天然氣泄漏擴(kuò)散模型研究

屈 洋，杜勝男，王 聰，王衛(wèi)強(qiáng)，張鐵軍

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

天然氣泄漏擴(kuò)散模型研究

屈 洋，杜勝男，王 聰，王衛(wèi)強(qiáng)，張鐵軍

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

在天然氣集輸過程中，由于管道系統(tǒng)連接件之間的密封缺陷、腐蝕穿孔、人為管理不善等因素引起的天然氣泄漏甚至爆炸事故在國(guó)內(nèi)外屢見不鮮，對(duì)于長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏過程研究應(yīng)用，可有效減少因天然氣擴(kuò)撒、爆炸等引起的人員和經(jīng)濟(jì)損失，而研究的關(guān)鍵則在于模型的建立。

天然氣集輸；天然氣泄漏；模型

21世紀(jì)以來，隨著各國(guó)對(duì)能源的需求與環(huán)境保護(hù)的矛盾日益嚴(yán)重，加之石油產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢，天然氣以其儲(chǔ)量大、利用廣、燃燒熱量大和污染小等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多國(guó)家的親睞[1-3]。許多國(guó)家對(duì)天然氣及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都提供大力的支持，近年來，天然氣氣田建設(shè)、接收站和集輸系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，更加促進(jìn)了天然氣的利用[4]。

在國(guó)內(nèi)外天然氣集輸過程中，管道老化、腐蝕、自然災(zāi)害、疲勞、機(jī)械損傷等因素導(dǎo)致的天然氣泄漏甚至爆炸事故頻頻發(fā)生[5]，如表1所示我國(guó)部分天然氣管道事故表。

表1 我國(guó)部分天然氣管道事故表Table 1 Part of the natural gas pipeline accidents table

長(zhǎng)輸管道天然氣泄漏擴(kuò)散的模擬分析過程，并計(jì)算天然氣泄漏的危害區(qū)域，可以有效的減小由于氣體擴(kuò)散導(dǎo)致的火災(zāi)及爆炸、氣體中毒等風(fēng)險(xiǎn)因素所造成的嚴(yán)重人傷亡員和巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此預(yù)防與控制由管道氣體泄漏引起的事故，有利于管道集輸?shù)陌踩\(yùn)營(yíng)及減少人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失，泄漏研究具有重大的科研價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義[6-8]。長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬方法：（1）CFD模擬；（2）理論模型計(jì)算。

1 CFD軟件數(shù)值模擬

1.1 CFD軟件的模擬方法

（1）直接模擬是利用直接模擬求解三維非穩(wěn)態(tài)的N-S方程。直接模擬計(jì)算條件要求較高、計(jì)算時(shí)需采用較小的空間步長(zhǎng)與時(shí)間步數(shù)，目前研究人員只有通過超級(jí)計(jì)算機(jī)才可以完成直接模擬的研究。

（2）大渦模擬是將氣體湍流根據(jù)渦旋學(xué)說分成若干個(gè)不同尺度的渦旋。主流為大尺度渦提供能量，其特征在于高度的非同向性；大尺度渦則為小尺度渦提供能量，并將提供的能量耗散為熱能；大渦模擬只適用于大尺度渦，近似公式化小渦旋對(duì)大渦旋的作用。大渦模型仍對(duì)計(jì)算機(jī)有較高的性能要求，但近年來對(duì)大渦模擬的研究和應(yīng)用越來越廣泛。

（3）應(yīng)用雷諾茲時(shí)均方程模型的CFD計(jì)算方法其基本思想是將三維非定常N-S方程的平均時(shí)間，平均物理量的控制方程。但由于未知量的個(gè)數(shù)大于控制方程的個(gè)數(shù)，因此求解該模型必須提出相應(yīng)的假設(shè)條件，使建立方程組模型封閉進(jìn)行求解。

