城市埋地天然氣管道泄漏原因分析

宮玉凱

摘? ? 要：隨著燃?xì)鈮毫艿拦I(yè)的發(fā)展，天然氣、液化石油氣以及人工煤氣等燃?xì)庖殉蔀槌擎?zhèn)居民生活能源的主要來(lái)源。城市天然氣管道在集輸過(guò)程中，外力破壞、腐蝕以及管道固有因素等原因，引起天然氣管道穿孔和破裂失效。一旦發(fā)生燃?xì)夤艿佬孤┦鹿剩瑫?huì)妨礙天然氣管道安全生產(chǎn)運(yùn)行、污染環(huán)境以及造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)引起火災(zāi)、爆炸、中毒、傷亡等惡性事故，造成人員傷亡等重大事故。基于以上，研究天然氣管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程對(duì)于減小事故危害、應(yīng)急搶險(xiǎn)方案的制定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：埋地;天然氣管道;多孔介質(zhì);泄漏擴(kuò)散;數(shù)值分析

當(dāng)今社會(huì)，高速發(fā)展經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，人口持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)狀，加劇了中國(guó)對(duì)能源的需求，能源與環(huán)境的問(wèn)題也變得日益突出。由于天然氣燃燒產(chǎn)物為不會(huì)造成空氣污染的 CO2 和水，在我國(guó)日益增加的環(huán)保壓力的推動(dòng)下， 2013 年 11 月在成都召開(kāi)的“中國(guó)天然氣汽車(chē)論壇”有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在 2021年之前我國(guó)天然氣需求量有望維持年均約20%的高速增長(zhǎng)率。據(jù)悉，在“煤改氣”、“油改氣” 等環(huán)保項(xiàng)目的推動(dòng)下，天然氣作為重要的潔凈能源之一，這將加劇今明兩年我國(guó)天然氣緊張的供應(yīng)局勢(shì)。為了緩解國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)的緊張局勢(shì)，中石化、中石油以及中海油等大型國(guó)有石油公司，明年將增加天然氣的供應(yīng)量[1]。在未來(lái) 20 年內(nèi)，從全球范圍來(lái)看，天然氣將是消費(fèi)比重維持高速穩(wěn)步增長(zhǎng)的唯一一次性能源;石油和煤炭消費(fèi)比重均將呈下降趨勢(shì)，可再生能源和核能等消費(fèi)比重不會(huì)超過(guò) 10%。

一、研究情況

隨著天然氣工業(yè)的日益發(fā)展，越來(lái)越多的長(zhǎng)輸和城市天然氣管道投產(chǎn)運(yùn)行。由于腐蝕、外力破壞和管道安裝缺陷等原因，天然氣壓力管道泄漏事故頻繁發(fā)生。更為嚴(yán)重的是，泄漏的天然氣氣與空氣形成可燃混合氣， 當(dāng)氣體濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，遇明火將發(fā)生燃燒或爆炸，易引發(fā)人員傷亡和財(cái)產(chǎn)破壞等事故。通過(guò)結(jié)合城鎮(zhèn)地形、管道運(yùn)行工況、環(huán)境溫度等影響因素，對(duì)埋地城市天然氣管道的泄漏后天然氣在土壤和大氣中擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析， 總結(jié)歸納天然氣泄漏擴(kuò)散濃度分布規(guī)律，并預(yù)測(cè)泄漏天然氣的擴(kuò)散范圍，最大限度降低泄漏擴(kuò)散所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。城市天然氣管道泄漏擴(kuò)散的研究，可以完善城鎮(zhèn)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，也是泄漏擴(kuò)散事故理論聯(lián)系實(shí)際的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)[2]。由于方便快捷、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，管道運(yùn)輸已成為天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞健Ｎ覈?guó)天然氣輸送管網(wǎng)的建設(shè)先后經(jīng)歷了兩個(gè)階段：陜甘寧氣田和四川盆地天然氣外輸管線(xiàn)工程這一局部天然氣管網(wǎng)的投產(chǎn)標(biāo)志著我國(guó)天然氣管道建設(shè)的第一階段完成。可見(jiàn)逐步完善國(guó)內(nèi)東西部天然氣輸送管網(wǎng)的主干線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)多氣源聯(lián)網(wǎng)供氣，并與國(guó)際輸氣管網(wǎng)連通是我國(guó)天然氣管網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)。因此第二階段集中建設(shè)了西氣東輸工程，其工程主要內(nèi)容建設(shè)我國(guó)東西方向天然氣輸氣干線(xiàn)，如綿延 4000 千米的西氣東輸一線(xiàn)工程、長(zhǎng)達(dá) 9102 千米的西氣東輸二線(xiàn)工程（主要包括管道主干線(xiàn)及 8 條支干線(xiàn)）、中亞及中緬天然氣管道工程，緩解了沿途近 200 個(gè)城市能源需求，完善了我國(guó)輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)。管道運(yùn)輸是傳輸石油、天然氣等能源物質(zhì)最為安全經(jīng)濟(jì)途徑之一。[3]。

