天然氣門站工藝區(qū)泄露擴(kuò)散模擬分析

杜 娟, 吳 琦, 杜 強(qiáng)

（1. 貴州燃?xì)鉄崃υO(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550004； 2. 中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400016）

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，天然氣作為當(dāng)代能源重要組成部分之一，其開發(fā)與利用已成為越來越多國家及地區(qū)的重中之重。一波又一波的以覆蓋主要天然氣應(yīng)用區(qū)域?yàn)槟康牡奶烊粴饣A(chǔ)設(shè)施建設(shè)高潮正開展而來。天然氣門站是設(shè)在長距離輸氣管線與城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)交接處的綜合型站場，它包括燃?xì)鈨艋?、調(diào)壓、計(jì)量等設(shè)備及其配套附屬設(shè)施。門站將來自長距離輸氣管線的天然氣，先經(jīng)過濾器清除其中機(jī)械雜質(zhì)，然后通過調(diào)壓器、流量計(jì)進(jìn)入城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)。天然氣工藝設(shè)施與石油工藝設(shè)施相比，壓力更高、泄漏后危害更大，因此，更應(yīng)該引起相關(guān)技術(shù)人員的重視。門站內(nèi)通常有控制室、變配電室、辦公室、休息間等建筑物。天然氣工藝裝置一旦發(fā)生腐蝕破壞、開裂等情況，天然氣的泄露將對(duì)站內(nèi)乃至站外的人員財(cái)產(chǎn)形成威脅。運(yùn)用計(jì)算機(jī)及計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)門站內(nèi)天然氣工藝設(shè)施損壞后的擴(kuò)散進(jìn)行仿真能較為準(zhǔn)確預(yù)測天然氣裝置的泄露擴(kuò)散，及其對(duì)門站內(nèi)部主要設(shè)施的影響。以便對(duì)門站的設(shè)計(jì)及泄露事故搶險(xiǎn)處置方案提供有力的理論支撐。

1 研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)末,國內(nèi)外已經(jīng)開展了對(duì)有毒有害氣體泄露方面的研究。Arnaldos[1]引用小孔泄漏率模型分析計(jì)算了氣體擴(kuò)散。魏利軍[2]數(shù)值計(jì)算了泄漏的全過程，計(jì)算得到整個(gè)泄露空間的氣體分布情況和速度場。潘旭海[3]研究了不同的外界環(huán)境下的氣體擴(kuò)散過程。Young[4]通過化簡，建立管道小孔泄漏率算法模型。張文艷[5]針對(duì)各種風(fēng)速影響并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際計(jì)算了天然氣泄露及其分布。劉中良[6]應(yīng)用熱力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合理想氣體方程，研究分析天然氣的泄漏過程，給出了在臨界泄漏階段與亞臨界泄漏階段的泄漏速率計(jì)算公式。姜煥勇[7]以某天然氣分輸站場為例，采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件PHAST RISK對(duì)其工藝設(shè)施和管道發(fā)生泄漏或破裂導(dǎo)致的主要事故類型進(jìn)行了后果模擬和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。李白力、李勝利[8]等采用CFD軟件對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了典型地形條件的的三維數(shù)值仿真計(jì)算，考慮了風(fēng)速隨高度變化的情況，并編寫自定義函數(shù)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行修正。范開峰、王衛(wèi)強(qiáng)[9]等采用 VOF模型對(duì)海底天然氣管道泄露進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察到了泄漏天然氣氣團(tuán)由“半球”形、“水滴”形到“球”形的過渡過程，得到了天然氣在水中上升過程的體積分?jǐn)?shù)分布特性。

2 模擬方法

在流體力學(xué)領(lǐng)域，純數(shù)學(xué)方法是用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和解析求解的方法。但這種方法只能求解一部分比較簡單或經(jīng)過大量化簡后的情況。隨著計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的成熟，計(jì)算流體力學(xué)是彌補(bǔ)數(shù)學(xué)分析方法的不足而發(fā)展起來的。計(jì)算流體力學(xué)通過求解不同的邊界條件和初始條件下的平衡方程實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)過程中各場的分布。計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬具有應(yīng)用范圍更廣、成本低廉和求解迅速的特點(diǎn)，是物理實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)方法所不能及的。很多CFD軟件已經(jīng)提供了計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算平臺(tái)并有了一定應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 物理模型

隨著我國西部開發(fā)的不斷推進(jìn)，全面加快川東北天然氣開發(fā)，給四川省達(dá)州市宣漢縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。宣漢是川氣東送的氣源地，是達(dá)州建成天然氣化工基地的主戰(zhàn)場，宣漢普光經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)作為宣漢縣的核心經(jīng)濟(jì)區(qū)，將成為宣漢縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要引擎。普光天然氣門站基礎(chǔ)設(shè)施作為工業(yè)園區(qū)氣量調(diào)度的樞紐站，承擔(dān)50×104m3的天然氣處理量，將建設(shè)過濾、計(jì)量、調(diào)壓等生產(chǎn)設(shè)施和相應(yīng)的輔助設(shè)施。該門站占地約6畝，建筑物總面積178.2 m2，定員8人。本站包括直接生活建筑及生產(chǎn)配套建筑。生產(chǎn)建筑面積根據(jù)工藝要求確定，充分滿足生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備安裝及檢修的要求。站場布置詳細(xì)情況見圖1。本文針對(duì)四川達(dá)州普光天然氣門站工程進(jìn)行工藝管道破裂泄露后的擴(kuò)散情況計(jì)算分析。

