基于CFD的城鎮天然氣管道泄漏擴散研究

楊奇睿，王岳，官學源，邵慧龍，牛冉

(1． 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；

2． 新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

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基于CFD的城鎮天然氣管道泄漏擴散研究

楊奇睿1，王岳1，官學源2，邵慧龍1，牛冉1

(1． 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；

2． 新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

稿件收到日期： 2015-03-22，修改稿收到日期： 2015-06-19。

城市燃氣的使用對居民生活水平的提高、工業的發展、生態環境的改善具有重要意義。但由于自然損壞、腐蝕穿孔、人為破壞、安裝質量不達標，接口、閥門密封材料老化、機械振動等造成燃氣管道系統產生裂紋、穿孔甚至斷裂，或因為供氣不正常及使用行為不當等原因，易引發燃氣的泄漏。當泄漏的天然氣與空氣混合后，會產生易燃、易爆的氣體，極易引發燃氣爆炸或火災事故。目前對于埋地管道泄漏擴散問題的研究較少，鑒于研究危險可燃性氣體泄漏擴散實驗尚有較大難度，從安全角度考慮，通過數值方法開展相關的研究工作是可行的[1-4]。根據天然氣管道泄漏擴散數值模擬可迅速預測天然氣泄漏后的擴散范圍和危險范圍， 為決策者及時疏散居民、采取救援措施提供科學指導。

由于氣體釋放后將與空氣、蒸氣、液滴及凝結所生成的水滴等結合從而形成混合氣云，根據混合氣云與環境大氣密度的差異，可將其分為三類： 浮性氣云，即輕氣，密度比空氣小，如天然氣；中性氣云，即中氣，密度與空氣相近，如一氧化碳；重質氣云，即重氣，密度比空氣大，重氣的形成不僅與釋放物質的性質有關，而且與儲存和釋放的方式有關。以往對重氣研究較多，并且多局限在二維情況下；然而天然氣屬于輕氣，浮力作用明顯，二維數值模擬不能直觀描述泄漏天然氣的實際擴散范圍。以下采用三維數值模擬，力求全面了解城鎮中埋地天然氣管道泄漏擴散情況。

1模型的建立

1．1數學模型

1) 質量守恒方程：

(1)

式中： ρ——密度，kg/m3；t——時間，s；ux， uy， uz——x， y， z方向的速度分量，m/s。

2) 動量守恒方程：

(2)

式中： f——單位質量力的矢量，m/s2;u——速度，m/s；μ——動力黏度，Pa·s；p——流體微元上的壓力，Pa。

3) 能量守恒方程：

(3)

1．2標準k-ε的運輸方程

1) 湍流脈動動能方程(k方程)：

Gk+Gb-ρ ε-Ym

(4)

式中： μt——湍流黏度，Pa·s；ε——耗散項；ui——時均速度，m/s；xi,xj——空間坐標；σk——k方程的湍流Prandtl數；Gk——平均速度梯度引起的湍流動能產生項；Gb——浮力引起的湍流動能產生項；Ym——可壓縮湍流中脈動擴張貢獻。

2) 湍動擴散率方程(ε方程)：

(5)

式中： σε——ε方程的湍流Prandtl數；k——湍動能，J；C1ε,C2ε,C3ε,C4ε——經驗常數，C1ε=1．44， C2ε=1．92， C3ε=0．09，C4ε=0．0845。

2問題描述

2．1模擬區域

模擬區域的物理模型如圖1所示。x，y，z方向上長度分別為80m,50m,80m；建筑物位于x=40m,y=2m,z=40m處，建筑物的長、寬、高分別為10m,10m,20m[5]；泄漏孔位于x=25m,y=0,z=40m處；管道埋深為2m[6]。

圖1　模擬區域的物理模型示意

2．2參數確定及邊界條件

2．2．1參數確定

天然氣中CH4和C2H6體積分數分別取99．5%，0．5%，天然氣摩爾質量為16．07 g/mol，密度約為0．72 kg/m3，管徑D=210mm，泄漏孔為圓形，孔口直徑d=40mm。城市中壓天然氣管道根據管內壓力可分為A級： 0．2MPa

(6)

(7)

式中：qm——質量流量，kg/s；z——絕熱指數，天然氣一般取1.2～1.3;A——泄漏口面積，m2；M——氣體摩爾質量，kg/mol；R——氣體常數，R=8．314 J/(mol·k)；p2——管道內壓力，Pa；pa——大氣壓，101．3 kPa；T——溫度，K；ρ——密度，kg/m3。

2．2．2初始條件及邊界條件

泄漏進口質量流量為20．06 kg/s；左側為風速入口，風速為2m/s；除底面外其他四面為壓力出口， 無回流[12]，土壤部分設為多孔介質。

3數值模擬結果和分析

城鎮埋地中壓天然氣管道發生泄漏擴散后，由于受土壤阻力作用，泄漏氣體的動能衰減程度較大，速度大幅降低，泄漏氣體不足以沖破管道上方的埋土，氣體會在土壤中擴散，到達地表后向下風向擴散[13-14]。不同時間段CH4的爆炸范圍見表1所列，t=300 s時不同x,y,z截面處的CH4體積分數分布如圖2,圖3，圖4所示。

