同濟(jì)大學(xué)　周偉國　鄭晨光　王　海

天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型及危害分析

同濟(jì)大學(xué)周偉國鄭晨光王海

城市高壓天然氣管線泄漏事故對周圍人員健康及生命安全產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。文章通過建立泄漏擴(kuò)散模型，計算不同壓力及風(fēng)速狀態(tài)下天然氣泄漏的危害區(qū)域。

Fluent模擬天然氣擴(kuò)散危害區(qū)域

0　引言

隨著上海市近郊和郊區(qū)新城的建設(shè)，城市建設(shè)用地正在逐漸向高壓天然氣管線靠近。當(dāng)高壓天然氣管線受到外力破壞或因自身原因發(fā)生泄漏后，天然氣泄漏到大氣中與空氣混合將會引發(fā)火災(zāi)或者爆炸，這將對周圍人員及環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。國內(nèi)一些學(xué)者對管道泄漏危害范圍進(jìn)行了計算。

目前通過仿真軟件對天然氣管道泄漏危害區(qū)域的詳細(xì)研究還比較少，因此，本文使用Fluent對管道小孔泄漏進(jìn)行模擬，使用Tecplot軟件處理計算結(jié)果，進(jìn)行管道泄漏后果分析；確定出特定情況下的危害區(qū)域，從而在管道及建筑規(guī)范中進(jìn)行應(yīng)用。

1　高壓天然氣管道泄漏模型

1.1高壓天然氣管道泄漏量的計算

本文討論的是城市高壓天然氣管道，小孔徑泄漏事故發(fā)生概率偏大并且考慮隱蔽泄漏模式，故采用小孔泄漏模型。

管道小孔泄漏見圖1。

圖1　管道小孔泄漏示意

圖1中：1為管道起點，2為泄漏點入口，3為泄漏點出口截面上的點，d為泄漏孔直徑。

孔口泄漏流量qm計算公式如下：

式中：pa——管道外大氣的壓力，Pa；

qm——泄漏質(zhì)量流量，kg/s；

μ——流量系數(shù)，可以取0.90～0.98；

d——泄漏孔口直徑，m；

p2——點2處的燃?xì)饨^對壓力，Pa；

Rcon——CH4的氣體常數(shù)，517.1 J/(kg·K)；

T2——點2處的燃?xì)鉁囟?，K；

k——燃?xì)獾牡褥刂笖?shù)，取1.3；

p3——點3處的燃?xì)饨^對壓力，Pa。

2　高壓天然氣管道泄漏擴(kuò)散Fluent模擬

2.1模擬區(qū)域劃定

建立如圖2的二維模型。

圖2　天然氣管道二維模型

選取水平長度為2 000 m，垂直高度為1 000 m的區(qū)域進(jìn)行模擬，此區(qū)域足夠大，足以使流體到達(dá)邊界時達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

設(shè)定孔口直徑為60 mm，為了簡化起見，模型建立在平坦的地面上，保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的同時為建模和劃分網(wǎng)格提供了方便。

2.2計算模型設(shè)置

選取單精度耦合解算器。湍流模型均采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行模擬。組分輸運模型選用了無反應(yīng)多組份輸運模型來求解這種無反應(yīng)的物質(zhì)混合問題，混合氣體選定methane-air模型，氣體條件選取可壓縮氣體(ideal-gas)作為氣體特性條件。

2.3泄漏模擬計算

先選取某一初始條件進(jìn)行計算：某燃?xì)夤据斔透邏喝細(xì)?，發(fā)生管道失效而連續(xù)泄漏燃?xì)?，燃?xì)獾某煞终J(rèn)為是純甲烷(CH4)，燃?xì)夤艿纼?nèi)燃?xì)鈮毫?.6 MPa，管道直徑600 mm，當(dāng)?shù)販囟?0 ℃，由公式(1)計算可得泄漏質(zhì)量流量為4.65 kg/s。

2.4模擬結(jié)果及分析

通過以上的分析和條件設(shè)定，將數(shù)據(jù)輸入Fluent軟件中進(jìn)行迭代模擬，使用Tecplot軟件處理結(jié)果。在計算CH4危害區(qū)域時需同時考慮爆炸及有毒氣體對人體危害兩種危害區(qū)域。

CH4與空氣混合體積濃度比5%～15%為爆炸極限范圍；CH4在空氣中含量高于10%時，會導(dǎo)致人體中毒。因此，對達(dá)到穩(wěn)態(tài)時CH4的濃度分布進(jìn)行處理，僅顯示5%～15%的CH4體積分?jǐn)?shù)范圍，得到圖3：