圖1 門站平面布置圖Fig.1 Plot plan of gate station

依據(jù)宣漢縣普光地區(qū)風(fēng)向頻率玫瑰圖，工藝裝置區(qū)與綜合用房之間風(fēng)力較大。風(fēng)力分布見圖2。

圖2 風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of wind direction frequency

2.2 數(shù)值求解

流體的運(yùn)動(dòng)要遵循的守恒定律：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律[10]。本課題不考慮溫度的影響，因此不啟動(dòng)能量方程。

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，其守恒的微分形式為：

源項(xiàng)Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

動(dòng)量方程：

其中：τij— 應(yīng)力張量；

p — 靜壓力；

gi和Fi— 分向量上的重力和外力。

2.3 模擬參數(shù)

接合宣漢縣普光門站布置及其相關(guān)參數(shù)，按照天然氣裝置破裂泄露擴(kuò)散分析。分別考慮不同環(huán)境及運(yùn)行狀況下，甲烷擴(kuò)散分布隨時(shí)間的變化情況。在模擬計(jì)算分析時(shí)，取爆炸極限的下限 5%為分析臨界點(diǎn)。應(yīng)用上述設(shè)定，計(jì)算天然氣裝置區(qū)泄漏擴(kuò)散后天然氣分布隨時(shí)間的變化情況。

3 結(jié)果與分析

首先，在無外界風(fēng)的環(huán)境下，模擬計(jì)算了天然氣工藝設(shè)備泄露后，氣體在空間擴(kuò)散隨時(shí)間的變化情況，如圖3。

天然氣工藝管道破裂后，形成紊態(tài)噴射，開始速度很大，在阻力的影響下，形成了蘑菇狀氣云。隨著擴(kuò)散范圍的擴(kuò)大，擴(kuò)散氣體受到浮力、阻力與重力的影響，擴(kuò)散速度減慢，進(jìn)而逐步達(dá)到平衡，速度場保持不變。泄露的噴射壓力隨著噴射過程的遞減。泄露氣體的密度由于在泄露擴(kuò)散被稀釋，氣體的密度不斷與空氣接近，也導(dǎo)致泄露氣體擴(kuò)散速度的減慢。

其次，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的相關(guān)資料，并以近期建設(shè)的天然氣處理規(guī)模來考慮，計(jì)算模擬了泄露 后天然氣在空氣中的擴(kuò)散結(jié)果，如圖4。

圖 3 近期工況無風(fēng)情況下的泄露過程Fig.3 Leak process of short term working condition with no wind

圖 4 近期工況有風(fēng)情況下的泄露過程Fig.4 Leak process of short term condition with wind

圖 5 遠(yuǎn)期工況下的泄露過程Fig.5 Leak process of long term working condition

有風(fēng)速影響下的甲烷濃度分布梯度在氣體出口附近較大，擴(kuò)散一定距離后，分布梯度減小。泄露口處氣體動(dòng)能高，風(fēng)力對(duì)泄露影響較小。隨著擴(kuò)散時(shí)間的延長，泄露氣體收到風(fēng)力和站場內(nèi)的綜合影響，形成渦狀氣流，泄露氣體濃度也隨之降低。由圖可以看出，在門站近期建設(shè)規(guī)模工況下，天然氣泄露對(duì)有人值守的綜合用房影響較小，說明依據(jù)國家規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的工藝裝置區(qū)與綜合站房的間距是合理且安全的。

最后，根據(jù)氣象資料并按照遠(yuǎn)期建設(shè)的天然氣處理規(guī)?？紤]，計(jì)算模擬了泄露后天然氣在空氣中的擴(kuò)散結(jié)果，如圖5。

考慮遠(yuǎn)期工況工藝設(shè)備處理量較大時(shí)，發(fā)生泄露擴(kuò)散的氣團(tuán)因動(dòng)量較大的原因，擴(kuò)散的高度高于近期工況天然氣泄露情況。由于遠(yuǎn)期工況的泄露量較大，泄露后天然氣氣體對(duì)綜合用房有了一定的影響，具有一定的安全隱患。需要對(duì)天然氣工藝裝置區(qū)采取一定的安全防護(hù)措施。

圖 6中的曲線表示天然氣門站工藝裝置區(qū)發(fā)生泄漏后，泄露的天然氣濃度在同一高度上的變化情況。

圖 6 甲烷濃度變化曲線Fig.6 Methane concentrations changes curve

在風(fēng)速為零時(shí)，天然氣工藝區(qū)泄露的天然氣對(duì)相鄰區(qū)域的影響較??；在當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速情況下，近期工況天然氣工藝裝置區(qū)泄出的天然氣對(duì)綜合用房影響較小，在遠(yuǎn)期工況下天然氣工藝裝置區(qū)泄出的天然氣對(duì)靠近綜合用房一側(cè)影響較大。綜上所述，天然氣門站場區(qū)內(nèi)工藝區(qū)裝置泄漏后，危險(xiǎn)區(qū)域受環(huán)境的影響發(fā)生了明顯的改變。在有風(fēng)影響下的情況站場內(nèi)安全已經(jīng)受到威脅。

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