雷諾茲時(shí)均方法分為兩種類型[9]：（1）應(yīng)力模型；（2）渦粘系數(shù)模型。目前渦粘系數(shù)模型EVM廣泛應(yīng)用于工程模擬與流體流動(dòng)計(jì)算中，以標(biāo)準(zhǔn)模型為主要代表。

1.2 CFD軟件的泄漏模擬

（1）胡夏齊[10]建立了一個(gè)二維采用Fluent軟件的計(jì)算模型，該模型被用來模擬高含硫高壓天然氣管道泄漏擴(kuò)散；對(duì)含硫化氫天然氣管道泄漏的多組分?jǐn)U散規(guī)律進(jìn)行研究，并參考國(guó)家有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)指定管道泄漏時(shí)的安全搶修警戒范圍；計(jì)算分析了不同因素對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的影響，包括泄漏口大小、泄漏點(diǎn)壓力的變化及外界風(fēng)速等因素的影響，最后歸納出天然氣危險(xiǎn)范圍的變化規(guī)律，該模型采用了標(biāo)準(zhǔn)模型，以某天然氣管道泄漏為例，說明胡夏齊建立的CFD泄漏模型。

某天然氣集輸管線，管徑為0.6 m，泄漏口形成半徑為100 mm的圓孔，重力加速度為9.81 m/s2，大氣壓力為0.1 MPa，風(fēng)速為4 m/s，氣溫為16 ℃，泄漏口速度為213 m/s。

根據(jù)圖1、2中硫化氫和甲烷的濃度分布，參考國(guó)家有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃出天然氣安全搶修范圍。

（2）羅志云[11]利用大氣污染控制理論，考慮到天然氣管道野外泄漏的硫化氫氣體擴(kuò)散問題，成功采用Fortran語言進(jìn)行編程開發(fā)出了PuGdiff軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)以下泄漏事故進(jìn)行模擬：①?gòu)?fù)雜地形的考察；②模擬風(fēng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)；③硫化氫氣體擴(kuò)散變化規(guī)律；④預(yù)測(cè)模擬氣體動(dòng)態(tài)擴(kuò)散。

小蟲收起鑰匙，騎上摩托車，去了姑媽家。姑媽家住豪華小區(qū)，高層，要坐電梯。出了電梯，小蟲開了姑媽家的門。茶幾上果然有個(gè)紙條，寫著楊律師的手機(jī)號(hào)碼。小蟲拿了紙條，出了門，跨上摩托車，快到姑媽那兒時(shí)，小蟲忽然改變了方向，拐進(jìn)一條巷子里。巷子深處，有個(gè)老者擺了個(gè)攤，上書：電子配匙。小蟲配了兩把鑰匙后，才去找姑媽。想和姑媽嘮兩句，姑媽正忙著洗牌，沒空搭理他。

2 理論計(jì)算模型

如表2所示5種泄漏模型比較[12-14]。

2.1 高斯模型

高斯模型最初的開發(fā)目的是用于氣體擴(kuò)散模型的求解，該模型是用來解決擴(kuò)散源為小孔擴(kuò)散，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法求解，主要計(jì)算氣體擴(kuò)散的濃度分布規(guī)律。高斯模型分為：（1）高斯煙團(tuán)模式，（2）高斯煙羽模型。

圖1 硫化氫濃度分布云圖Fig.1 Hydrogen sulfide concentration contours

圖2 甲烷濃度分布云圖Fig.2 Methane concentration contours

表2 氣體擴(kuò)散模型的比較Table 2 Compare Gas Diffusion Model

高斯模型的缺點(diǎn)：模擬精度較較差、未考慮重力對(duì)氣體擴(kuò)撒的影響；

高斯模型的優(yōu)點(diǎn)：該模擬適用于兩種泄漏情況：瞬態(tài)泄漏擴(kuò)散和連續(xù)性泄漏擴(kuò)散，模型開發(fā)較早，較成熟的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多，模型求解簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于污染物擴(kuò)散領(lǐng)域。

