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對于小孔模型,考慮到孔徑較小,假設管內(nèi)壓力不受泄漏的影響而發(fā)生變化,并且忽略摩擦的影響,氣體膨脹過程為等熵過程,因而氣體泄漏速率恒定,等于起始最大泄漏速率。
當孔口氣體泄漏為臨界流時,起始最大泄漏速率為:
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當孔口氣體泄漏為亞臨界流時,起始最大泄漏速率為:
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式中qm,max——氣體泄漏的起始最大泄漏速率,kg/s
CO——氣體排放系數(shù),對Re>30000的非臨 界流取0.61,其他情況取[10]。
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當管道由于某種原因發(fā)生全截面斷裂時,采用管道泄漏模型,圖1中的點2和點3狀態(tài)一樣,即p2=p3=pao 。利用機械能守恒方程和總能量守恒方程來描述管內(nèi)氣體的絕熱流動過程[10]:
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式中 u——氣體泄漏時的流速,m/s
ρ——氣體密度,kg/m3
F摩擦力,N
H——氣體的焓,J
μ——動摩擦系數(shù)
L——泄漏點距起始點的距離,m
D——管道內(nèi)徑,m
上面的兩種模型只是在小孔和管道全部斷裂的情況下適用,而對于大孔泄漏就不適用。大孔泄漏在實際工程中是非常普遍的,由于大多數(shù)管道埋在地下,經(jīng)常會因操作不當或工程機械的使用不當受到損壞,發(fā)生氣體泄漏事故[10],而這種泄漏不可避免會造成大孔泄漏。在這種情況下,如果不知道氣體泄漏模式,就很難確定事故的影響范圍,給應急救援帶來很大的盲目性,可能會造成更大的事故風險,如果運輸?shù)氖且兹家妆坝卸練怏w,其后果將更加嚴重。
1.3 其他模型
有專家學者對天然氣管道運輸泄漏模型也進行了研究[12、14],將天然氣在管道中的流動看成絕熱過程,在泄漏點看成等熵過程,對中低壓運輸氣體,考慮運輸氣體穩(wěn)定與不穩(wěn)定流動情況,運用能量守恒和動量守恒定律,得出一個關于氣體管道運輸?shù)哪P?,這個模型適合穩(wěn)定情況下的下列情況:①管道內(nèi)為亞臨界流,泄漏處為臨界流;②管道內(nèi)和泄漏處均為亞臨界流;③管道內(nèi)和泄漏處均為臨界流。此模型也適合于非穩(wěn)定的情況,如泄漏一段時間后,管道停止供氣而引起泄漏速率減小。氣體泄漏的模型為:
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?式中Le——管道等效長度,m,是管道實際長度與壓降系數(shù)函數(shù)的和[11]
對理想氣體,根據(jù)連續(xù)性方程,其最大泄漏速率qm,max可以用下式表示:
該管道泄漏模型適合于各種孔徑,但也存在一些不足,它只適合于管道運輸氣體是中低壓的情況,也就是將管道中氣體看成是理想氣體,而不適合高壓的情況。
2 結(jié)論
以上管道泄漏速率的3種模型都有各自的適用范圍,因此應根據(jù)管道運輸泄漏的具體情況,分析選取合適的泄漏模型。在大多數(shù)情況下,可以將上面3種模型結(jié)合起來使用,取長補短,優(yōu)勢互補。研究更加切合管道運輸實際情況的泄漏模型將是管道泄漏模型的發(fā)展方向,也是對管道泄漏事故后果進行評價的迫切需要。