1. 研究目的与意义（文献综述）

随着时代的发展以及社会的进步，人们对能源的要求已不仅仅是简单的能够使用、满足生活所需，而更多的开始关注能源的安全性与环保性。相比于石油、煤炭等能源，天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40％左右，产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值较高、洁净的优势。同时我国的天然气资源十分丰富，据我国国土资源部数据显示，截至目前为止，我国天然气储量继续快速增长，连续14年新增探明地质储量超过5000亿立方米，尤其是2014年中国天然气、页岩气和煤层气等新增探明地质储量创出历史新高，合计首次突破万亿立方米，达到1.11万亿立方米，新增探明技术可采储量增至5321.75亿立方米，同比增长73.6%。2016年全国天然气新增探明地质储量7265.6亿立方米。
在这种形势下，我国天然气的普及率逐年提升，城市燃气管网的数量持续增多，为人们的日常生活提供了极大的便利。由于我国的天然气资源地理分布不均衡，为实现资源的合理利用，建立了跨度极广的多个输气管网。截至目前为止，我国已经形成了由西气东输一线和二线、陕京线、川气东送为骨架的横跨东西、纵贯南北、连通海外的全国性供气网络。“西气东输、海气登陆、就近外供”的供气格局已经形成，并形成较完善的区域性天然气管网。
2004年，中国油气管道总里程不到3万公里。截至2016年底，中国已建成油气管道总里程11.64万千米，其中天然气管道6.8万千米。经过十年的加速建设与发展，覆盖全中国的油气管网初步形成，东北、西北、西南和海上四大油气通道战略布局基本完成。
我国已经形成了由西气东输一线和二线、陕京线、川气东送为骨架的横跨东西、纵贯南北、连通海外的全国性供气网络。“西气东输、海气登陆、就近外供”的供气格局已经形成，并形成较完善的区域性天然气管网。
国内油气主干管网将建设西气东输三线、四线，西气东输、陕京线以及川气东送等骨干天然气管道及联络线进一步建成和完善。
天然气在输送的过程中，由于管道老化，管壁受到腐蚀，连接件之间密封不紧密，管理人员疏漏等情形均会导致天然气的泄露。而燃气管网的泄露还会引发极为极为严重的次生灾害，导致管道的爆裂甚至爆炸。燃气管网的辐射范围非常广阔，闹市区，居民区都有其存在。次生灾害一旦发生就会带来巨大的财产损失，甚至威胁人民群众的生命安全。引发天然气管道泄漏的主要原因可以分为以下几点：
①第三方施工造成天然气管道破裂:挖掘、打桩、定向钻、开挖施工等，这是造成高中压天然气管道发生事故的最主要的因素;
②施工/建材质量:技术水平、焊接缺陷、检验控制、补口补伤质量、建材质量等;
③腐蚀失效:主要有化学/电化学腐蚀、应力腐蚀、微生物腐蚀、电流干扰腐蚀;
④自然灾害:如山体滑坡、地震或泥石流等地质运动导致管道断裂。
燃气泄漏是燃气系统中最典型的事故之一，近年来，国内外的诸多专家学者在管道输送安全方面做了许多研究。
泄漏过程的研究主要是气体泄漏率的计算。国外泄漏模型的研究开展较早，Levenspiel 在《工程流体流动与传热》中提出了储罐发生管道全截面断裂和孔隙泄漏时泄漏量的计算模型；尼日利亚学者 Olorunmaiye和英国学者 Catlin分别用特征值法和流体力学方法计算了高压输气管线完全破裂时的气体泄漏率。
2003年，蔺跃武运用流体力学和热力学理论基础知识，结合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和气体状态方程，建立普遍化的管道泄漏模型，可以对不同泄漏孔径从小孔到管道完全破裂的泄漏量进行分析与计算。
2007年，向素平提出了一种可适用泄漏口尺寸范围广，不再局限于很小的孔口和完全破裂的管道的泄漏模型，并指出这种准确的计算还能更好地发挥各种扩散模型。
2008年，刘中良等应用热力学和气体动力学理论，结合理想气体状态方程、绝热方程和能量守恒方程，研究分析了天然气管道的泄漏过程，分别给出了在临界泄漏阶段以及亚临界泄漏阶段的泄漏速率计算公式，为天然气管输安全工程的相关计算提供了可靠的理论依据。
2009年，王兆芹提出可以用泄漏孔的孔径与管径的比值(d/D)作为工程计算的模型应用判断条件。在 90%的准确度下，当 d/D≥0.6 时，使用管道模型计算泄漏率简单方便；当0.2lt;d/Dlt;0.6 时，宜采用其他泄漏模型。
目前，国内外学者主要将泄露模型主要分为三类：
①小孔泄露模型
对于小孔模型,考虑到孔径较小,假设管内压力不受泄漏的影响而发生变化,并且忽略摩擦的影响,气体膨胀过程为等熵过程,因而气体泄漏速率恒定,等于起始最大泄漏速率。
②管道泄露模型
管道泄漏模型适用于开裂泄漏的情形。开裂泄漏的原因通常是由于外力干扰或超压破裂,属于大面积泄漏,泄漏口面积通常为管道截面积的80%一100%。开裂泄漏瞬时泄漏量大,导致管道或设备中的压力明显降低。燃气管道由于第三方破坏等原因造成的大面积断裂或全部断裂,此时发生的泄漏量可使用管道泄漏模型进行计算。
③其他泄露模型
有专家学者对天然气管道运输泄漏模型也进行了研究,将天然气在管道中的流动看成绝热过程,在泄漏点看成等熵过程,对中低压运输气体,考虑运输气体稳定与不稳定流动情况,运用能量守恒和动量守恒定律,得出一个关于气体管道运输的模型,这个模型适合稳定情况下的下列情况:①管道内为亚临界流,泄漏处为临界流;②管道内和泄漏处均为亚临界流;③管道内和泄漏处均为临界流。此模型也适合于非稳定的情况,如泄漏一段时间后,管道停止供气而引起泄漏速率减小。

