架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

付吉強(qiáng)，熊新強(qiáng)，王 蕓，楊志超，程 磊

（1. 中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552; 2. 中石化勝利石油有限公司現(xiàn)河采油廠采油二礦王崗聯(lián)合站，山東 東營(yíng) 257000）

架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

付吉強(qiáng)1，熊新強(qiáng)1，王 蕓1，楊志超1，程 磊2

（1. 中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552; 2. 中石化勝利石油有限公司現(xiàn)河采油廠采油二礦王崗聯(lián)合站，山東 東營(yíng) 257000）

建立了架空管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程控制方程，并對(duì)架空管道發(fā)生穿孔時(shí)的穩(wěn)定泄漏和非穩(wěn)定泄漏過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了泄漏口流速，及風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散規(guī)律的影響，并給出了不同工況下甲烷的爆炸極限范圍及硫化氫中毒范圍，確定了實(shí)施營(yíng)救的最佳時(shí)間。

天然氣；管道；泄漏；數(shù)值模擬

管線腐蝕穿孔是天然氣管道泄漏最常見(jiàn)的工況之一。原因在于管線外部常使用多孔易吸水的保溫材料，致使水分與鋼管進(jìn)行長(zhǎng)期電化學(xué)作用，表面出現(xiàn)銹蝕。加之天然氣成分中含有少量的硫化氫和水蒸氣，造成管道內(nèi)壁化學(xué)腐蝕。長(zhǎng)期的內(nèi)外腐蝕使管壁變薄不能承受管內(nèi)的高壓作用而出現(xiàn)穿孔泄漏[1-5]。

本章主要以含硫天然氣管道為例，對(duì)短時(shí)穩(wěn)定泄漏及切斷氣源的非穩(wěn)定泄漏過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了地表風(fēng)速，管內(nèi)壓力對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出模擬區(qū)域內(nèi)天然氣云團(tuán)的擴(kuò)散特性。對(duì)有效預(yù)測(cè)出甲烷爆炸危險(xiǎn)區(qū)及硫化氫中毒危險(xiǎn)區(qū)域范圍應(yīng)對(duì)方案提出了理論依據(jù)。

1 架空輸氣管道穩(wěn)定泄漏數(shù)學(xué)模型

輸氣管道泄漏后，天然氣的擴(kuò)散可認(rèn)為是多組分氣體相互作用的湍流[6,7]。綜合考慮計(jì)算條件和工程要求，采用耦合隱式求解器，基本方程為定常Reynolds時(shí)均方程 ，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn) 模型 。其控制方程可以給出一個(gè)統(tǒng)一的表達(dá)式：

其中：φ—變通變量;

?！獢U(kuò)散系數(shù)；

u—速度矢量；

S—源項(xiàng)。

（注意這里的Γ和S是對(duì)應(yīng)特定的變量Φ來(lái)說(shuō)的）在通用的上面公式中，從左到右的4項(xiàng)分別是時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。將Φ取為不同的變量，并取擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)為適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式，就可以得到，對(duì)應(yīng)著連續(xù)方程、X方向動(dòng)量方程、Y方向動(dòng)量方程、湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程、湍流能量耗散率方程、能量方程和組分方程，具體如表1[8]。

表中：F x，F(xiàn) v—x，y方向上的質(zhì)量力分量；

μ—?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)；

p—壓力；

ρ—密度；

P—湍動(dòng)能生成項(xiàng)；

μt—渦粘性系數(shù)；

T—溫度；

Cu，σk，σε，C1和C2—湍流模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。需要補(bǔ)充氣體狀態(tài)方程封閉方程組p=p（ρ，T）聯(lián)立求解。

表1 統(tǒng)一方程分量形式對(duì)應(yīng)參數(shù)Table 1 Weight forms corresponding to the parameters of a unified equation

