低壓天然氣管道在有限空間中泄漏計算研究

張佳興, 馬貴陽, 王 新

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

低壓天然氣管道在有限空間中泄漏計算研究

張佳興, 馬貴陽, 王 新

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

在有限空間內，可燃氣體泄漏擴散極其危險，甚至會引起火災，因此對低壓天然氣管道在有限空間中泄漏進行計算研究意義非常重大。存在障礙物的有限空間中，氣體泄漏后，在有限空間內形成的危險區域會受到風速和障礙物的影響。用流體力學軟件模擬泄漏后氣體形成的危險區域濃度分布情況，對模擬結果進行分析可知，危險氣體擴散受到障礙物的阻礙，會在障礙物周圍形成不規則的危險區域，風速不同，危險區域的大小也不同。泄漏口位置對危險區域的大小也有影響，離障礙物近的泄漏口附近，氣體容易堆積，危險系數相對較高。

有限空間；障礙物；低壓天然氣；泄漏

在建筑物密集的城市里，天然氣管道泄漏事故時常發生。我國每年都會有多起天然氣管道爆炸事故發生[1-5]，嚴重威脅了我國的經濟發展，和人民生命財產安全，因此很有必要對泄漏擴散這個問題進行研究。國內外很多學者都對此進行過研究，建立了一些泄漏模型，得到了部分在不同因素影響下的泄漏擴撒規律【6-8】。在障礙物存在的情況下，有限空間內泄漏的氣體不能及時擴散，氣體淤滯區域形成爆炸區，這種情況非常危險[9]。國內也有學者針對存在障礙物情況下的泄漏進行過研究，其中大連理工大學的學者曾經對較小尺寸障礙物周圍的二維湍流風場風洞試驗和危險氣體泄漏擴散進行了一系列的研究，研究表明障礙物和風速的確對氣體泄漏有一定的影響[10-12]。這種研究多在樓群中，架空等室外條件下進行的，對于室內的研究相對較少。本文進行了室內泄漏模擬研究，同時變換風速和泄漏口位置，研究其存在障礙物時危險區域變化情況。研究結果可為天然氣管道的設計和氣體泄漏爆炸的預防提供參考，減少爆炸事故的發生，有效避免人員傷亡和財產損失。

1 計算方程

1.1 數學模型

該泄漏可以認定為多組分氣體的湍流運動，甲烷和硫化氫氣體與空氣混合形成易燃易爆的混合氣體，混合氣體之間不發生化學反映。采用 - 湍流模型和組分運輸模型來模擬有限空間內存在障礙物的情況下，氣體泄漏擴散的過程，控制方程如下：連續方程：

動量方程：

能量方程：

紊動能（k）方程:

耗散率方程：

Cp—混合氣體的定壓比熱；

Cpa—空氣的定壓比熱；

Cpc—因均速度梯度產生的湍流動能源項;

ρ和μ—體積分數加權平均的密度和分子的粘性系數；

μt —紊流粘性系數;

Cμ—經驗系數；

σk和σε—K和ε的紊流普朗特數；

C1ε和C2ε—方程常數；

1.2 計算模型及初始邊界條件

數值模擬的物理模型如圖1所示。

圖1 模型圖Fig.1 Model figure

該房間的內部尺寸為 1.3 m×1.1 m×2.2 m，在小房間的正中間有一個長方體實心水泥臺，水泥臺尺寸為 0.4 m×0.3 m×0.5 m，在水泥臺北側墻體的正中間有一個矩形的窗口，窗口尺寸為 0.6 m ×0.4m。在窗口正下方有兩個泄漏口B(0,0.25,1.1),C(0,0.15,1.1)，與房門相對的墻體上有一個泄漏口A (0.52,0.25,0),泄漏口半徑均為5㎜。假設該泄漏為持續性泄漏，三個泄漏口同時發生泄漏，泄漏事故發生時，房門為敞開狀。本文設定了三種風速，無風0 m/s，微風0.8 m/s，較大風速4.5 m/s。當風分別以不同速度從窗口吹進時，泄漏氣體會在房間內部湍流流動，并在障礙物周圍不斷的堆積擴散。

