基于埋地热力管道泄漏土壤温度场数值分析

兰州文理学院学报(自然科学版)

)JournalofLanzhouUniversitfArtsandScience(NaturalSciencesyo

Vol．３５No．１

Jan．２０２１

()　　文章编号:２０９５Ｇ６９９１２０２１０１Ｇ００７１Ｇ０６

基于埋地热力管道泄漏土壤温度场数值分析

(安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽合肥２清华大学合肥公共安全研究院,安徽合肥２１．３０６０１;２．３０６０１;

)北京辰安科技股份有限公司,北京１３．０００９５

２３,∗

,,余本海１,杨阳２,方廷勇１

摘要:为研究蒸气在土壤中泄漏扩散后温度场的分布情况,基于小孔泄漏模型,利用CFD对埋地蒸气热力管道进行泄漏扩散模拟．研究结果表明:在蒸气热力管道泄漏过程中,当泄漏孔径和管道运行压力增大时,土壤高温区和温度梯度区范围变大,而土壤孔隙率增大时,土壤高温区范围基本不变,温度梯度区范围变大．关键词:蒸气;土壤温度场;泄漏孔径;土壤孔隙率;管道运行压力CFD;中图分类号:TU９９５．２　　　文献标志码:A

0　引言

６]

得了一定的成果．吴晋湘等[通过对埋地热力管

道在不同朝向的泄漏工况下进行实验,分析了管道泄漏过程中传热质对管道上方土壤的温湿度影

７]响规律．吴国忠等[根据相似理论建立埋地热水

随着供热需求不断上升,供热管道的数量和

规模也在快速增涨．目前供热管道根据管内介质种类分为热水供热管道和蒸气供热管道,其中蒸气供热管网一般位于地表以下．由于土壤环境复杂使得供热管道腐蚀老化引发管道破损,导致供热介质持续不断暗漏,这不仅会影响日常的生产生活,还会造成巨大的能源浪费,因而快速准确地

１]

判断埋地供热管道的泄漏点十分重要[．

管道的泄漏模型,并通过数值模拟和实验方法,将管道泄漏后形成的土壤温度场分为高温区、温度

８]

梯度区和恒温区．朱前[基于有限元法对埋地输

道周围土壤温度场进行数值模拟分析,提出热力影响区的概念．现有的研究大都未结合埋地蒸气热力管道实际的布设情况,研究蒸气泄漏后土壤温度场的分布情况．本文以此为切入点,构建了蒸气在土壤中泄漏扩散的三维物理模型,分析了不同工况条件下蒸气泄漏后土壤温度场的分布情况,为温度传感器的布置提供可行的方案．

随着技术的发展,国内外形成了很多管道漏

[]

点定位方法．AhmedAtef等２结合探测雷达与

红外热像技术,研发出一套检测管道泄漏方法．陈

３]述等[利用分布式光纤传感器对埋地热力管道泄４]漏后在土壤中形成的温度场进行监测．赵龙灿[

提出了一种新型的管道检漏方法,即将弱磁检测技术与红外测温检测技术结合,形成磁温梯度检测方法用于管道检漏．上述方法普遍存在技术复杂、造价昂贵、适用范围局限等弊端．目前常用的管道泄漏检测方法为分布式温度传感器的使

５]

,用[该方法具有灵敏度高的优点,但传感器位置

1　孔泄漏模型

[]

该模型主要适用于Crowl和Louvar进行改进９．

1.1　管道小孔泄漏模型

管道小孔泄漏模型,由Levensiel提出,p管道泄漏口孔径远小于管道直径且泄漏口不大于

小孔泄漏模型忽略管内气体压力的变化和沿

的分布将直接影响漏点定位的判断,因此可以通过数值模拟的方法进一步指导传感器的布设．

目前国内外学者通过实验和有限元分析等方

２０mm的工况条件下气体泄漏量的计算．

程阻力影响,将泄漏过程看作可压缩理想气体的定熵过程,小孔泄漏模型如图１所示,点１为上游管道入口截面的中心点;点２为泄漏口的入口点;