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以某架空集輸管道為例，管徑610 mm，計(jì)算管長(zhǎng)間距5 km，上游起點(diǎn)壓力3.5 MPa，下游終點(diǎn)壓力3.35 MPa，天然氣年均輸送量20×108m3，硫化氫含量較高，為20 mg/L，外界環(huán)境平均溫度16 ℃，天然氣平均溫度26 ℃，泄漏口直徑10 cm，泄漏發(fā)生在管段中心位置，模擬區(qū)域?yàn)?00 m×100 m。所研究的天然氣管道泄漏過(guò)程為管道穿孔后兩端氣源立即截?cái)啵軆?nèi)氣壓在10 s后與外界大氣壓平衡的非穩(wěn)定泄漏過(guò)程，并分析了風(fēng)速對(duì)天然氣穩(wěn)定與非穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響。

2.1 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1.1 泄漏口流速及地表風(fēng)速對(duì)天然氣穩(wěn)定擴(kuò)散的影響

圖1 硫化氫體積濃度分布云圖Fig.1 Contours of the H2S Volume concentration

由圖1、2分析可知：在泄漏口流速不變的情況下，隨著地表風(fēng)速的不斷增大，硫化氫和甲烷在大氣中的分布規(guī)律不同，由于架空管道無(wú)土壤孔隙的束縛，發(fā)生泄漏后，天然氣會(huì)以高壓射流的形式射向高空，近地面除泄漏口附近氣體濃度較高外，一定范圍內(nèi)無(wú)危險(xiǎn)區(qū)。受空氣阻力和氣體濃度的影響，使天然氣湍動(dòng)能減低，從而導(dǎo)致高壓氣體在距地表一定位置處開(kāi)始形成高濃云團(tuán)，且高濃云團(tuán)的位置隨風(fēng)速的增大而不斷偏轉(zhuǎn)和上移，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s時(shí)，云團(tuán)位置已經(jīng)超過(guò)了100 m×100 m的計(jì)算區(qū)域；在其他條件不變的情況下，隨著泄漏口流速的增大，高壓氣體湍動(dòng)能增強(qiáng)，射流距離增大，風(fēng)速在改變氣體擴(kuò)散方向時(shí)明顯減弱。此時(shí)的高濃度云團(tuán)位置更高。從硫化氫和甲烷的濃度分布來(lái)看，硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。

圖2 甲烷體積濃度分布云圖Fig.2 Contours of the CH4 Volume concentration

2.1.2 地表風(fēng)速對(duì)天然氣非穩(wěn)定擴(kuò)散的影響

圖3-6分別給出了架空天然氣管道非穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散過(guò)程甲烷、硫化氫爆炸及中毒危險(xiǎn)區(qū)域云圖。分析可知：當(dāng)天然氣管道泄漏后，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，泄漏段兩端氣源迅速切斷，形成了非穩(wěn)定泄漏過(guò)程，在此期間，管內(nèi)壓力不斷降低，當(dāng)內(nèi)外壓力相同時(shí)，泄漏停滯，本文研究的天然氣泄漏時(shí)間為10 s,泄漏速度呈線性變化。

由圖3、4可知：當(dāng)?shù)乇頍o(wú)風(fēng)時(shí)，短時(shí)泄漏，地表聚集大量的燃?xì)?，隨著泄漏時(shí)間的增加，泄漏速度不斷降低，湍動(dòng)能減弱，致使高濃燃?xì)庵饕奂诘乇?，且在地表氣體不斷上升的過(guò)程形成了一個(gè)小的云團(tuán)，云圖在濃度梯度的作用下，不斷擴(kuò)散，10 s之后，泄漏停滯，此后氣體主要以擴(kuò)散方式進(jìn)行輸運(yùn)，泄漏25 s后，硫化氫危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在左側(cè)地表附近位置，而甲烷此時(shí)最大體積含量0.36%，低于爆炸極限以下，可以實(shí)施救援。

圖3 不同時(shí)刻硫化氫體積濃度分布云圖（地表無(wú)風(fēng)）Fig.3 Volume concentration of H2S at different time contours（No wind）

圖4 不同時(shí)刻甲烷體積濃度分布云圖（地表無(wú)風(fēng)）Fig.4 Volume concentration of CH4 at different time contours（No wind）