天然气在输送的过程中，由于管道老化，管壁受到腐蚀，连接件之间密封不紧密，管理人员疏漏等情形均会导致天然气的泄露。而燃气管网的泄露还会引发极为极为严重的次生灾害，导致管道的爆裂甚至爆炸。燃气管网的辐射范围非常广阔，闹市区，居民区都有其存在。次生灾害一旦发生就会带来巨大的财产损失，甚至威胁人民群众的生命安全。因此针对天然气不同的泄露模式进行模拟计算，并据此提供相应的城市管网应急响应措施，是保证生产安全，减少泄露损失的重要环节。

2. 研究的基本内容与方案

本文基于流体力学，工程热力学及传热学，燃气输配，油气集输以及计算机软件（TGNET）以城市管网为研究对象对不同泄露模式进行了模拟计算。利用流体力学的基本知识详细计算了不同情境下天然气管网的泄漏量。TGNET主要用于输气管道稳态及瞬态仿真，通过快速建立管道系统模拟各种管道配置的正常操作决定最有效率的设计或操作模式，模拟如泄漏或设备故障等事件引发的瞬态条件来决定最有效的改正。本文对不同条件下的泄露情况进行模拟分析并针对其运行模拟状况制订了相应的应急响应预案。
本课题主要研究内容包括：
①认真学习流体力学，工程热力学及传热学，高等数学等基础知识，为后续工作计算打下基础；
②收集国内外关于天然气泄漏的相关资料，了解该方向国内外的研究情况；
③认真分析国内外关于天然气泄漏以及应急响应的措施，并总结他们研究类似问题的方法，并在本课题中加以运用。
④学习使用TGNET软件，以城市燃气系统为研究对象，通过快速建立管道系统模拟各种管道配置的正常操作决定最有效率的设计或操作模式，模拟如泄漏或设备故障等事件引发的瞬态条件来决定最有效的改正。
⑤根据实验模型分析实验结果，并论证其正确性。
⑥在以上研究的基础上，针泄露情况制订相应的应急响应预案。
本论文主要从理论分析和软件模拟（TGNET）两个方面来进行研究。同时将两种研究方法相互结合，在研究过程中，每种研究方法的结果也作为其他研究方法的结果参考标准之一，同时也相互印证，得出最终的研究结果。这是本文的难点，也是本文的创新之处。
首先，进行理论分析，在查阅了众多国内外资料的情况下，总结前人的经验，并建立模型。但由于理论情形与实际具有一定的出入，往往很小的偏差就可能造成结果产生巨大的误差，因此理论分析的结果仅仅作为最终结果参考之一。若理论分析结果与TGNET模拟结果具有极大的误差，以后者研究结果为准。
其次，进行软件模拟（TGNET），利用软件建立模型，并对结果进行仿真模拟。
最后将两种研究结论相互对比，得出最终结果。并制定相应的应急响应预案。

3. 研究计划与安排

第1-3周：收集文献和相关资料进行毕业设计调查，完成开题报告和文献综述；

第4-5周：查阅相关书籍，熟悉并掌握tgnet等软件在本次研究中需要的操作并作适当。熟悉城市燃气管道系统的工艺流程和泄露应急方案。

第6-7周：以城市官网为研究对象对不同泄露模式进行理论分析；

4. 参考文献（12篇以上）

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