法开展了一系列针对管道泄漏方面的研究,并取

收稿日期:２０２０Ｇ０８Ｇ０４

()基金项目:北京市科技计划课题“热力管网安全运行监测技术研究与应用”Z１８１１００００９０１８００７:mail１７２３８０６０８２＠q．com．q

),作者简介:余本海(男,安徽安庆人,在读研究生,研究方向:安全工程以及供热、供燃气、通风及空调工程．１９９６ＧEＧ:杨阳．∗通讯作者:EＧmailanan＠tsinhuaＧhf．edu．cn．ygygg

兰州文理学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３５卷７２

点３为泄漏口出口截面的中心点．

2.2　物理模型

在忽略蒸气供热管道内气体流动的基础上建立三维物理模型,通过设置合理的边界条件可以

１１]模拟蒸气供热管道泄漏扩散的现象[由于泄漏．

扩散的范围远大于管道直径,故将问题简化为一个三维的立方体(埋地蒸气１５m×１５m×６m)．管道径向截面如图２所示,将泄漏区域内的土壤定义为多孔介质并添加阻力源项;计算区域(立方体)的上表面与侧面分别定义为换热面与压力出图１　管道泄漏小孔模型示意图

1.2　泄漏量计算模型

当埋地蒸气热力管道发生小孔泄漏时,由于管道泄漏口孔径远小于管道直径且管道内蒸气的输送量不变,故可将管道泄漏过程近似看作稳态泄漏过程,即:P１＝P２小孔泄漏量计算模型．

＝P３,根据文献[１０]可得Ρκβ＝aæ２öκ－１

Ρ÷c＝ç

èκ＋１ø．(１)当泄漏口的绝对压力小于临界压力,即P３c时,

则＜

απd２æΡκ＋qaö２κæΡaöκ１m＝４ΡùRΤ３２κ２κ－Mé１êêëçèΡ÷－çèΡ÷ú３ø

３øúû

．当泄漏口的绝对压力大于等于临界压力,(２

即

)３≥Pc时,

则κ＋

１qm＝

απβ为临界压力比４d２ΡRΤ３;

２

κMæçèκ２öκ－１

＋１÷ø．(３)式中:Pa为大气压,单位为Pa;c为泄漏孔处的临界压力,单位为系数;qm为泄漏质量流量,单位为流量系数,与孔口面积及孔口流速有关的系数kgP/as;;κ为等熵

α为孔口孔时用当量直径;,可取０．９０~０．９８d为泄漏口孔径(泄漏口为非圆),单位为蒸气的绝对压力m;M为相对分子质

量;,

a;PT３为图为图２２中泄漏点中点２蒸气的温度３单位为,气的气体常数,单位为J/(单位为kg．K)．K;R为蒸

2　模型建立

2.1　工程概况

本文研究埋地蒸气热力管道在半无限大土壤空间中泄漏扩散的传热问题以及蒸气泄漏后土壤温度场的分布情况．以合肥某地蒸气热力管道上壁面腐蚀穿孔为例,管道上壁面距地表供热管道直径为温度为２８５K．

５００mm,在标准大气压下１m,,蒸气环境口,泄漏口定义为质量流量入口,管内饱和蒸气会向周围土壤渗流扩散,将该过程看作多孔介质流

固耦合换热问题[１２]．

图２　埋地蒸气管道土壤径向截面图

3　数值模拟与结果分析

蒸气在土壤中的扩散主要受对流和扩散的影

响．对流是由压差或外力驱动的物质传递,扩散主要是由浓度差引起的分子运动域,由于压差引起的对流迁移占主导地位．在泄漏口附近区,因此蒸气将朝各个方向弥散土壤中的阻力作用逐渐大于压差作用．随着蒸气迁移范围的增大,,使得压差作用越来越弱,气体迁移受浓度差引起分子运动及惯性的影响,此时扩散占据主导作用,蒸气随着水平扩散距离的增加主要呈现出与速度方向相同的扩散趋势．在泄漏过程中,管道内蒸气的输送量不变,因此可将蒸气泄漏扩散过程看作稳态泄漏过程3.1　．

