天然氣集氣站場內輸氣管道小孔泄漏數值模擬

張太亮，李朝暉，耿亞君，張旭，袁 磊

（1.西南石油大學化學化工學院四川 成都610500；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

目前天然氣的輸送普遍采用管道輸送的方式進行。我國大部分管道已經使用多年，我國東部的部分管網運行時間更是有三十多年，老化現象十分嚴重。影響管道泄漏的因素主要包括：內外腐蝕、人為破壞、管道自身缺陷和各種自然災害等。其中天然氣管道泄漏一般為孔口泄漏或裂縫泄漏，其中大部分為小孔泄漏［1-3］?，F階段，國內外對氣體泄漏擴散規律方面的研究已大有進展。M.Siddiqui等［4］使用CFD模擬來分析室內工業環境中氯泄漏擴散規律并提出相應的風險緩解措施。Qian-xi Zhang等［5］通過計算流體動力學 （CFD）方法預測城市地區天然氣釋放后風險區域在不同風向或不同釋放速率條件下的情況，并研究了強風和微風環境下風險區隨釋放率增加的變化趨勢。李朝陽等［6］對架空和埋地天然氣管道泄漏時的氣體擴散規律進行研究，對比了埋地天然氣管道和架空天然氣管道的泄漏爆炸范圍。

集氣站場內天然氣儲量大，若發生泄漏，將嚴重危害人民生命和財產安全。因此，研究天然氣擴散規律，對于制定應急救援預案，降低環境、安全風險和天然氣可持續開采具有重要的意義。

1 集氣站管道小孔泄漏模擬研究

1.1 模擬初始條件

通常，管道內的天然氣是壓縮氣體，為方便建模，本文泄漏孔口采用圓孔。在假定管內氣體屬于一維穩態流動且符合理想氣體運動規律的條件下，天然氣的泄漏擴散過程屬于絕熱過程，因此，天然氣的泄漏擴散過程是在平面圓孔口處的絕熱膨脹過程，為定熵過程［7］且氣體泄漏速率等于起始最大泄漏速率u。

環境溫度為300K，壓力為101325Pa，天然氣管道的運行壓力為0.7MPa。臨界壓力小于管道運行壓力，因此泄漏為音速泄漏，氣體流動為臨界流動，應使用式 （1.1）計算泄漏量?？卓谛孤┝康谋磉_式：

式中：Q表示孔口的泄漏量，kg／s；A表示泄漏孔面積，m2；CD表示孔口流量修正系數，一般為0.6-1；Pa表示泄漏口的絕對壓力，Pa；R表示氣體常數；M表示氣體摩爾質量，kg／mol。

設置泄漏孔徑分別為：10、20、30、40 mm，在靜風、管道壓力為0.7 MPa的條件下通過代入式（1）可以得到對應的泄漏量：0.0932、0.384、0.839、1.492 kg／s。

1.2 集氣站管道小孔泄露模型建立

在一個長為150m、寬為60m，有管架、井口、收發球器、站控室等設備的集氣站中，發生管道小孔泄漏，本文著重研究泄漏處的影響，因此，對模型進行簡化研究，選擇二維模型分析。在一個長為150m、寬為60m的集氣站內部有一個13m×6m的辦公區、15m×22m的輔助生產區和15m×50m的井架區域，管徑200mm。圖形右側為風速進口。

本文使用ICEM CFD15.0對模型進行網格劃分，并對泄漏孔周圍的網格進行加密，管壁處設置100個節點，泄漏孔處設置10個節點，劃分后的網格總數有328430，節點數為164801。

1.3 監測點的設置

由于天然氣的小孔泄漏為非穩態泄漏，因此需要設置監測點對各點的天然氣濃度進行監測，更好地去研究天然氣泄漏擴散的規律，主要選取14個監測點，監測點位置分布如圖1所示。

圖1 幾何模型中監測點的位置圖

2 集氣站管道小孔泄露天然氣擴散的影響因素研

2.1 風速

風速是影響天然氣泄漏擴散的重要因素，且風速不斷地發生變化，本文中假設風速是恒定的。同時，風速的影響會加劇空氣和天然氣之間的傳熱傳質，使得天然氣得擴散更快。天然氣泄漏擴散是一種非穩態過程，本文選取連續泄漏30 s后的數據進行比較。根據當地一年四季風速的大體情況，選擇一下這四種風速的泄漏情況，進行模擬。主要模擬的風速有：1.5 m／s、3 m／s、4.5 m／s共四組，風向為從右至左，管道的運行壓力為0.7 MPa，泄漏孔徑取20 mm，此時泄漏量為0.384 kg／s。

天然氣含有高濃度CH4，所以下面將主要模擬甲烷泄漏情況，經過模擬，對應的不同風速下的甲烷濃度分布云圖如圖2所示。由圖2看出：

1）在靜風條件下，由于周圍障礙物的存在，因此，泄漏的天然氣難以擴散到站場的外圍，僅存在于站場內部；2）隨著風速的略微增大，泄漏的天然氣可以充分地擴散到處于下風向的站場外圍，同時，處于上風向的天然氣濃度降低；3）風速越大，處于上風向位置處的安全區域越大，同時，泄漏孔口周圍的天然氣濃度也得到了很好的疏散；4）處于兩障礙物間隙處的下風向位置處的天然氣能夠獲得更好地疏散；5）處于障礙物下風向的位置處的天然氣不易獲得疏散。

