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

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架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

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

摘要：在天然氣管道集輸過程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)橛捎诠艿览匣?、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(kuò)散，以致很可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、中毒甚至爆炸事故。本文建立了架空管道泄漏擴(kuò)散過程控制方程，并對架空管道發(fā)生穿孔時(shí)的穩(wěn)定泄漏過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)速對氣體擴(kuò)散規(guī)律的影響，得到了甲烷、硫化氫在一定風(fēng)速影響下的擴(kuò)散規(guī)律，以及甲烷和硫化氫的濃度分布規(guī)律，為有效預(yù)測高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響范圍提供了依據(jù)。研究結(jié)果對于認(rèn)識(shí)高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，以及了解相關(guān)安全事故的預(yù)警和救援知識(shí)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：含硫天然氣管道；泄漏擴(kuò)散；風(fēng)速；數(shù)值模擬

天然氣管道發(fā)生泄漏擴(kuò)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(shí)穩(wěn)定泄漏過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用CFD軟件對架空天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，風(fēng)速對氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，通過相關(guān)的數(shù)值計(jì)算，得出模擬區(qū)域內(nèi)天然氣云團(tuán)的擴(kuò)散特性。對有效預(yù)測甲烷爆炸危險(xiǎn)區(qū)及硫化氫中毒危險(xiǎn)區(qū)域范圍，提出應(yīng)對方案，以及為天然氣的安全輸送及環(huán)境保護(hù)提供了一定的理論依據(jù)。

1　模型的建立

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

天然氣在泄漏過程中遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律?？刂品匠倘缦拢?/p>

能量方程

1.2泄漏擴(kuò)散控制方程

在這里，含硫天然氣的擴(kuò)散可認(rèn)為是多組分氣體相互作用而形成的湍流。通過綜合考慮計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)模型。

湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程（k方程）：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Ym為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn)；為湍動(dòng)黏度，Pa·s。

2　風(fēng)速對含硫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響

2.1幾何模型及邊界條件設(shè)置

以某架空集輸管道為例，管徑610 mm，計(jì)算管長間距5 km，上游起點(diǎn)壓力3.5 MPa，下游終點(diǎn)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(shè)計(jì)工作天數(shù)按350天計(jì)算，外界環(huán)境平均溫度16℃，天然氣平均溫度26℃。

取一個(gè)足夠大且包含泄漏區(qū)域以及擴(kuò)散區(qū)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(cè)風(fēng)速為0、2m/ s、5m/s和8m/s四種情況下的天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律。

高速氣流經(jīng)由泄漏口噴射出，在泄漏口上方一定高度內(nèi)的速度梯度較大，因此有必要將計(jì)算區(qū)域劃分幾塊，且泄漏口上方的區(qū)域需要網(wǎng)格細(xì)化。

由泄漏管道的二維模型可知，整個(gè)計(jì)算區(qū)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(kuò)散問題，所以應(yīng)該采用組分輸運(yùn)模型，模擬穩(wěn)態(tài)情況下的氣體泄漏過程，迭代次數(shù)1000歩，除了能量的迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.000 001外，其他各個(gè)變量的計(jì)算迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001。邊界條件：管壁為壁面，泄漏口和左側(cè)風(fēng)入口為速度入口，其他為壓力出口。

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

2.2數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.2.1不同風(fēng)速下氣體擴(kuò)散過程模擬結(jié)果

本文通過FLUENT軟件計(jì)算，利用GAMBIT建立模型、劃分網(wǎng)格。采用FLUENT中組分輸運(yùn)模型，基于壓力的求解器(pres?sure-based solver)，使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型求解定常狀態(tài)下的紊流問題。

因?yàn)閲娚涑鰜淼奶烊粴馀c周圍大氣環(huán)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(huán)境達(dá)到平衡，并且這個(gè)過程所需要的時(shí)間很短，對整個(gè)計(jì)算域影響不大，這也就可以將重點(diǎn)放在分析天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)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(fēng)速情況下的濃度場分布情況如下圖：

