肖國(guó)清　肖仁杰　陳云龍　趙恒搏　馮明洋

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院　成都 610500)

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天然氣門站泄漏擴(kuò)散模擬研究*

肖國(guó)清肖仁杰陳云龍趙恒搏馮明洋

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院成都 610500)

摘要城市天然氣門站安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行有利于天然氣的配送。一旦門站發(fā)生事故，則可能造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)負(fù)面影響。結(jié)合相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，建立了適用于城市天然氣門站燃?xì)庑孤┑膸航的Ｐ?，又在此基礎(chǔ)上運(yùn)用FLUENT建立帶壓降泄漏下的擴(kuò)散模型，用于門站天然氣泄漏擴(kuò)散的特點(diǎn)和影響范圍分析。并且運(yùn)用該模型對(duì)某城市天然氣門站進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，其結(jié)果對(duì)提高城市天然氣門站的安全性有著指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞天然氣帶壓降泄漏模型擴(kuò)散模型FLUENT

0引言

城市天然氣門站又稱作配氣站，是天然氣輸氣干線和城市天然氣配氣管網(wǎng)的樞紐。隨著城鎮(zhèn)化的加速，已有不少門站從以前的郊區(qū)變成了工業(yè)區(qū)，甚至人口密集的市區(qū)。再加上長(zhǎng)年運(yùn)行，門站的安全隱患有所暴露。門站的主要事故是天然氣泄漏和燃燒爆炸，并且燃燒爆炸多屬于泄漏的后續(xù)事件，因此需要對(duì)天然氣泄漏進(jìn)行泄漏擴(kuò)散模擬，分析其特征。

我國(guó)對(duì)門站天然氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程研究不夠深入，照搬長(zhǎng)輸管道天然氣泄漏的模型，與門站天然氣泄漏擴(kuò)散實(shí)際情況不相符。尤其是泄漏方面大多采用定常處理，不符合門站中天然氣泄漏速率隨著泄漏持續(xù)進(jìn)行而減慢的特點(diǎn)。為使模擬與現(xiàn)實(shí)貼合，提高計(jì)算模擬的真實(shí)可靠性，筆者在前人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立管線帶壓降泄漏模擬的計(jì)算模型，并在帶壓降的泄漏模型上建立擴(kuò)散模型。

1天然氣泄漏模擬

1.1經(jīng)驗(yàn)公式

當(dāng)泄漏氣體的流動(dòng)狀態(tài)為音速流動(dòng)時(shí)，滿足公式：

(1)

當(dāng)泄漏氣體的流動(dòng)狀態(tài)為亞音速泄漏時(shí)，滿足公式：

(2)

式中，P0為泄漏點(diǎn)附近的環(huán)境壓力，Pa；P為氣體的泄漏壓力，Pa；k為泄漏氣體的比熱容比，即氣體定壓比熱Cp與氣體定容比熱Cv之比。

當(dāng)泄漏氣體的流動(dòng)狀態(tài)為音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏速率由下式計(jì)算：

(3)

當(dāng)泄漏氣體的流動(dòng)狀態(tài)為亞音速流動(dòng)時(shí)，其泄漏速率由下式計(jì)算：

(4)

式中，Q為氣體泄漏的質(zhì)量流量，kg/s；c為氣體泄放系數(shù)，其值根據(jù)泄漏孔口的形狀來(lái)取值，圓形可取1.00，三角形可取0.95，長(zhǎng)方形可取0.90；M為泄漏氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；Z為氣體壓縮因子，當(dāng)泄漏氣體為亞音速流動(dòng)時(shí)，Z值可按下式計(jì)算：

(5)

當(dāng)泄漏氣體的流動(dòng)狀態(tài)為音速流動(dòng)時(shí)，Z=1。

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；R為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；T為氣體泄漏時(shí)的溫度，K。

1.2泄漏模型

上述公式針對(duì)定常泄漏的工況精確度較高。由于門站內(nèi)進(jìn)出站的管線中都有緊急切斷閥，且站內(nèi)調(diào)壓前后都有切斷措施，一旦發(fā)生天然氣泄漏，天然氣的泄漏速率會(huì)隨著管線內(nèi)外壓差的減小而降低。為簡(jiǎn)化復(fù)雜的泄漏情況，假設(shè)：①泄漏過(guò)程中，天然氣溫度保持不變；②緊急切斷閥立即響應(yīng)；③泄漏天然氣滿足理想氣體狀態(tài)方程；④很短的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，氣體泄漏速率的經(jīng)驗(yàn)公式適用。

