架空含硫天然氣管道泄漏擴散數值模擬研究

高良軍　吳渺渺（1.浙江海洋學院石化與能源工程學院，浙江舟山316022；2.沈陽出入境檢驗檢疫局，遼寧沈陽110016）

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架空含硫天然氣管道泄漏擴散數值模擬研究

高良軍吳渺渺
（1.浙江海洋學院石化與能源工程學院，浙江舟山316022；2.沈陽出入境檢驗檢疫局，遼寧沈陽110016）

摘要：在天然氣管道集輸過程中，經常會因為由于管道老化、腐蝕等因素而引起的泄漏事故，從而間接地引起穿孔泄漏后的天然氣擴散，以致很可能會引發火災、中毒甚至爆炸事故。本文建立了架空管道泄漏擴散過程控制方程，并對架空管道發生穿孔時的穩定泄漏過程進行數值模擬，分析了風速對氣體擴散規律的影響，得到了甲烷、硫化氫在一定風速影響下的擴散規律，以及甲烷和硫化氫的濃度分布規律，為有效預測高含硫天然氣泄漏擴散的影響范圍提供了依據。研究結果對于認識高含硫天然氣泄漏擴散規律，以及了解相關安全事故的預警和救援知識具有一定的指導意義。

關鍵詞：含硫天然氣管道；泄漏擴散；風速；數值模擬

天然氣管道發生泄漏擴散是輸氣管道事故危害的根本原因。管線腐蝕穿孔是天然氣管道泄漏最常見的工況之一。

本文以含硫天然氣管道為例，對短時穩定泄漏過程進行數值計算，利用CFD軟件對架空天然氣管道發生泄漏時，風速對氣體擴散規律進行研究，通過相關的數值計算，得出模擬區域內天然氣云團的擴散特性。對有效預測甲烷爆炸危險區及硫化氫中毒危險區域范圍，提出應對方案，以及為天然氣的安全輸送及環境保護提供了一定的理論依據。

1　模型的建立

1.1數學模型的建立

天然氣在泄漏過程中遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。控制方程如下：

能量方程

1.2泄漏擴散控制方程

在這里，含硫天然氣的擴散可認為是多組分氣體相互作用而形成的湍流。通過綜合考慮計算條件和工程要求，采用耦合隱式求解器，它的基本方程為定常Reynolds時均方程。鑒于高壓管道泄漏初速度很大，故選用湍流模型中的可實現模型。

湍流脈動動能方程（k方程）：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產生項；Gb為浮力引起的湍流動能產生項；Ym為可壓縮湍流中脈動擴張貢獻；為湍動黏度，Pa·s。

2　風速對含硫天然氣泄漏擴散的影響

2.1幾何模型及邊界條件設置

以某架空集輸管道為例，管徑610 mm，計算管長間距5 km，上游起點壓力3.5 MPa，下游終點壓力3.35 MPa，天然氣年均輸送量20×108m3，硫化氫含量較高，取為20 mg/L，設計工作天數按350天計算，外界環境平均溫度16℃，天然氣平均溫度26℃。

取一個足夠大且包含泄漏區域以及擴散區域的空間，高100m、泄漏半徑為50m，研究天然氣在此空間的泄漏情況。泄漏口采用二維孔口模型，口徑為10cm，模擬左側風速為0、2m/ s、5m/s和8m/s四種情況下的天然氣泄漏擴散規律。

高速氣流經由泄漏口噴射出，在泄漏口上方一定高度內的速度梯度較大，因此有必要將計算區域劃分幾塊，且泄漏口上方的區域需要網格細化。

由泄漏管道的二維模型可知，整個計算區域劃分為三塊，具體的物理模型如下圖：

圖2.1　架空天然氣管道泄漏物理模型

由于本例涉及到泄漏擴散問題，所以應該采用組分輸運模型，模擬穩態情況下的氣體泄漏過程，迭代次數1000歩，除了能量的迭代收斂標準為0.000 001外，其他各個變量的計算迭代收斂標準為0.001。邊界條件：管壁為壁面，泄漏口和左側風入口為速度入口，其他為壓力出口。

泄漏口及管內氣體泄漏初始速度213.42 m/s，天然氣中甲烷體積分數93.5%，H2S 體積分數6.5%，甲烷的爆炸范圍是5% ~15%（體積分數），H2S中毒下限體積分數6.5×10-4。

2.2數值模擬及結果分析

2.2.1不同風速下氣體擴散過程模擬結果

本文通過FLUENT軟件計算，利用GAMBIT建立模型、劃分網格。采用FLUENT中組分輸運模型，基于壓力的求解器(pres?sure-based solver)，使用標準κ-ε模型求解定常狀態下的紊流問題。

因為噴射出來的天然氣與周圍大氣環境之間存在著很大的壓差，所以壓力將在很短的距離里就與環境達到平衡，并且這個過程所需要的時間很短，對整個計算域影響不大，這也就可以將重點放在分析天然氣泄漏擴散時甲烷和硫化氫的濃度場分布情況上。本文利用等值線圖顯示天然氣中各組分的濃度場分布情況如圖2.2-2.9所示。