本文研究的主要是家用天然氣管道泄漏的數值模擬，其主要成分是各類烷烴。當天然氣的濃度范圍為 5%～15%時發生爆炸，本文主要研究天然氣泄漏擴散遇障礙物的情況。三個泄露口分別設定為壓力出口，窗口設定為速度進口，門設定為速度出口，模擬過程考慮全浮力，泄漏口溫度設為300 K，與室溫相同，泄漏口壓強為2 000 Pa。

2 模擬結果的分析研究

本文研究在風速不同的情況下，房間內氣體的危險區域變化情況。因為本文主要研究泄漏后的氣體分布情況，分析時把氣體在空間中分層研究，研究不同層面中危險氣體的濃度變化（本文主要研究了房間內兩個橫切面，即距地面0.15 m和0.25 m的兩個與地面平行的截面的氣體平均濃度分布情況）。氣體泄漏300 s時，比較泄漏口位置不同，風速不同時，障礙物附近危險區域的變化規律，并探尋障礙物對氣體擴散的影響，分析結果如下：

圖2y=0.15，t=300 s; 圖3y=0.25，t=300 s。為無風時爆炸濃度區域圖。

圖2 濃度分布云圖(1)Fig.2 Cloud picture of concentration distribution (1)

圖3 濃度分布云圖(2)Fig.3 Cloud picture of concentration distribution (2)

由圖2和圖3可知，在無風的情況下，障礙物附近沒有明顯的危險區域，泄漏口C和泄漏口B附近的墻體角落里有小范圍的危險區域。因為在無風的情況下，氣體泄漏后會先沿著墻壁慢慢向四周擴散，沒有風的推助力，氣體擴散速度較慢，300 s時只有少量氣體到達障礙物周圍，因此障礙物周圍沒有明顯的危險區域形成,此時的危險區域分布于墻角附近。

y=0.15，t=300 s，風速0.8 m/s爆炸濃度區域圖，圖5為y=0.25，t=300 s，風速0.8 m/s爆炸區濃度域圖。當有微風從窗口吹進時，危險區域發生了明顯的偏移，開始慢慢向障礙物方向靠近，如圖4，圖5所示。

圖4 濃度分布云圖 (3)Fig.4 Cloud picture of concentration distribution (3)

圖5 濃度分布云圖(4)Fig.5 Cloud picture of concentration distribution (4)

圖5中障礙物附近的危險區域明顯比圖4中障礙物附近的危險區域大。其原因是當氣體剛剛發生泄漏時，主要是小孔泄漏，小范圍噴射，氣體主要集中于近地面處。隨著時間的推移，由于天圖7為y=0.15，t=300 s，風速4.5 m/s爆炸濃度區域圖，圖8為y=0.25，t=300 s，風速4.5 m/s爆炸濃度區域圖。從圖6和圖7可以看出，當風速變大時，危險區域明顯比無風和微風時大，障礙物靠近B，C泄漏口的一側已經開始出現一定范圍的危險區域，且障礙物近B點處危險區域小于近A點處，此時仍然是遠離地面處比近地面處所形成危險區域大。因為天然氣比空氣輕，泄漏氣體總是會不斷的向上方擴散，并不斷的在室內形成湍流流動，然后向窗口、門口方向擴散開來，在擴散的過程中遇到障礙物的阻擋，擴散受到阻礙，于是開始不斷的在障礙物周圍堆積，有些氣體沒有遇見障礙物的阻礙，從旁邊繞流過去了，離窗口近的就從窗口排向了室外，離門近的就從門排向了室外，因此在門口和窗口處危險區域非常小。離障礙物近的地方危險區域較大。離障礙物遠的地方危險區域較小，說明離障礙物遠時，受障礙物影響較小，氣體可以沿著附近的墻體進行擴散，而離障礙物近的地方受到障礙物的影響較大，氣體容易堆積，危險系數相對增加。然氣比空氣輕，且近地面處的溫度比遠離地面處的溫度要高，氣體泄漏一定量后開始逐漸以湍流的方式向上方偏移擴散，當擴散的氣體遇到風后開始偏離原射流中心，呈歪斜的蘑菇云狀。

圖6 濃度分布云圖(5)Fig.6 Cloud picture of concentration distribution (5)