模型的計(jì)算流程如圖1所示。

圖1　天然氣泄漏模型計(jì)算流程

流程中涉及的其他計(jì)算公式有：

Q(k+1)=Q(k)-ΔQ(k)×Δt

(6)

(7)

式中，n(k)為天然氣的物質(zhì)的量，mol。

1.3實(shí)例應(yīng)用

某天然氣城市門站，天然氣的壓力分兩種情況進(jìn)行調(diào)壓，一種是將來(lái)氣的1.6MPa調(diào)整到0.8MPa進(jìn)入次高壓管網(wǎng)，另一種是將來(lái)氣從1.6MPa調(diào)整到0.4MPa進(jìn)入站內(nèi)用氣管網(wǎng)。其中，運(yùn)輸壓力為1.6MPa的管道長(zhǎng)度約為55m，0.8MPa的管道長(zhǎng)度約為50m，0.4MPa的管道長(zhǎng)度約為45m。各種壓力下管道的輸送溫度均為310K，采用天然氣運(yùn)輸管道為Φ329.1mm×7.1mm，大氣壓力為101.325kPa。該門站天然氣組分如下表1。

表1　某門站中天然氣組分　%

該門站天然氣的分子量為17.450 g/mol。泄漏的壓力采用1.6、0.8、0.4 MPa 3種壓力，首先判定3種壓力下泄漏時(shí)天然氣的狀態(tài)，均符合式(1)。故天然氣在這3種壓力下發(fā)生泄漏的流動(dòng)狀態(tài)均為音速流動(dòng)，且當(dāng)泄漏壓力小于110 649.125 Pa時(shí)，天然氣的泄漏狀態(tài)變?yōu)閬喴羲倭鲃?dòng)。由式(3)～式(5)得不同工況下的天然氣的初始泄漏速率如表2所示。

表2　不同工況下天然氣的初始泄漏速率

從表2中可以看出，在相同泄漏壓力下，天然氣的泄漏速率隨著孔徑的增大而增大；在相同泄漏孔徑下，天然氣的泄漏速率隨著壓力增大而增大。同時(shí)，大孔徑下天然氣的泄漏速率受壓力的影響比小孔徑下的泄漏更大。

用模型求出孔徑為32.2 mm、64.4 mm、128.8 mm、161.0 mm、管線整個(gè)斷裂時(shí)的泄漏速率，泄漏速率變化曲線如下圖2～圖6所示。

圖2孔徑為32.2 mm時(shí)各壓力泄漏的v-t圖

圖3孔徑為64.4 mm時(shí)各壓力泄漏的v-t圖

圖4孔徑為128.8 mm時(shí)各壓力泄漏的v-t圖

圖5孔徑為161.0mm時(shí)各壓力泄漏的v-t圖

圖6全斷時(shí)各壓力泄漏的v-t圖

通過(guò)數(shù)值擬合，得FLUENT所需公式，各壓力下泄漏速率隨時(shí)間變化的方程分別為：

孔徑為32.2 mm：

1.6 MPa----v=2.128e-0.04t；

0.8 MPa----v=0.991e-0.04t；

0.4 MPa----v=0.423e-0.05t；

孔徑為64.4 mm：

1.6 MPa----v=8.406e-0.16t；

0.8 MPa----v=3.913e-0.18t；

0.4 MPa----v=1.665e-0.22t；

孔徑為128.8 mm：

1.6 MPa----v=33.96e-0.66t；

0.8 MPa----v=15.82e-0.72t；

0.4 MPa----v=6.754e-0.89t；

孔徑為161.0 mm：

1.6 MPa----v=52.87e-1.04t；

0.8 MPa----v=24.62e-1.13t；

0.4 MPa----v=10.50e-1.39t；

管線斷裂時(shí)：

1.6 MPa----v=212.8e-4.15t；

0.8 MPa----v=99.18e-4.51t；

0.4 MPa----v=42.35e-5.55t。

由以上不同泄漏工況的v-t圖可知：

(1)發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏速率在短時(shí)間內(nèi)迅速下降，且大孔徑泄漏速率下降的速度比小孔徑更為明顯。