2.2 Sutton模型

該模型通過統(tǒng)計(jì)理論中湍流擴(kuò)散模型，對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行求解的，與高斯模型一樣對(duì)于氣體擴(kuò)散過程的研究，必須滿足兩種相同壓力氣體的且兩種氣體間存在較低的相對(duì)速度兩個(gè)條件。Sutton模型在計(jì)算可燃?xì)怏w泄漏是計(jì)算誤差較大，計(jì)算條件相對(duì)苛刻。

BM模型(唯象模型)屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪怯伤矐B(tài)泄漏的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和重氣體連續(xù)泄漏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組成的一系列計(jì)算圖表，延伸性較差。Hanna等對(duì)BM模型進(jìn)行無量綱處理，并將無量綱BM模型擬合成解析表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)解析方程組求解的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線有較好的吻合性。

2.4 FEM3模型

1979年建立的由Galerkin法改進(jìn)推導(dǎo)而來的FEM3模型的原型。模型所采用的是有限元解法，將該模型應(yīng)用于有限元法，可求解非定常動(dòng)量方程，連續(xù)性方程，能量方程，理想氣體狀態(tài)方程和擴(kuò)散方程，該模型采用K理論來解決湍流擴(kuò)散問題。該模型用于解決有限時(shí)間的連續(xù)泄漏擴(kuò)散問題，方程求解過程中計(jì)算工作量比較大，且不能用于輕氣和中性氣體的擴(kuò)散。

3 結(jié) 論

總的說來，對(duì)于氣體泄漏擴(kuò)散的研究還處于欠完善階段。對(duì)于管道穩(wěn)態(tài)泄漏速度計(jì)算和管道非穩(wěn)態(tài)泄漏速度計(jì)算，各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了一定的研究，但是尚無公認(rèn)的泄漏理論，各學(xué)者所建立的泄漏模型仍然存在某些不足：

（1）各種泄漏模型在建立過程和求解過程基本上都建立在很多的理論假設(shè)之上，只能求解某一些因素對(duì)泄漏擴(kuò)撒的影響，對(duì)于某一階段所有因素對(duì)泄漏的影響尚不能完整的描述，以及未能解決各影響因素之間的優(yōu)先級(jí)。

（2）當(dāng)前的模型中沒有一種能夠?qū)⑿孤┧俣?、擴(kuò)散及爆炸過程這三個(gè)完整的計(jì)算出來，沒有一個(gè)模型能夠?qū)U(kuò)散及爆炸過程統(tǒng)一起來。當(dāng)前的擴(kuò)散模型仍停留在泄漏和擴(kuò)散過程有機(jī)結(jié)合階段。

（3）當(dāng)今各類擴(kuò)散模型都假設(shè)泄露點(diǎn)處于地面之上，即便對(duì)于埋地管道泄漏的研究，仍考慮開挖后管道發(fā)生泄漏時(shí)為研究條件。至今對(duì)于發(fā)生在地下的管道發(fā)生泄漏模型的建立仍處于研究階段。

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［3］于洪喜，李振林，張建．高含硫天然氣集輸管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[J]．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(2)：119-122+131.

［4］葉峰，廖開貴，張亞明．天然氣管道泄漏數(shù)值模擬研究[J]．油氣田地面工程，2008，27(6)：19-20.

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Study on Natural Gas Leak Diffusion Model

QU Yang，DU Sheng-nan，WANG Cong，WANG Wei-qiang, ZHANG Tie-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

In natural gas gathering and transportation process, natural gas leak and explosion accidents caused by sealing defects of the connection between the pipe system, corrosion perforation, human mismanagement and other factors are common at home and abroad. Studies on long-distance gas pipeline leakage process can effectively reduce human and economic losses caused by natural gas leak diffusion, explosion and other reasons. The key of the studies lies in the establishment of the research model.

Natural gas gathering and transportation; Natural gas leak; Model

TQ 018

A

1671-0460（2015）10-2483-03

2015-05-07

屈洋（1986-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學(xué)油石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型研究。E-mail：3061738862@qq.com。