二、城鎮(zhèn)天然氣研究現(xiàn)狀

對(duì)于天然氣、液化氣等危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程的研究方法主要包括試驗(yàn)研究方法和模擬計(jì)算方法。試驗(yàn)研究方法主要是部分學(xué)者利用危險(xiǎn)性液化氣體 LNG、LPG 等進(jìn)行擴(kuò)散流場(chǎng)分析研究，試驗(yàn)操作不僅具有一定的危險(xiǎn)性，具有一定的難度，并且經(jīng)濟(jì)性也較差，但國(guó)外學(xué)者 D.J.Hal和 Sklavounos S在該領(lǐng)域仍在進(jìn)行危險(xiǎn)性氣體研究;國(guó)內(nèi)學(xué)者羅音宇進(jìn)行了氣田井噴 H2S 風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn);謝昱姝、吳宗之、呂良海等采用全尺寸氣體泄漏實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬真實(shí)埋地天然氣管道泄漏場(chǎng)景，對(duì)泄漏后的天然氣在土壤中的擴(kuò)散對(duì)流過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者采用模擬計(jì)算方法對(duì)燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散過(guò)程進(jìn)行研究。模擬計(jì)算方法主要包括兩種：第一利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng) CFD）軟件進(jìn)行數(shù)值模擬;第二種利用理論模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)值。

目前國(guó)內(nèi)外氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬研究領(lǐng)域最有影響力的管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程數(shù)值模擬模型主要有以J.G.Bartzis為代表的ADREA-HF模型，以Peter J.Shopov 為代表的DISCO模型，以Y.RIOU為代表的MERCURE-GL模型以及W.Jacobsen 與B.F.Magnusson提出的氣體擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬模型等[40]。

經(jīng)過(guò)近20年的努力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專(zhuān)家在描述管道泄漏氣體流動(dòng)和燃?xì)庑孤U(kuò)散的控制微分方程方面達(dá)成一致，因而很多理論模型沿用了相同的控制微分方程組，通過(guò)分析這些國(guó)內(nèi)外比較著名的管道泄漏擴(kuò)散模型，不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于高壓燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散數(shù)值模擬的研究，目前的主要研究方向?yàn)橥牧髂Ｐ偷倪x擇，主要討論的問(wèn)題包括初始及邊界條件的不同、數(shù)值處理方式的差異。

三、結(jié)論

查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)文獻(xiàn)，分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外燃?xì)庑孤U(kuò)散研究方法，確定本文的研究方法;分析總結(jié)引起埋地燃?xì)夤艿佬孤┑囊蛩睾吐竦靥烊粴夤艿佬孤U(kuò)散過(guò)程的特性和影響因素，并建立樹(shù)狀圖;分析了天然氣管道的理論泄漏量的計(jì)算，并利用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)了計(jì)算泄漏率的計(jì)算程序，闡述了氣體泄漏擴(kuò)散基本方程及多孔介質(zhì)理論;結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)流體力學(xué)和熱力學(xué)理論計(jì)算埋地天然氣管道的初始泄漏率以及管道兩端截?cái)嚅y關(guān)閉以后泄漏率隨時(shí)間的變化關(guān)系，介紹了 CFD軟件仿真原理結(jié)合湍動(dòng)能 k 方程、耗散率方程以及物質(zhì)擴(kuò)散方程，建立了埋地燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散的數(shù)學(xué)模型及物理模型，并對(duì)該模型進(jìn)行分析、設(shè)置符合實(shí)際工況的邊界條件;基于上述模型，采用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)不同輸送壓力（高壓、次高壓、中壓）、不同泄漏孔徑大小、不同泄漏位置以及不同環(huán)境溫度下泄漏氣體的濃度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并總結(jié)規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈（王瑩）. 埋地低壓天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬分析[D].北京建筑大學(xué)，2019.

[2]杜美萍. 埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散的模擬研究[D].北京化工大學(xué)，2015.

[3]馬芝儀.試論埋深對(duì)天然氣管道泄漏及搶修的影響[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（10）：80.