圖2.2　無風(fēng)條件下甲烷擴(kuò)散情況　

圖2.3　風(fēng)速為2m/s時(shí)甲烷擴(kuò)散情況

圖2.4　風(fēng)速為5m/s時(shí)甲烷擴(kuò)散情況　

圖2.5　風(fēng)速為8m/s時(shí)甲烷擴(kuò)散情況

硫化氫在不同風(fēng)速情況下的濃度場分布情況如下圖：

圖2.6　無風(fēng)條件下硫化氫擴(kuò)散情況

圖2.7　風(fēng)速為2m/s時(shí)硫化氫擴(kuò)散情況

圖2.8　風(fēng)速為5m/s時(shí)硫化氫擴(kuò)散情況

圖2.9　風(fēng)速為8m/s時(shí)硫化氫擴(kuò)散情況

2.2.2不同風(fēng)速下氣體擴(kuò)散規(guī)律分析

由圖2.2、2.6分析可知無風(fēng)的情況下：

由于架空管道無土壤空隙的束縛，發(fā)生泄漏后，天然氣會(huì)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(yùn)動(dòng)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(kuò)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(nèi)無危險(xiǎn)區(qū)。由于天然氣與空氣存在密度差，天然氣很快擴(kuò)散開，隨著擴(kuò)散的向前推進(jìn)，使天然氣湍動(dòng)能減低，天然氣的分布區(qū)域逐漸變大，濃度衰減很快，從而導(dǎo)致高壓氣體在距地表一定位置處開始形成云團(tuán)。

在射流軸心線上距離泄漏口45m的地方甲烷體積分?jǐn)?shù)衰減到5%，距離泄漏口55m的地方硫化氫體積分?jǐn)?shù)衰減到0.065%。這不僅僅是初速度的原因所致，天然氣的擴(kuò)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(dāng)有v=2m/s風(fēng)速時(shí)，天然氣的泄漏流向發(fā)生變化，且高空的云團(tuán)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?jǐn)?shù)分別達(dá)到了15%和1.14%，在此濃度范圍也形成了一片云團(tuán)。

分析圖2.4、2.5，當(dāng)有v=5m/s和v=8m/s風(fēng)速時(shí)，天然氣的泄漏流向發(fā)生明顯變化，高空的云團(tuán)也消失，并且隨著風(fēng)速的增大，甲烷和硫化氫的濃度擴(kuò)散越不顯著，煙云高度降低，即風(fēng)速越大，高空中的甲烷和硫化氫濃度越?。伙L(fēng)速為8m/s時(shí)，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(huán)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(wěn)定泄漏擴(kuò)散過程中甲烷、硫化氫爆炸及中毒危險(xiǎn)區(qū)域。由于甲烷爆炸范圍是5% ~15%（體積分?jǐn)?shù)），當(dāng)甲烷濃度低于5%的時(shí)候，達(dá)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(huán)境和人體的影響很小，危險(xiǎn)性也很小。當(dāng)硫化氫的濃度達(dá)到0.065%時(shí)，人呼吸到就會(huì)中毒。云圖中用等值線分別標(biāo)示出了甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.05-0.15以及硫化氫體積分?jǐn)?shù)大于0.00065的區(qū)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(jié)論

天然氣泄漏擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜過程，這個(gè)過程受風(fēng)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(kuò)散是一個(gè)綜合效應(yīng)。本文利用模擬方法，得到了下列結(jié)果：在天然氣擴(kuò)散時(shí)，甲烷受正浮力作用，它總能到達(dá)計(jì)算區(qū)域的頂部；受重氣擴(kuò)散時(shí)沉積卷積效應(yīng)的影響，高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)近地面的橫向污染距離加大，煙云高度降低，增加了搶險(xiǎn)救災(zāi)的難度；高含硫天然氣在有風(fēng)作用時(shí)，低空由于泄漏口附近射流速度和梯度都很大，擴(kuò)散受風(fēng)速影響很小，隨著高度增加，受風(fēng)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(kuò)散的CFD二維數(shù)值模擬，所以要想得到實(shí)效性更強(qiáng)，更為精確可靠的模擬結(jié)論，建議：①對于網(wǎng)格的劃分上做的更細(xì)致；②采用三維數(shù)值模擬；③運(yùn)用更為精確的運(yùn)算模型進(jìn)行迭代；④迭代收斂精度的設(shè)定可設(shè)定的更小些。

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中圖分類號(hào)：U179.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006—7973（2016）02-0031-03