(2)泄漏的持續(xù)時(shí)間較短：32.2 mm孔徑的泄漏在2 min內(nèi)停止，64.4 mm孔徑的泄漏在50 s內(nèi)停止，128.8 mm的泄漏在10 s左右停止，161.0 mm的泄漏在8s內(nèi)停止，管線整個(gè)斷裂引發(fā)泄漏在2 s內(nèi)停止。

2天然氣擴(kuò)散模擬

2.1物理模型及網(wǎng)格劃分

門站中，平面布局較空曠，故針對(duì)天然氣泄漏后的擴(kuò)散采用二維建模。在泄漏孔徑為64.4 mm的情況下，分別就網(wǎng)格數(shù)為3萬(wàn)、6萬(wàn)、8萬(wàn)、10萬(wàn)、20萬(wàn)、30萬(wàn)、50萬(wàn)進(jìn)行了模擬試算，選取點(diǎn)(X=75，Y=20)在t=30 s時(shí)刻天然氣的體積百分?jǐn)?shù)為判定標(biāo)準(zhǔn)，試算結(jié)果如圖7所示。

圖7　網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

從圖7可以看出，網(wǎng)格數(shù)達(dá)到10萬(wàn)之后，試算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。考慮計(jì)算精度和資源，選取10萬(wàn)網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。在風(fēng)速入口、孔口附近，近地面需進(jìn)行網(wǎng)格加密，所建立的網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8　泄漏孔徑為64.4 mm條件下的建模

2.2擴(kuò)散模擬

根據(jù)前文中天然氣泄漏的結(jié)果，選取以下3種工況下發(fā)生天然氣泄漏后的擴(kuò)散進(jìn)行模擬，如下表3。

表3　天然氣擴(kuò)散的模擬工況

(1)孔徑為64.4 mm，在壓力1.6 MPa下泄漏后的擴(kuò)散模擬，結(jié)果如下圖9～圖13。

圖9　t=0.625 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖10　t=9.025 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖11　t=20.125 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖12　t=30.000 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖13　t=30.000 s時(shí)處于爆炸極限內(nèi)的擴(kuò)散云圖

天然氣在泄漏剛發(fā)生時(shí)，壓差很大，射流速度非常快。當(dāng)t=3.625 s時(shí)，在重力作用下開始向近地面聚集。當(dāng)t=9.025 s時(shí)，在近地面已經(jīng)形成聚集區(qū)。當(dāng)t=20.125 s時(shí)，泄漏速度持續(xù)減小，射流高度較初始明顯降低。當(dāng)t=30.000 s時(shí)，泄漏速度已經(jīng)非常小，射流現(xiàn)象已經(jīng)非常弱。

此后，聚集區(qū)會(huì)形成新的擴(kuò)散前鋒，但此時(shí)聚集區(qū)所存天然氣較泄漏初期已很少，其擴(kuò)散距離不會(huì)超過(guò)t=30.000 s時(shí)達(dá)到的距離。天然氣的爆炸極限為5%～15%，此時(shí)處于爆炸極限內(nèi)的云圖如圖13所示。

故泄漏孔徑為64.4 mm，泄漏初始?jí)毫?.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風(fēng)速下擴(kuò)散，在垂直方向上影響的范圍為43 m，水平方向上的影響范圍為157 m，方向?yàn)橄嘛L(fēng)向。

(2)孔徑為128.8 mm，在壓力1.6 MPa下泄漏后的擴(kuò)散模擬，結(jié)果如下圖14～圖17所示。

圖14　t=1.000 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖15　t=8.000 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖16　t=17.000 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖17　t=17.000 s時(shí)爆炸極限內(nèi)的擴(kuò)散云圖

