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天然气输送管道喷射火危害特征及多米诺效应防控研究

周志航  
【摘要】:管道输送天然气是最为普遍且经济高效的天然气能源输送方式,但天然气管道运营过程中重大事故(喷射火事故发生频次最多)时有发生,造成重大人员伤亡、财产损失或环境破坏,管道输送安全问题已引起各国政府和社会公众的广泛关注。然而,为了满足不断增长的能源需求,考虑到管道铺设空间条件有限、建设与维护经济成本等方面的实际问题,近间距并行铺设管道情况日益增多。在并行管道运营过程中,若其中一条管道发生泄漏产生喷射火事故可能会导致相邻管道相继发生失效,引发事故多米诺效应,造成更为严重的事故后果。因此,并行管道运行安全问题更加不容忽视,研究并行管道喷射火事故多米诺效应防控具有重要的现实意义和工程应用价值。当前关于并行管道喷射火事故多米诺效应的研究主要关注目标管道失效的简化判定和事故多米诺效应发生概率的计算,缺乏从源管道喷射火危害特征参数预测和目标管道热失效作用机理角度深入探究事故多米诺效应发生规律,而且,多米诺效应防控研究以定性或经验分析为主,缺少系统性的量化研究。为此,以并行管道喷射火事故场景为研究对象,以揭示喷射火导致多米诺效应发生机理为核心,以事故多米诺效应防控为目的,主要开展了以下研究:(1)天然气喷射火几何形态与热辐射分布特征实验研究。为研究源管道喷射火的几何形态特征与热辐射分布特征,搭建天然气喷射火实验平台,开展火焰热释放速率达3.5MW的中度尺寸圆形源与矩形源喷射火实验,其中,工况设计考虑火焰弗劳德数达4.46的圆形源喷射火和火焰弗劳德数达3.06的矩形源喷射火;应用基于灰度阈值判定的出现概率分布云图法处理CCD图片和红外图片,并对比分析两类火焰图片处理结果;实验获得火焰几何形态特征参数的工况数据和近场热辐射分布工况数据,为相关理论模型研究提供数据基础。(2)源管道喷射火冲击距离与推举距离预测方法研究。基于含有火焰燃烧动力参数的无量纲参量研究能准确预测圆形源喷射火冲击距离的关系式;探究圆形源喷射火推举距离与喷口直径影响规律,并采用混合度-反应度火焰面理论中的无量纲参量组,研究提出描述火焰推举距离和出口工况参数之间变化规律的预测关系式;研究获得Quintiere和Grove提出的矩形源火焰可见长度理论模型中卷吸强度常数C_1的改进值,将该经典理论模型扩展应用到浮力主控转动量主控过渡区的矩形源喷射火;应用基于混合度-反应度火焰面理论的量纲分析方法,提出适用于较大范围喷口长宽比的推举距离预测关系式。以上几何特征参数的预测方法研究分别为并行管道火焰冲击场景中判定火焰是否接触管体和仅热辐射作用场景中预测近场热辐射提供重要的参数输入。(3)源管道喷射火近场热辐射分布特征预测方法研究。采用基于鸡群优化算法的热源权重参数反演优化研究思路,探究权重多点源热辐射模型中热源权重参数与出口工况参数之间的影响规律;研究热源权重沿火焰轴向相对位置的分布特征,提出基于火焰弗劳德数的热源权重优化关系式,发展基于该优化关系式的新权重多点源模型,有效解决原权重多点源模型中热源权重分配过于简化的问题,明显提高圆形源喷射火近场热辐射预测准确度;探究喷口长宽比对矩形源喷射火的近场热辐射的影响,建立热辐射修正因子与喷口长宽比的新关系式,提出适用于矩形源喷射火近场热辐射预测修正模型。以上热辐射预测模型研究可用于准确预测喷射火近场内目标管道接收热辐射值。(4)喷射火环境下目标管道热失效作用机理研究。考虑实际场景中源管道喷射火持续过程的非稳态特性,基于PR状态方程计算源管道天然气瞬时泄漏过程混合气体状态参数,结合前文研究的喷射火几何与热辐射分布特征预测关系式,建立非稳态喷射火环境下目标管道接收瞬态热流密度预测方法;建立基于有限差分法目标管道管壁动态热响应分析模型,并分别系统性的提出针对地面并行管道和埋地并行管道两种场景的目标管道动态热失效判定分析方法,克服前人研究中静态热响应分析的不足;应用目标管道动态热失效判定分析方法,对火焰冲击作用和仅热辐射作用导致多米诺效应发生的两起事故进行案例应用研究,从目标管道的管壁承载总应力(包括热应力和压应力)与管材力学性能下降的角度揭示目标管道热失效作用机理,阐明实际事故案例中目标管道的动态热失效过程和轴向断裂失效模式。(5)并行管道喷射火事故多米诺效应防控研究。应用已建立的目标管道动态热失效判定分析方法,系统性的量化分析相邻上下游截断阀站的间距、源管道与目标管道的净间距、目标管道气体流速和目标管道运行压力等4类单参数优化、以及目标管道运行压力与目标管道壁厚组合参数优化对目标管道热失效减缓作用的影响规律,并从降低最大断裂失效应力和最大弹性失效应力参数所需的优化幅度的角度,对比分析各类参数优化对减缓目标管道失效作用的大小;考虑到单参数优化和组合参数优化之间具有独立性,研究各类参数优化的优先级顺序以及相应参数的合理优化幅度,应用系统工程原理与方法,结合工程实际的可行性,分别提出基于多级参数优化的并行管道设计阶段和运行阶段的喷射火事故多米诺效应防控策略,克服当前基于定性或经验分析的防控研究方法的不足,为并行管道工程设计和运行安全管理提供新思路。


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