泄漏孔径对土壤温度场的影响

研究泄漏孔径对蒸气泄漏扩散后土壤温度分布情况的影响,根据城镇供热直埋蒸气管道技术规程和合肥地区土壤的物理性质,标准大气压下

PPPP第１期

余本海等:基于埋地热力管道泄漏土壤温度场数值分析

７３

,取蒸气热力管道运行压力为０．土壤孔隙８MPa/(,/(比热容为２５１􀆰５１２Wm􀅰K)００Jk．g􀅰K)

构建管道泄漏扩散模型,泄漏口位于管道上壁面且形状为圆形,模拟不同泄漏口径下土壤温度场到达稳态时的分布情况．图３为饱和蒸气泄漏后())()和(的泄漏孔径为０．和０􀆰０１m,cd０１５m,e()的泄漏孔径为０．f０２m．力管道泄漏口处的土壤温度场呈椭圆形分布且温

()()由图３中可以看出:埋地蒸气热a~图３f)截面温度分布图．其中(和(的泄漏孔径为ab)土壤温度场达到稳定状态时y＝０截面和x＝０/率为０．密度为２６导热系数为４５,５０km３,g

度变化较小,将其称为高温区．与其相邻的区域为温度梯度区,该区域的温度变化剧烈．由于蒸气温度和土壤温度差别较大,故根据温度变化率和温度区间将温度梯度区划分为亚高温区和中低温区．相较于中低温区,亚高温区温度范围更高且等温线的分布更密集,表示其温度变化更剧烈．对比且高温区和温度梯度区的范围增大．同时随着泄漏孔径的增大,亚高温区和中低温区的范围增大,温度梯度区内等温线的分布变得稀疏,表明土壤与泄漏点的水平距离越大,温度下降趋势越平缓．()()、()()()()图３图３和图３结果表明:管道abcdef

泄漏口孔径越大,蒸气的泄漏量和扩散范围越大,

()孔径为０．a０１m时y＝０截面土壤温度分布()孔径为０．b０１m时x＝０截面土壤温度分布

()孔径为０．c０１５m时y＝０截面土壤温度分布

()孔径为０．d０１５m时x＝０截面土壤温度分布

()孔径为０．e０２m时y＝０截面土壤温度分布()孔径为０．f０２m时x＝０截面土壤温度分布

图３　孔径对饱和蒸气泄漏土壤温度场的影响

兰州文理学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３５卷７４

3.2　土壤孔隙率对土壤温度场的影响

为研究土壤孔隙率对蒸气泄漏扩散后土壤温度分布情况的影响,在标准大气压下取管道运行压/土壤密度为２６导热系数为０．０２m,５０km３,g

/(,/(比热容为２５时１􀆰５１２Wm􀅰K)００Jkg􀅰K)对应的土壤孔隙率分别为０．得３５、０．４５和０．５５,

())从图４中可看出:相较于管道上a~图４(f,力为０．圆形泄漏口位于管道上壁面孔径为８MPa

造成该现象的原因是:在泄漏口附近,由于压差作用,蒸气将朝各个方向对流扩散,而埋地管道对蒸气向下扩散有一定的阻碍作用,随扩散距离的增)(、响,表现出向上扩散的趋势．对比图４(图４ab)

()())(),和图４(结果表明:土壤孔隙率越大,cdef高温区的等温线越密集,表明温度急剧下降．随着土壤孔隙率的增大,位于管道上方高温区范围基本不变,温度梯度区范围增大．分析原因:当土壤孔隙率增大时,土壤阻力越小,蒸气在毛细作用力的影响下更易选择大孔隙的土壤,导致泄漏扩散的路径大,压差作用减弱,蒸气扩散受浓度差及惯性的影