當(dāng)t=1.000 s時(shí)，泄漏速度很快，由于泄漏孔徑達(dá)到了128.8 mm，單位時(shí)間內(nèi)泄漏出的天然氣較多，射流曲線頂端的天然氣濃度較高。當(dāng)t=8.000 s時(shí)，單位時(shí)間泄漏出的天然氣已非常少，射流已停止。當(dāng)t=17.000 s時(shí)，這兩部分氣團(tuán)是由上一個(gè)時(shí)刻的一個(gè)氣團(tuán)分裂而成，且濃度越來(lái)越低。根據(jù)該部分天然氣的擴(kuò)散軌跡可以判定，天然氣的擴(kuò)散已經(jīng)快結(jié)束，且影響范圍不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。此時(shí)處于天然氣爆炸極限內(nèi)的云圖如圖17所示。

故泄漏孔徑為128.8 mm，泄漏初始?jí)毫?.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風(fēng)速下擴(kuò)散，在垂直方向上影響的范圍為54 m，水平方向上的影響范圍為132 m。

(3)孔徑為161.0 mm，在壓力1.6 MPa下泄漏后的擴(kuò)散模擬，結(jié)果如下圖18～圖21所示。

圖18　t=0.195 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖19　t=5.415 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖20　t=10.000 s時(shí)擴(kuò)散云圖

圖21　t=10.000 s時(shí)爆炸極限內(nèi)的擴(kuò)散云圖

泄漏孔徑為161.0 mm，在壓力1.6 MPa下的泄漏速度非?？欤孤┏跗诖怪狈较蛏系纳淞鲃?dòng)量遠(yuǎn)大于水平方向上風(fēng)速產(chǎn)生的動(dòng)量。當(dāng)t=5.415 s時(shí)，單位時(shí)間泄漏出的天然氣已非常小，故射流曲線出現(xiàn)斷裂的趨勢(shì)。當(dāng)t=10.000 s時(shí)，泄漏已經(jīng)停止，由于此時(shí)各個(gè)天然氣團(tuán)的大小已明顯降低，且擴(kuò)散在豎直高度上早已達(dá)到穩(wěn)定，因此可以就此時(shí)刻的模擬結(jié)果得到天然氣的擴(kuò)散影響范圍。此時(shí)處于爆炸極限范圍內(nèi)的天然氣擴(kuò)散云圖如圖21所示。

故泄漏孔徑為161.0 mm，泄漏初始?jí)毫?.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風(fēng)速下擴(kuò)散，在垂直方向上影響的范圍為57 m，水平方向上的影響范圍為129 m。

3結(jié)論

(1) 以64.4、128.8、161.0 mm的孔徑發(fā)生泄漏后在常年平均風(fēng)速下進(jìn)行擴(kuò)散，在下風(fēng)向的影響范圍分別為157、132、129 m，在垂直方向上的影響高度分別為：43、54、57 m。

(2) 在常年平均風(fēng)速下，小孔徑泄漏在水平方向上的擴(kuò)散距離比大孔徑泄漏的擴(kuò)散距離稍遠(yuǎn)；小孔徑泄漏在垂直方向的影響范圍比大孔徑泄漏在垂直方向上的影響范圍較低。

(3) 由于門站天然氣存氣較少，小孔徑比大孔徑擴(kuò)散的影響范圍大，說(shuō)明該風(fēng)速能夠?qū)υ撻T站泄漏的天然氣的稀釋作用較強(qiáng)。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51474187、51174089)。

作者簡(jiǎn)介肖國(guó)清，博士，教授，西南石油大學(xué)科研處副處長(zhǎng)，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)國(guó)家公派訪問(wèn)學(xué)者，主要從事建筑物火災(zāi)控制理論、油氣安全的研究工作。

(收稿日期：2015-06-10)

The Simulation Research on the Leakage and Diffusion of Natural Gas Gate Station

XIAO GuoqingXIAO RenjieCHEN YunlongZHAO HengboFENG Mingyang

(CollegeofChemistryandChemicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversityChengdu610500)

AbstractIt is good for the distribution of gas that the natural gas gate station is in safe, stable and efficient operation. Once an accident occurs, it may cause casualties, economic losses and extremely negative social effects. Combined with the experience formula, a model with a pressure drop for gas leakage of natural gas gate station has been built. On the basis of this model, the diffusion model with pressure leaking is established by FLUENT to analyze the characteristics and the influence scope of the leakage and diffusion in natural gas gate station. As a result, it is applied in one city natural gas gate station and it proves to be directive to improve the safety of the city natural gas gate station.

Key Wordsnatural gasmodel with pressure drop for gas leakagediffusion modelFLUENT