圖5 不同時(shí)刻硫化氫體積濃度分布云圖（地表風(fēng)速5 m/s）Fig.5 Volume concentration of H2S at different time contours(Wind speed 5 m/s)

圖6 不同時(shí)刻甲烷體積濃度分布云圖（地表風(fēng)速5 m/s）Fig.6 Volume concentration of CH4 at different time contours(Wind speed 5m/s)

如圖5、6而對(duì)于有風(fēng)的情況，天然氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程差異較大，泄漏初期，由于泄漏口流速較快，加之速速較大，整個(gè)計(jì)算區(qū)域壓力波動(dòng)加大，且風(fēng)速較大區(qū)域壓強(qiáng)小，致使初期左側(cè)形成高濃區(qū)，隨著泄漏時(shí)間的延長(zhǎng)，泄漏速度迅速降低，湍動(dòng)能減弱很快，受風(fēng)速的影響，高濃云團(tuán)開(kāi)始右移，并被風(fēng)分割為兩個(gè)較小的高濃區(qū)，泄漏10 s后，地表已經(jīng)無(wú)燃?xì)夤┙o，輸運(yùn)方式主要以擴(kuò)散為主，25 s后地表已經(jīng)無(wú)任何有害氣體，此時(shí)，硫化氫的中毒區(qū)域分布在高空40~80 m處，甲烷濃度已低于爆炸極限。從硫化氫和甲烷的分布規(guī)律來(lái)看，硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域明顯大于甲烷的危險(xiǎn)區(qū)，故此，對(duì)于含硫天然氣而言，一定要考慮硫化氫不同時(shí)刻的分布狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文采用CFD方法對(duì)架空天然氣管道發(fā)生泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出一下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）從穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)泄漏硫化氫和甲烷的體積濃度分布云圖來(lái)看，硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域明顯大于甲烷的危險(xiǎn)區(qū)，故此，對(duì)于含硫天然氣而言，一定要考慮硫化氫不同時(shí)刻的分布狀態(tài)。

（2）架空天然氣管道非穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散，當(dāng)?shù)乇頍o(wú)風(fēng)時(shí)，短時(shí)泄漏，地表聚集大量的燃?xì)?，隨著泄漏時(shí)間的增加，泄漏速度不斷降低，10 s之后，氣源切斷泄漏停滯，此后氣體主要以擴(kuò)散方式進(jìn)行輸運(yùn)，泄漏25 s后，硫化氫危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在左側(cè)地表附近位置，而甲烷此時(shí)最大體積含量0.36%，低于爆炸極限以下，可以實(shí)施救援。

（3）在考慮風(fēng)速的影響下，架空天然氣管道發(fā)生泄漏10 s后，由于氣源切斷地表已經(jīng)無(wú)燃?xì)夤┙o，由于大氣浮力的作用，泄漏的天然氣向大氣上空擴(kuò)散，25 s后地表已經(jīng)無(wú)任何有害氣體，此時(shí)，硫化氫的中毒區(qū)域分布在高空40~80 m處，甲烷濃度已低于爆炸極限?？梢詫?shí)施救援。

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Numerical Simulation of Leakage and Diffusion of Overhead Sour Gas Pipelines

FU Ji-qiang1，XIONG Xin-qiang1，WANG Yun1，YANG Zhi-chao1，CHENG Lei2
（1. China Pertoleum Engineering North China Company, Hebei Renqiu 062552，China; 2. Sinopec Shengli Oilfield Limited Company Xianhe Oil Production Plant, Shandong Dongying 257000，China）

A leakage and diffusion equation of overhead pipelines was established, and stable and unstable leakage processes when gas pipeline perforated were simulated. The flow rate of leakage was analyzed as well as effect of wind speed on the gas diffusion. The explosion limit of methane and poison range of hydrogen sulfide under different conditions were given, which is beneficial to determine the optimal time to implement rescue.

Natural gas; Pipe; Leakage; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2011）10-1079-05

2011-08-17

付吉強(qiáng)（1987-），男，黑龍江牡丹江人，助理工程師，碩士研究生，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：天然氣管道泄漏數(shù)值模擬。E-mail：fjq127@126.com。