低壓天然氣管道在有限空間中泄漏計(jì)算研究

張佳興, 馬貴陽, 王 新

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

低壓天然氣管道在有限空間中泄漏計(jì)算研究

張佳興, 馬貴陽, 王 新

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

在有限空間內(nèi)，可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散極其危險(xiǎn)，甚至?xí)鸹馂?zāi)，因此對低壓天然氣管道在有限空間中泄漏進(jìn)行計(jì)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(nèi)形成的危險(xiǎn)區(qū)域會(huì)受到風(fēng)速和障礙物的影響。用流體力學(xué)軟件模擬泄漏后氣體形成的危險(xiǎn)區(qū)域濃度分布情況，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知，危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散受到障礙物的阻礙，會(huì)在障礙物周圍形成不規(guī)則的危險(xiǎn)區(qū)域，風(fēng)速不同，危險(xiǎn)區(qū)域的大小也不同。泄漏口位置對危險(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)系數(shù)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(shí)常發(fā)生。我國每年都會(huì)有多起天然氣管道爆炸事故發(fā)生[1-5]，嚴(yán)重威脅了我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此很有必要對泄漏擴(kuò)散這個(gè)問題進(jìn)行研究。國內(nèi)外很多學(xué)者都對此進(jìn)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(kuò)撒規(guī)律【6-8】。在障礙物存在的情況下，有限空間內(nèi)泄漏的氣體不能及時(shí)擴(kuò)散，氣體淤滯區(qū)域形成爆炸區(qū)，這種情況非常危險(xiǎn)[9]。國內(nèi)也有學(xué)者針對存在障礙物情況下的泄漏進(jìn)行過研究，其中大連理工大學(xué)的學(xué)者曾經(jīng)對較小尺寸障礙物周圍的二維湍流風(fēng)場風(fēng)洞試驗(yàn)和危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了一系列的研究，研究表明障礙物和風(fēng)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(jìn)行的，對于室內(nèi)的研究相對較少。本文進(jìn)行了室內(nèi)泄漏模擬研究，同時(shí)變換風(fēng)速和泄漏口位置，研究其存在障礙物時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域變化情況。研究結(jié)果可為天然氣管道的設(shè)計(jì)和氣體泄漏爆炸的預(yù)防提供參考，減少爆炸事故的發(fā)生，有效避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

1 計(jì)算方程

1.1 數(shù)學(xué)模型

該泄漏可以認(rèn)定為多組分氣體的湍流運(yùn)動(dòng)，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(fā)生化學(xué)反映。采用 - 湍流模型和組分運(yùn)輸模型來模擬有限空間內(nèi)存在障礙物的情況下，氣體泄漏擴(kuò)散的過程，控制方程如下：連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

能量方程：

紊動(dòng)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(chǎn)生的湍流動(dòng)能源項(xiàng);

ρ和μ—體積分?jǐn)?shù)加權(quán)平均的密度和分子的粘性系數(shù)；

μt —紊流粘性系數(shù);

Cμ—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

σk和σε—K和ε的紊流普朗特?cái)?shù)；

C1ε和C2ε—方程常數(shù)；

1.2 計(jì)算模型及初始邊界條件

數(shù)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(nèi)部尺寸為 1.3 m×1.1 m×2.2 m，在小房間的正中間有一個(gè)長方體實(shí)心水泥臺(tái)，水泥臺(tái)尺寸為 0.4 m×0.3 m×0.5 m，在水泥臺(tái)北側(cè)墻體的正中間有一個(gè)矩形的窗口，窗口尺寸為 0.6 m ×0.4m。在窗口正下方有兩個(gè)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(gè)泄漏口A (0.52,0.25,0),泄漏口半徑均為5㎜。假設(shè)該泄漏為持續(xù)性泄漏，三個(gè)泄漏口同時(shí)發(fā)生泄漏，泄漏事故發(fā)生時(shí)，房門為敞開狀。本文設(shè)定了三種風(fēng)速，無風(fēng)0 m/s，微風(fēng)0.8 m/s，較大風(fēng)速4.5 m/s。當(dāng)風(fēng)分別以不同速度從窗口吹進(jìn)時(shí)，泄漏氣體會(huì)在房間內(nèi)部湍流流動(dòng)，并在障礙物周圍不斷的堆積擴(kuò)散。