表1　不同時間段CH4的爆炸范圍

圖2　t=300s時不同x截面處CH4的體積分數分布示意

圖3　t=300s時不同y截面處CH4的體積分數分布及三維視圖

從圖2中看出： 在泄漏孔處(x=25m)CH4在地下擴散距離z=28～52m，擴散高度y=8m，地下部分CH4的體積分數較高，處于爆炸范圍內。建筑物迎風面(x=40m)CH4在地下擴散距離z=26～54m，擴散高度y=20m。建筑物背風面(x=50m)CH4在地下擴散距離z=29～51m，擴散高度y=22m，此部分CH4的體積分數并沒有處于爆炸范圍之內，僅處于傷害范圍。在下風向(x=70m)CH4在大氣空間中擴散、高度y=10～26m，在土壤中沒有CH4，這是建筑物對CH4在大氣中擴散的阻擋作用與空氣浮力共同作用的結果。

從圖3中看出： 地表截面處CH4擴散范圍集中在x=16～60m，z=26～54m。建筑物中部(y=12m)CH4的擴散范圍集中在y=30～70m，z=26～52m，由于建筑物的繞流和阻擋，CH4在建筑物背風面形成回流。建筑物頂端(y=22m)CH4的擴散范圍集中在x=50～80m，z=26～52m，此部分CH4的體積分數較低，僅處于傷害范圍內。

圖4　t=300s時不同z截面處CH4的體積分數分布及三維視圖

從圖4中看出：z=35m截面處，在風速和空氣浮力的共同作用下CH4向下風向和空間上部擴散，此部分CH4的危險性范圍集中在x=18～60m，y=0～30m。z=40m截面處泄漏孔與建筑物迎風面間的CH4體積分數較高，此部分較為危險并處于爆炸范圍內，建筑物背風面之后CH4的體積分數較低，處于傷害范圍內。z=45m截面處CH4的擴散情況與z=35m截面CH4的擴散情況一致，兩截面的CH4體積分數呈對稱結構分布，這是因為兩個截面均沒有建筑物的阻擋，CH4可以自由擴散。

4結論

1) 城鎮埋地中壓天然氣管道泄漏時，泄漏孔附近有呈對稱結構分布的CH4高體積分數區。由于受土壤的阻力作用，因而豎直方向上CH4的擴散速率明顯小于在水平方向上的擴散速率。由于建筑物的阻擋，CH4在建筑物背風面形成回流，建筑物左右兩側的CH4體積分數呈對稱結構分布。

2) 由于建筑物的阻擋，使CH4在建筑物迎風面附近堆積，加大了建筑物迎風面附近CH4的體積分數和危險性，此部分的CH4體積分數處于爆炸范圍，在搶險救援時應注意防范建筑物迎風面附近的CH4爆炸著火。

3) 在泄漏一段時間后，一定空間范圍內CH4的爆炸范圍將不隨時間增長產生變化，風速可以加快天然氣向下風向的輸送擴散，但同時也可以稀釋泄漏的CH4，應根據泄漏時的風向情況，緊急疏散位于下風向地表附近的人群，設置警戒區，天然氣泄漏時人員疏散的安全范圍為x=16～60m，z=26～54m。

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賽默飛發布水質中氰化物測定解決方案

近日，科學服務領域的世界領導者賽默飛世爾科技(以下簡稱： 賽默飛)發布水質中氰化物測定解決方案。氰化物屬于劇毒物質，對人體毒性主要是與細胞色素氧化酶中的三價鐵絡合，生成氰化高鐵細胞色素氧化酶，引起組織缺氧窒息，極低的量可使人畜致死，所以各類氰化物是污水排放和水質檢測的重要監測項目。

在《GB/T 5750—2006生活飲用水標準檢驗方法》中，推薦采用異煙酸-吡唑酮或異煙酸-巴比妥酸進行氰化物顯色反應，對水樣中氰化物的測定限值為0.002 mg/L。根據對比發現，現行方法對Ⅰ類水質的限值需求僅勉強滿足，且測定過程中，往往易受到亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽等其他還原性物質的干擾。同時，諸多毒性較強的顯色試劑的使用，也極易造成實驗操作人員的二次中毒。(賽默飛世界科技(中國)有限公司)

摘要：針對城鎮中埋地天然氣管道的泄漏情況，研究了土壤、建筑物和風速對天然氣管道泄漏和擴散的影響。利用CFD模擬計算軟件對城鎮中埋地天然氣管道泄漏進行三維數值模擬，并得到了泄漏后三維空間不同截面位置處CH4的體積分數分布和爆炸范圍及天然氣泄漏時的人員疏散安全距離。研究結果為天然氣管道泄漏事故現場人員疏散及安全搶修提供了理論依據。

關鍵詞：埋地中壓天然氣管道風速三維數值模擬

Study on Leakage Diffusion of CFD Based Town Natural Gas Pipeline Yang Qirui1， Wang Yue1， Guan Xueyuan2， Shao Huilong1， Niu Ran1

(1． College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Liaoning University of

Petroleum & Chemical， Fushun，113001， China; 2． Technology Research

Institute of Xinjiang Oil Field Company， Karamay， 834000， China)

Abstracts： Focusing on leakage of buried natural gas pipeline， effects of soil， buildings and wind speed on natural gas pipeline leakage and diffusion are studied． 3D numerical simulation is conducted for town buried natural gas pipeline leakage utilizing CFD simulation calculation software． CH4volume fraction distribution at different cross section location in 3D space after leaking， explosion range and safe distance for staff evacuating during leaking are obtained． The research result provides a theoretical basis for personnel evacuation for natural gas pipeline leakage accident scene and safe emergency repair．

Key words：buried; medium pressure natural gas pipeline; wind speed; 3D numerical simulation

中圖分類號：TP274

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0052-05

作者簡介：楊奇睿(1990—)，男，遼寧鞍山人，遼寧石油化工大學在讀碩士研究生，主要研究方向為油氣管道安全。