))、())、())位于管道下方高温区的范围越大,的工况条件．图４中(和(和(和(温度梯度区中亚abcdef

到的土壤温度场达到稳定状态时y＝０截面和x＝

０截面温度分布图．

方,管道下方的热力影响区域较小,温度梯度区内

等温线的分布较密集,表明温度下降趋势越剧烈．随机,扩散范围更大．

()孔隙率为０．a３５时y＝０截面土壤温度分布()孔隙率为０．b３５时x＝０截面土壤温度分布

()孔隙率为０．c４５时y＝０截面土壤温度分布

()孔隙率为０．d４５时x＝０截面土壤温度分布

()孔隙率为０．e５５时y＝０截面土壤温度分布()孔隙率为０．f５５时x＝０截面土壤温度分布

图４　孔隙率对饱和蒸气泄漏土壤温度场的影响

第１期

余本海等:基于埋地热力管道泄漏土壤温度场数值分析

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3.3　压力对土壤温度场的影响

管道运行压力也是影响蒸气泄漏扩散后土壤温度分布情况的重要因素之一．在本次模拟研究中,基于合肥地区典型土壤条件,在标准大气压力/(下取土壤孔隙率为０．导热系数为１．４５,５１２Wm壁面的工况条件．

MPa．

())从图５中可看出:与亚高温区相比,a~图(f中低温区内等温线的分布较稀疏,温度下降趋势缓慢．随着管道运行压力的增大,蒸气泄漏初始时刻热量将随管道压力的增大而变大．对比图５(a)度梯度区的范围也随之增大．

,())运行压力为０．和(管道运行压力为１９MPaef

􀅰K),//(密度为２６比热容为２５根据小孔泄漏量计算模型及相关传热理５０km３,００Jkgg温度变大．

􀅰K)且孔径为０．０２m的圆形泄漏口位于管道上论可知蒸气的泄漏量和埋地管道单位时间内泄漏)时y＝０截面和x＝０截面温度分布图．其中(和a(),())的管道运行压力为０．和(的管道b８MPacd

图５为蒸气泄漏后土壤温度场达到稳定状态

()、()())()图５和图５(也可得出:随着管道bcdef

运行压力的增大,蒸气扩散范围增大,高温区和温

()压力为０．a８MPa时y＝０截面土壤温度分布()压力为０．b８MPa时x＝０截面土壤温度分布

()压力为０．c９MPa时y＝０截面土壤温度分布

()压力为０．d９MPa时x＝０截面土壤温度分布

()压力为１MPea时y＝０截面土壤温度分布()压力为１MPfa时x＝０截面土壤温度分布

图５　压力对饱和蒸气泄漏土壤温度场的影响

兰州文理学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第３５卷７６

4　结束语

笔者基于小孔泄漏模型,以合肥某地蒸气热力

[２]AHMEDATEFA,TAREKZAYED,ALAAHAＧ

():工程,２０１２,２８１３７Ｇ４１．

管道上壁面腐蚀穿孔为例构建三维物理模型,在此基础上利用CFD对埋地蒸气热力管道泄漏后土壤温度场进行模拟分析,得出的主要结论有．()泄漏孔径、土壤孔隙率以及管道运行压力１

是影响蒸气热力泄漏后土壤温度场分布的主要因素．通过分析其对蒸气泄漏扩散后土壤温度场的影响规律,可以为快速定位热力管道漏点位置技术的研发和管道泄漏监测方案中温度传感器的布设提供理论支持和科学依据．

]rahndGPRtodetectandlocatewaterleaks[J．gpya[]陈述,李素贞,黄冬冬．埋地热力管道泄漏土体温度场３

[]赵龙灿．基于磁—温梯度的供热管道检测技术研究４

[]史俊杰,王岳,马跃,等．热油在不同孔隙度土壤中泄漏５

[]吴晋湘,王彦逍,赵涛等．基于土壤温湿度的埋地供热６

]():管道泄漏检测方法[暖通空调,J．２０１８,４８９５８Ｇ６２．]():的温度场模拟[当代化工,J．２０１３,４２１６６Ｇ６９．[南昌:南昌航空大学,D]．２０１７．