甲烷在不同風速情況下的濃度場分布情況如下圖：

圖2.2　無風條件下甲烷擴散情況　

圖2.3　風速為2m/s時甲烷擴散情況

圖2.4　風速為5m/s時甲烷擴散情況　

圖2.5　風速為8m/s時甲烷擴散情況

硫化氫在不同風速情況下的濃度場分布情況如下圖：

圖2.6　無風條件下硫化氫擴散情況

圖2.7　風速為2m/s時硫化氫擴散情況

圖2.8　風速為5m/s時硫化氫擴散情況

圖2.9　風速為8m/s時硫化氫擴散情況

2.2.2不同風速下氣體擴散規律分析

由圖2.2、2.6分析可知無風的情況下：

由于架空管道無土壤空隙的束縛，發生泄漏后，天然氣會以高壓射流的形式射向高空，濃度等值線在氣體出口附近比較密集，運動到一定高度后，變得較為稀疏。泄漏口附近甲烷和硫化氫濃度非常大，但擴散分布的范圍較小，近地面除泄漏口附近氣體濃度較高外，一定范圍內無危險區。由于天然氣與空氣存在密度差，天然氣很快擴散開，隨著擴散的向前推進，使天然氣湍動能減低，天然氣的分布區域逐漸變大，濃度衰減很快，從而導致高壓氣體在距地表一定位置處開始形成云團。

在射流軸心線上距離泄漏口45m的地方甲烷體積分數衰減到5%，距離泄漏口55m的地方硫化氫體積分數衰減到0.065%。這不僅僅是初速度的原因所致，天然氣的擴散還受到粘性力、浮力、甲烷本身重力等因素的影響。

對比圖2.3、2.7和圖2.2、2.6分析，當有v=2m/s風速時，天然氣的泄漏流向發生變化，且高空的云團也顯著縮小，并且在距離泄漏口20m的空中，甲烷和硫化氫的濃度都顯著增到，體積分數分別達到了15%和1.14%，在此濃度范圍也形成了一片云團。

分析圖2.4、2.5，當有v=5m/s和v=8m/s風速時，天然氣的泄漏流向發生明顯變化，高空的云團也消失，并且隨著風速的增大，甲烷和硫化氫的濃度擴散越不顯著，煙云高度降低，即風速越大，高空中的甲烷和硫化氫濃度越小；風速為8m/s時，距離泄漏口60m的空中，甲烷和硫化氫的濃度變得非常小，對大氣環境和人體的影響也很小。

由圖2.2-2.9還可分析出架空天然氣管道穩定泄漏擴散過程中甲烷、硫化氫爆炸及中毒危險區域。由于甲烷爆炸范圍是5% ~15%（體積分數），當甲烷濃度低于5%的時候，達不到爆炸極限，而且在大氣中很快就被稀釋到更低的濃度，對大氣環境和人體的影響很小，危險性也很小。當硫化氫的濃度達到0.065%時，人呼吸到就會中毒。云圖中用等值線分別標示出了甲烷體積分數為0.05-0.15以及硫化氫體積分數大于0.00065的區域。從硫化氫和甲烷的濃度分布來看，硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。

3　結論

天然氣泄漏擴散是一個復雜過程，這個過程受風速、地表、泄漏源位置及泄漏氣體壓力、密度等多因素共同作用，所以這種擴散是一個綜合效應。本文利用模擬方法，得到了下列結果：在天然氣擴散時，甲烷受正浮力作用，它總能到達計算區域的頂部；受重氣擴散時沉積卷積效應的影響，高含硫天然氣泄漏擴散時近地面的橫向污染距離加大，煙云高度降低，增加了搶險救災的難度；高含硫天然氣在有風作用時，低空由于泄漏口附近射流速度和梯度都很大，擴散受風速影響很小，隨著高度增加，受風速影響加大；并且硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。

鑒于本文是基于架空天然氣管道泄漏擴散的CFD二維數值模擬，所以要想得到實效性更強，更為精確可靠的模擬結論，建議：①對于網格的劃分上做的更細致；②采用三維數值模擬；③運用更為精確的運算模型進行迭代；④迭代收斂精度的設定可設定的更小些。

參考文獻：

[1]張文艷，姚安林，李又綠，李柯，武曉麗.風力對天然氣管道泄漏后擴散過程的影響研究[J].天然氣工業，2006，26 （12）：150-152

[2]付吉強，熊新強，王蕓，楊志超，程磊.架空含硫天然氣管道泄漏擴散數值模擬研究[J].當代化工.2011年10月,第40卷第10期

[3]李振林，姚孝庭等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣儲運，2008，27(5)38-41

[4]程猛猛，趙玲，吳明等.架空天然氣管道泄漏擴散數值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2013年9月第33卷第三期

[5]李朝陽，馬貴陽.高含硫天然氣管道泄漏數值模擬[J].化學工程，2011年7月第39卷第七期

[6]侯慶民.天然氣管道泄漏與天然氣在大氣中擴散的模擬研究[D] .哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009年

[7]劉墨山.川渝地區含硫天然氣管道泄漏事故后果模擬研究[D].北京：中國地質大學（北京），2010年

[8]張瓊雅.城鎮天然氣管道泄漏擴散的CFD模擬及后果分析[D].重慶：重慶大學，2013年

[9]朱彥凝，吳贄城，王強.高壓天然氣管道孔口泄漏擴散濃度與范圍仿真探討[J].安全，2009，4：4-7.

[10]李朝陽，馬貴陽.埋地與架空輸氣管道泄漏數值模擬對比分析[J].天然氣工業，2011，31(7):90-93.

[11]于洪喜，李振林，張建，等.高含硫天然氣集輸管道泄漏擴散數值模擬[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2008，32 （2）：119-122.

[12]羅志云.天然氣管道泄漏H2S擴散及影響區域的數值模擬與分析[D].北京：北京工業大學，2008年

中圖分類號：U179.8

文獻標識碼：A

文章編號：1006—7973（2016）02-0031-03