圖3　1.6 MPa時CH4濃度為5%～15%的擴(kuò)散范圍

考慮到建筑物一般在100 m以下，因選取高度在100 m以下的水平范圍作為人們?nèi)粘；顒訁^(qū)域。從圖中可以看出，CH4的爆炸極限大概距離泄漏孔口90 m遠(yuǎn)的范圍之內(nèi)。綜合考慮CH4的爆炸及毒性兩個因素，選取甲烷濃度大于5%的范圍為其危害區(qū)域，從圖中可以得出，是以泄漏孔口為圓心的90 m以內(nèi)。因此選定距離管道泄漏點90 m以內(nèi)為危害區(qū)域。

2.5不同參數(shù)條件對天然氣擴(kuò)散范圍的影響

2.5.1管道壓力對天然氣泄漏影響

選取未來城市燃?xì)夤艿酪?guī)劃1.6 MPa、2.5 MPa、4 MPa和6 MPa四種高壓分別計算擴(kuò)散范圍，探究管道壓力不同對于天然氣擴(kuò)散范圍的影響。

表1　不同管道壓力的孔口射流流量

考慮到CH4爆炸、中毒因素對人們的危害，使用Tecplot軟件處理結(jié)果，僅顯示出在爆炸極限內(nèi)的CH4分布，見圖4～圖7。

圖4　1.6MPa時CH4的擴(kuò)散范圍

圖5　2.5MPa時CH4的擴(kuò)散范圍

圖6　4 MPa時CH4的擴(kuò)散范圍

圖7　6MPa時CH4的擴(kuò)散范圍

由圖4～圖7可以看出，隨著管道輸氣壓力的增大，CH4在垂直高度和水平寬度范圍內(nèi)擴(kuò)散范圍更廣。在6 MPa壓力下，CH4體積分?jǐn)?shù)大于5%的泄漏危害區(qū)域由1.6 MPa時的半徑90 m增加到半徑120 m范圍內(nèi)，從而增大了CH4爆炸的危險性。

2.5.2風(fēng)速對天然氣泄漏影響

為探究不同風(fēng)速對天然氣擴(kuò)散范圍的影響，選定風(fēng)速為1 m/s、3 m/s和5 m/s進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果見圖8～圖10。

圖8　風(fēng)速為1 m/s時CH4的擴(kuò)散范圍

圖9　風(fēng)速為3 m/s時CH4的擴(kuò)散范圍

圖10　風(fēng)速為5 m/s時CH4的擴(kuò)散范圍

從圖8～圖10中可以看出，隨著風(fēng)速的增加，CH4的擴(kuò)散范圍隨風(fēng)向增大，并明顯貼近地面。風(fēng)速出口產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和渦流隨著風(fēng)速的增大而加劇，當(dāng)風(fēng)速增加到5 m/s時，CH4的爆炸范圍反而減小，說明風(fēng)速的增大，有利于有害物的分散。

綜上所述，管道壓力的增大會使天然氣射流出口流量增加，速度增大，天然氣的擴(kuò)散區(qū)域增大；風(fēng)速的影響會使天然氣發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，風(fēng)速越大天然氣的偏轉(zhuǎn)角度越大，在空氣中擴(kuò)散的越快。因此，若是天然氣發(fā)生泄漏，良好的通風(fēng)條件有利于有害物質(zhì)的擴(kuò)散。

3　結(jié)語

主要的研究成果如下：

(1)本文模擬了1.6 MPa，風(fēng)速為1 m/s情況下天然氣的泄漏情況，綜合考慮爆炸極限范圍及中毒濃度范圍，可以將90 m作為城市低壓天然氣管網(wǎng)的安全距離。

(2)管道壓力增加，泄漏流量增大，影響區(qū)域也隨之?dāng)U大，建議城市高壓天然氣管道的安全距離設(shè)置在200 m以上。

(3)風(fēng)速對天然氣擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在下風(fēng)口，隨著風(fēng)速的增加，天然氣的擴(kuò)散越快，當(dāng)未發(fā)生引燃時，良好的通風(fēng)有利于有害物質(zhì)的擴(kuò)散。

(4)本文將天然氣理想化為CH4，下一步需考慮其他有害成分，如H2S對危害區(qū)域的影響，建立更完善的擴(kuò)散模型及危害分析。

Analysis of the Hazard and Diffusion Model on the Leakage of Natural Gas Pipeline

Tongji UniversityZhou WeiguoZheng ChenguangWang hai

The leakage of high pressure natural gas pipeline can endanger residents’ health and lives. The model for leakage and diffusion of natural gas was applied to calculate the hazard area of natural gas leakage under different pressure and different wind speed as well.

Fluent simulation, natural gas diffusion, hazard area