本文研究的主要是家用天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬，其主要成分是各類烷烴。當(dāng)天然氣的濃度范圍為 5%～15%時(shí)發(fā)生爆炸，本文主要研究天然氣泄漏擴(kuò)散遇障礙物的情況。三個(gè)泄露口分別設(shè)定為壓力出口，窗口設(shè)定為速度進(jìn)口，門設(shè)定為速度出口，模擬過程考慮全浮力，泄漏口溫度設(shè)為300 K，與室溫相同，泄漏口壓強(qiáng)為2 000 Pa。

2 模擬結(jié)果的分析研究

本文研究在風(fēng)速不同的情況下，房間內(nèi)氣體的危險(xiǎn)區(qū)域變化情況。因?yàn)楸疚闹饕芯啃孤┖蟮臍怏w分布情況，分析時(shí)把氣體在空間中分層研究，研究不同層面中危險(xiǎn)氣體的濃度變化（本文主要研究了房間內(nèi)兩個(gè)橫切面，即距地面0.15 m和0.25 m的兩個(gè)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(shí)，比較泄漏口位置不同，風(fēng)速不同時(shí)，障礙物附近危險(xiǎn)區(qū)域的變化規(guī)律，并探尋障礙物對氣體擴(kuò)散的影響，分析結(jié)果如下：

圖2y=0.15，t=300 s; 圖3y=0.25，t=300 s。為無風(fēng)時(shí)爆炸濃度區(qū)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(fēng)的情況下，障礙物附近沒有明顯的危險(xiǎn)區(qū)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(xiǎn)區(qū)域。因?yàn)樵跓o風(fēng)的情況下，氣體泄漏后會(huì)先沿著墻壁慢慢向四周擴(kuò)散，沒有風(fēng)的推助力，氣體擴(kuò)散速度較慢，300 s時(shí)只有少量氣體到達(dá)障礙物周圍，因此障礙物周圍沒有明顯的危險(xiǎn)區(qū)域形成,此時(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域分布于墻角附近。

y=0.15，t=300 s，風(fēng)速0.8 m/s爆炸濃度區(qū)域圖，圖5為y=0.25，t=300 s，風(fēng)速0.8 m/s爆炸區(qū)濃度域圖。當(dāng)有微風(fēng)從窗口吹進(jìn)時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域發(fā)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(xiǎn)區(qū)域明顯比圖4中障礙物附近的危險(xiǎn)區(qū)域大。其原因是當(dāng)氣體剛剛發(fā)生泄漏時(shí)，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(shí)間的推移，由于天圖7為y=0.15，t=300 s，風(fēng)速4.5 m/s爆炸濃度區(qū)域圖，圖8為y=0.25，t=300 s，風(fēng)速4.5 m/s爆炸濃度區(qū)域圖。從圖6和圖7可以看出，當(dāng)風(fēng)速變大時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域明顯比無風(fēng)和微風(fēng)時(shí)大，障礙物靠近B，C泄漏口的一側(cè)已經(jīng)開始出現(xiàn)一定范圍的危險(xiǎn)區(qū)域，且障礙物近B點(diǎn)處危險(xiǎn)區(qū)域小于近A點(diǎn)處，此時(shí)仍然是遠(yuǎn)離地面處比近地面處所形成危險(xiǎn)區(qū)域大。因?yàn)樘烊粴獗瓤諝廨p，泄漏氣體總是會(huì)不斷的向上方擴(kuò)散，并不斷的在室內(nèi)形成湍流流動(dòng)，然后向窗口、門口方向擴(kuò)散開來，在擴(kuò)散的過程中遇到障礙物的阻擋，擴(kuò)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(xiǎn)區(qū)域非常小。離障礙物近的地方危險(xiǎn)區(qū)域較大。離障礙物遠(yuǎn)的地方危險(xiǎn)區(qū)域較小，說明離障礙物遠(yuǎn)時(shí)，受障礙物影響較小，氣體可以沿著附近的墻體進(jìn)行擴(kuò)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(xiǎn)系數(shù)相對增加。然氣比空氣輕，且近地面處的溫度比遠(yuǎn)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(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散的氣體遇到風(fēng)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(jié) 論