圖7 濃度分布云圖(6)Fig.7 Cloud picture of concentration distribution (6)

3 結 論

（1）有限空間存在障礙物時，輕質氣體泄漏擴散易受風速的影響，風速較大時氣體容易在障礙物附近和空間上部堆積，爆炸的危險系數較高，此時應防止空間局部爆炸事故的發生。

（2）泄漏口的位置不同，障礙物周圍的危險區域大小也不同，當泄漏口離障礙物近，且離房門、窗口遠時，障礙物周圍形成的危險區域較大，危險系數較高，同時當輕質氣體發生泄漏時，相對地面較高位置的泄漏口在障礙物周圍形成的危險區域較大。因此在發生輕質氣體泄漏事故時首先要檢查遠離門窗，離障礙物較近，相對地面較高的管道是否有泄漏口。

（3）室內裝修時避免把天然氣管道進行封閉式包裝。室內發生天然氣管道泄漏事件時，首先將可以移動的障礙物移到其他房間。若此時室外無風，可同時開門窗透氣；若風速較大，應避免開窗，盡量讓氣體從門向室外排出，避免風力加速氣體在殘留障礙物周圍迅速形成危險區域，有效的爭取了更多檢測時間，降低爆炸事故的發生概率，減少人員傷亡。

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春節后耐堿性分散染料或繼續漲價

分散染料是一類水溶性較低的非離子型染料。此前，寧夏中衛工業園區被曝光有“水庫晾曬”高濃度工業廢水的情況存在，而耐堿性分散染料中間體還原物的生產龍頭——寧夏明盛新廠便坐落在該工業園區內。

雖然寧夏當地媒體隨后便發文稱，中衛將嚴格整治企業非法排污，中衛工業園區蒸發池廢水也將在6月前回抽處理完畢，但業內預計，該問題在短期內仍難得到解決，寧夏明盛新廠投產還有難度，還原物供應緊張趨勢不變。近年來，環保壓力加大、原料成本增加，印染企業利潤有所收窄，一些小企業甚至因為環保壓力而倒閉。寧夏明盛新廠能否逆流而上，一定程度上還得由市場情況來決定。“從年前的情況看，下游染廠的生意好于此前預期，其中對活性染料的需求尤其要好，因此初步預計元宵節前后染料價格就會全面上調。”來自染料企業的內部人士說。一位染料經銷商肯定了上述說法，他并表示，屆時分散染料可能會在目前5～5.5萬元/噸的價位上繼續漲價5000元/噸以上。而從染廠人士處了解到的信息則顯示，今年春節后染廠開工普遍要稍晚于去年，整個行業仍略顯蕭條，究其原因，這或與環保壓力等多方面因素皆有關。“雖然企業開工晚了，但也不能說行情不好，因為從目前的訂單情況來看，下游需求維持穩定，并沒有大起大落。”浙江省印染行業協會的一位相關人士表示。據數位業內人士表示，由于貨源緊張，春節后活性染料漲價基本已成定局，而在上游中間體還原物供應緊張的壓力下，耐堿性分散染料繼續漲價的可能性亦比較大。

Computing Research on Low Pressure Natural Gas Pipeline Leak in the Limited Space

ZHANG Jia-xing,MA Gui-yang,WANG Xin

（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Within the limited space, combustible gas leakage and diffusion is extremely dangerous, even causes fire, so it is very significant to calculate and research the low pressure gas pipeline leak in the limited space. There are obstacles in the limited space, after the gas leak, danger zone can be formed in the limited space, and it will be affected by wind speed and obstacles. In this paper, fluid mechanics software was used to simulate concentration distribution of leak gas which formed a dangerous zone. By the analysis of simulation results, it’s found that the hazardous gas diffusion will be hindered by obstacles to form irregular dangerous zone around the obstacle. Along with different wind speed, the dangerous zone will be different. The location of the leak point will also affect the size of the dangerous zone. If the leak point is near the obstacle, the leak gas is easy to accumulate, the risk is relative higher.

Limited space; Obstacle ; Low pressure gas ; Leak

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）03-0605-03

2014-10-31

張佳興（1988-），女，遼寧盤錦人，碩士研究生，2012年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：天然氣管道泄漏。E-mail：575599528@qq.com。