圖2 不同風速下的甲烷濃度分布云圖

監測點處濃度：經過模擬，風速為3m／s時，在風力作用下，處于下風向位置處的天然氣濃度遠遠高于處于上風向位置處的天然氣濃度，因此，我們在選擇探測器位置的時候要優先選擇下風向處的位置，這樣更容易檢測到其泄漏。同時，在同一x坐標位置處的point12和point13的質量分數分別為3.58×10-4和0.79×10-4，兩者濃度相差很大，是因為point12位于障礙物的背風側，障礙物的出現阻礙了天然氣的濃度擴散。因此我們在選擇探測器位置的時候還應選擇障礙物背風側的位置。

2.2 泄漏時間

朱遠星［8］在凈化站氣體報警儀優化布點的研究中，檢測數量最低檢測百分率最低的情況下，需要11.3s即可進行預警，本文考慮30s的泄漏事件作為模擬時長。在風速為3m／s，管道運行壓力為0.7 MPa，天然氣泄漏孔徑為20 mm的條件下對天然氣的泄漏擴散進行模擬，此時泄漏量為0.384 kg／s，同時對泄漏時間為19、25、30 s的泄漏情況進行對比分析。經過模擬，可以分析出：

1）隨著泄漏時間的增長，天然氣逐漸向周圍擴散，泄漏擴散得越充分，下風向站場位置處的危險區域減小，總體來說，站場內的安全區域增大；2）隨著泄漏時間的增長，位于障礙物后側難以擴散的天然氣也逐漸得到了擴散；3）隨著泄漏時間的增長，泄漏孔周圍的天然氣濃度得到了降低。

2.3 泄漏孔徑

天然氣的泄漏量與泄漏孔徑密切相關，而泄漏量與站場的安全緊密相連。因此，在管道運行壓力為0.7 MPa、風速為3 m／s、泄漏時間為30 s的條件下，選擇一組孔徑：10、20、30、40 mm，進行模擬后對比分析泄漏孔徑對天然氣泄漏擴散的影響。經過模擬，可以分析得到：

1）孔徑與泄漏量呈正比關系，孔徑越大，泄漏量越大，越難以擴散，但是這種影響比較細微；

2）在孔徑增大的情況下，泄漏孔周圍泄漏的天然氣更加的難以擴散，更容易出現聚集現象。

2.4 小結

在相同的泄露情況下，風速越大，越不利于集氣站內可燃性氣體的聚集；隨著擴散時間的增加，集氣站內下風向天然氣泄漏擴散得越充分；隨著孔徑的增大，泄露口附近的可燃性氣體越難以消散。

本文在模擬過程中固定了集氣站條件，因此在模擬過程中，沒有考慮泄漏壓力、天然氣組分、溫度等條件的變化對于泄漏情況的影響。

3 蒸氣云爆炸模型

經過模擬，我們能夠看出，站場內存在著許多的障礙物，在泄漏的天然氣被點燃后會有一定的空間約束，導致形成的蒸氣云團不能立即擴散。因此，本文采用蒸氣云爆炸模型，由TNT當量法來估計蒸氣云爆炸的嚴重程度，計算模型如下：

式中α表示蒸氣云爆炸的效率因子，范圍在0.03到0.05之間，本文取0.03；mTNT表示為蒸氣云爆炸中燃料的總質量，kg；ΔH表示天然氣的燃燒熱，一般取47.321 MJ／kg；QTNT表示TNT的爆炸熱，一般取 4.52 MJ／kg。

假設死亡概率百分數為50%，死亡半徑公式如下：

重傷半徑公式如下：

輕傷半徑公式如下：

在壓力為0.7MPa、溫度為300 K、泄漏孔徑為20 mm的條件下，泄漏量為0.384 kg／s，那么由上述公式可得不同泄漏時間下的爆炸能量和傷害半徑如圖3所示：

圖3 危險半徑隨泄漏時間變化圖

由圖3表可知，當泄漏時間越長，這些危險半徑越大，在天然氣發生小孔泄漏30 s后，輕傷半徑已達27.5 m。雖然小孔泄漏的泄漏量小，但隨著泄漏時間的增長，所產生的風險是不容小覷的。因此，必須采用有效的措施，在站場內部建立合理的天然氣濃度監測點，做好日常的設備巡回檢查，盡可能地杜絕危險的發生；同時，制定相應的應急救援方案，使得危險盡可能地降低到最小。

4 總結

本文通過查閱相關的文獻，簡單介紹了天然氣泄漏擴散的相關理論，使用FLUENT軟件對不同泄漏孔徑、風速及泄漏時間的條件下對氣體泄漏擴散過程進行模擬，并通過計算危險半徑對天然氣的泄漏擴散的風險進行簡要的分析，所得出的結果如下：

1）壓力分布規律。天然氣泄漏孔和障礙物周圍壓力較大，但在距離泄漏孔較短距離后，壓力就降到了環境壓力。風速越大，站場內的整體環境壓力越低；在有風的情況下，隨著泄漏時間的增長，泄漏孔周圍壓力反而降低，下風向的壓力隨之升高；孔徑越大，站場內的整體壓力越高，泄漏孔周圍壓力越高。

2）速度分布規律。天然氣泄漏孔和障礙物周圍的速度較大。風速越大，站場內和泄漏孔周圍的氣體流速均增大；泄漏時間越長，站場內氣流擾動范圍越廣；孔徑越小，站場內及泄漏孔周圍的氣體流速均增大。

3）天然氣濃度分布規律。風速越大，處于上風向位置處的安全區域越大，處于下風向位置處的危險區域越大，障礙物背風側的天然氣濃度越大，且隨著泄漏時間的增長，障礙物背風側及泄漏孔周圍的天然氣濃度先增大后減小，站場內的安全區域先減小后增大；孔徑越大，站場泄漏孔周圍以及整個站場內部泄漏的天然氣越難以擴散。

4）對于天然氣泄漏擴散的探測器位置優先選擇位于下風向的區域和靠近障礙物背風側的區域。