]():光纤监测[仪器仪表学报,J．２０１９,４０３１３８Ｇ１４５．,():AutomationinConstruction２０１６６１６２Ｇ１７０．

WAR,etal．MultiＧtiermethodusinnfraredphotoＧgi

]WUG７GUOZHONG,SSONGFENFEN,LIDONG．InＧ()蒸气泄漏扩散的热力影响区域随泄漏孔径、[２

fraredtemeraturemeasurementandsimulationofp

土壤孔隙率和管道运行压力的增大而变大．泄漏孔

径及管道压力的增大都将引起泄漏量增加,进而导致土壤高温区和温度梯度区范围增大,而同时管道压力的增加导致的蒸气泄漏初始时刻温度增高又会加剧这一趋势．土壤孔隙率越大,土壤阻力越小,土壤高温区范围基本不变,温度梯度区范围变大．

笔者在对埋地蒸气热力管道泄漏后土壤温度

[temeraturefieldonburiedpielineleakaeC]．InterＧppgnationalConferenceonPielines&TrenchlessTechＧp,,noloShanhai２００９:２０３Ｇ２０９．gyg

[]朱前．埋地热力管道周围土壤温度场数值模拟及应用８

[]９LEVENSPIELO．Enineerinlowandheatexchaneggfg[]桑润瑞．硬化路面下管道燃气在土壤中的泄漏扩散研１０

[]任喆．基于F１１LUENT的埋地天然气管道泄漏数值模[]刘国彬．地埋管道散热与泄漏对周围土壤温度的影响１２

[天津:河北工业大学,D]．２０１６．拟[哈尔滨:哈尔滨理工大学,D]．２０１６．究[济南:山东建筑大学,D]．２０１９．[:,M]．BerlinSriner２０１４．pg

研究[西安:西安石油大学,D]．２０１７．

场进行数值分析过程中,仅考虑泄漏口竖直向上的工况,因此未来需进一步研究泄漏口的朝向对土壤温度场的影响．参考文献:

[]申金波,王松岭,吴正,等．考虑土壤耦合传热特性的地１

]下供热管道泄漏温度场仿真分析研究[电力科学与J．

[责任编辑:李　岚]

NumericalAnalsisofSoilTemeratureFieldBasedyp

ontheBuriedThermalPielineLeakaepg

(,A,H;１．SchoolofEnvironmentandEnernineerinnhuiJianzhuUniversitefei２３０６０１,ChinagyEggy

,,H;２．HefeiInstituteforPublicSafetesearchTsinhuaUniversitefei２３０６０１,ChinayRgy

,,)３．BeiinlobalSafetechnolon．cBeiin１０００９５,ChinajgGyTgyIjg

１２２３∗１

,,YuBenＧHaiYANGYanFANGTinＧonggyg,

,

iedsteamthermalpies．Theresearchresultsshowedthatdurinheleakaeprocessofthesteampgtg

,,thermalielinewiththeincreaseofleakaeporesizeandpieoeratinressuretheraneofsoilppgppgpg,whihtemeraturezoneandtemeraturegradientzonebecamelarerhilethesoilporositnＧgppgyi

,,creaseedtheraneofsoilhihtemeraturezonebasicallemainedthesameandtheraneoftemＧggpyrgeraturegradientzonebecamelarer．pg:;;;Keordssteam;CFD;soiltemeraturefieldleakaeaertureielineoeratinressuresoiloＧpgppppgppyw

:AbstractInordertostudhedistributionofthetemeraturefieldaftersteamleaksanddiffusesinytp,,thesoilbasedontheporeleakaemodelCFDwasusedtosimulatetheleakaeanddiffusionofburＧgg

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