本文从课题的研究背景出发,先是分析了国内外燃气管网仿真技术及气体泄漏危险性的研究现状、发展趋势以及所存在的问题,最后指出本文的主要研究内容。通过建立管道瞬态流动模型,首次采用流体网络理论对模型进行求解,并和传统的数值解法(隐式差分法和特征线法)进行对比,得到两者最大偏差约为1%。采用该方法对北京市六环的部分高压燃气管线进行模拟分析,得到模拟值与实测值的最大偏差约为2.1%。传统的管网仿真方法要求每个节点都需分配一个已知参数(节点压力或流量),针对这一缺陷,提出了相应的解决办法。采用改进后的管网仿真方法对天津市的部分高压燃气管线进行模拟分析,得到模拟值与实测值吻合得较好。过去常采用高斯扩散模型研究气体扩散过程。通过研究发现,高斯扩散模型存在一定的缺陷,其不能真实反映泄漏燃气的扩散过程。本文对Ooms扩散模型进行改进,考虑了泄漏气体的速度、密度、浓度和温度等参数。将Ooms改进模型应用于管道泄漏燃气的扩散研究,获得泄漏气体的扩散危险域。基于该研究成果,得到可用于预测泄漏气体扩散危险高度及危险距离的关系式。采用CFD技术对管道喷射火焰进行数值模拟,得到模拟结果与风洞试验的实测结果吻合得较好。基于该模拟结果拟合得到可预测喷射火焰长度的计算式。通过适当简化管道泄漏率模型,从而获得预测破裂管道发生气体喷射或火焰喷射时危险域的定量计算式。最后,提出了一套在役燃气管道风险性的定量评价方法,基于该方法可了解在役管道的安全程度及其安全距离。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 管网仿真技术及气体泄漏危险性的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 管网仿真技术研究
• 1.2.2 气体泄漏危险性研究
• 1.3 管网仿真技术及气体泄漏危险性研究存在的问题
• 1.3.1 管网仿真技术研究存在的问题
• 1.3.2 气体泄漏危险性研究存在的问题
• 1.4 本文研究意义及主要研究内容和方法
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要研究内容和方法
• 1.5 本章小结
• 第二章 管道瞬态流动模型的建立及求解
• 2.1 管道瞬态流动基本方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 气体状态方程
• 2.2 模型的简化
• 2.3 模型的求解方法
• 2.3.1 隐式有限差分法
• 2.3.2 特征线法
• 2.4 流体网络理论
• 2.4.1 流体网络基本参数
• 2.4.2 流体管路数学模型
• 2.5 三种求解方法比较
• 2.6 流体网络理论在工程上的应用
• 2.7 本章小结
• 第三章 燃气管网仿真方法的理论研究及应用
• 3.1 管网拓扑结构分析
• 3.1.1 图论知识
• 3.1.2 管网结构矩阵分析
• 3.2 基尔霍夫定律
• 3.2.1 节点方程
• 3.2.2 回路方程
• 3.3 管网平差计算
• 3.4 传统的管网仿真方法
• 3.4.1 传统仿真方法存在的问题
• 3.4.2 传统仿真方法的改进
• 3.5 工程上的应用
• 3.6 本章小结
• 第四章 管道气体泄漏扩散模型研究及应用
• 4.1 管道孔口泄漏率
• 4.2 气体喷射扩散模型
• 4.3 高斯气体扩散模型
• 4.3.1 扩散系数计算
• 4.3.2 风速计算
• 4.4 高斯扩散模型缺陷
• 4.5 Ooms 扩散模型
• 4.5.1 扩散边界数学模型
• 4.5.2 烟羽模型的求解
• 4.6 Ooms 扩散模型的应用及分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 燃气管道泄漏喷射火焰形貌研究
• 5.1 喷射火焰描述
• 5.1.1 火焰长度
• 5.1.2 火焰倾斜角
• 5.1.3 火焰抬升高度
• 5.1.4 火焰锥体特征
• 5.2 喷射火焰数值模拟
• 5.2.1 流体动力学模型
• 5.2.2 湍流燃烧模型
• 5.2.3 火焰热辐射模型
• 5.3 数值模拟方法应用
• 5.3.1 风洞实验室介绍
• 5.3.2 数值计算结果及分析
• 5.4 喷射火焰长度
• 5.4.1 水平喷射火焰
• 5.4.2 竖直喷射火焰
• 5.5 本章小结
• 第六章 在役燃气管道风险性的定量研究
• 6.1 破裂管道泄漏率
• 6.2 气体喷射扩散
• 6.3 火焰热辐射半径
• 6.4 泄漏事故预测结果分析
• 6.5 管道定量风险分析
• 6.5.1 定量风险分析介绍
• 6.5.2 管道风险分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论及对后续工作的建议
• 7.1 结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 对后续工作的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及参加科研情况说明
• 致谢