（1）有限空間存在障礙物時(shí)，輕質(zhì)氣體泄漏擴(kuò)散易受風(fēng)速的影響，風(fēng)速較大時(shí)氣體容易在障礙物附近和空間上部堆積，爆炸的危險(xiǎn)系數(shù)較高，此時(shí)應(yīng)防止空間局部爆炸事故的發(fā)生。

（2）泄漏口的位置不同，障礙物周圍的危險(xiǎn)區(qū)域大小也不同，當(dāng)泄漏口離障礙物近，且離房門、窗口遠(yuǎn)時(shí)，障礙物周圍形成的危險(xiǎn)區(qū)域較大，危險(xiǎn)系數(shù)較高，同時(shí)當(dāng)輕質(zhì)氣體發(fā)生泄漏時(shí)，相對地面較高位置的泄漏口在障礙物周圍形成的危險(xiǎn)區(qū)域較大。因此在發(fā)生輕質(zhì)氣體泄漏事故時(shí)首先要檢查遠(yuǎn)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(nèi)裝修時(shí)避免把天然氣管道進(jìn)行封閉式包裝。室內(nèi)發(fā)生天然氣管道泄漏事件時(shí)，首先將可以移動(dòng)的障礙物移到其他房間。若此時(shí)室外無風(fēng)，可同時(shí)開門窗透氣；若風(fēng)速較大，應(yīng)避免開窗，盡量讓氣體從門向室外排出，避免風(fēng)力加速氣體在殘留障礙物周圍迅速形成危險(xiǎn)區(qū)域，有效的爭取了更多檢測時(shí)間，降低爆炸事故的發(fā)生概率，減少人員傷亡。

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春節(jié)后耐堿性分散染料或繼續(xù)漲價(jià)

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(wèi)工業(yè)園區(qū)被曝光有“水庫晾曬”高濃度工業(yè)廢水的情況存在，而耐堿性分散染料中間體還原物的生產(chǎn)龍頭——寧夏明盛新廠便坐落在該工業(yè)園區(qū)內(nèi)。

雖然寧夏當(dāng)?shù)孛襟w隨后便發(fā)文稱，中衛(wèi)將嚴(yán)格整治企業(yè)非法排污，中衛(wèi)工業(yè)園區(qū)蒸發(fā)池廢水也將在6月前回抽處理完畢，但業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，該問題在短期內(nèi)仍難得到解決，寧夏明盛新廠投產(chǎn)還有難度，還原物供應(yīng)緊張趨勢不變。近年來，環(huán)保壓力加大、原料成本增加，印染企業(yè)利潤有所收窄，一些小企業(yè)甚至因?yàn)榄h(huán)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(yù)期，其中對活性染料的需求尤其要好，因此初步預(yù)計(jì)元宵節(jié)前后染料價(jià)格就會(huì)全面上調(diào)。”來自染料企業(yè)的內(nèi)部人士說。一位染料經(jīng)銷商肯定了上述說法，他并表示，屆時(shí)分散染料可能會(huì)在目前5～5.5萬元/噸的價(jià)位上繼續(xù)漲價(jià)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(jié)后染廠開工普遍要稍晚于去年，整個(gè)行業(yè)仍略顯蕭條，究其原因，這或與環(huán)保壓力等多方面因素皆有關(guān)。“雖然企業(yè)開工晚了，但也不能說行情不好，因?yàn)閺哪壳暗挠唵吻闆r來看，下游需求維持穩(wěn)定，并沒有大起大落。”浙江省印染行業(yè)協(xié)會(huì)的一位相關(guān)人士表示。據(jù)數(shù)位業(yè)內(nèi)人士表示，由于貨源緊張，春節(jié)后活性染料漲價(jià)基本已成定局，而在上游中間體還原物供應(yīng)緊張的壓力下，耐堿性分散染料繼續(xù)漲價(jià)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(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：天然氣管道泄漏。E-mail：575599528@qq.com。