埋地天然氣管道持續(xù)泄漏數(shù)值模擬

官 學(xué) 源

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

埋地天然氣管道持續(xù)泄漏數(shù)值模擬

官 學(xué) 源

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

針對(duì)埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散問題，采用有限體積法，建立埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，在1～7級(jí)風(fēng)場(chǎng)條件下，考慮土壤和大氣穩(wěn)定度對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散的影響，從安全的角度出發(fā)，分析埋地天然氣管道泄漏持續(xù)擴(kuò)散情況，得出甲烷爆炸濃度云團(tuán)在不同風(fēng)場(chǎng)條件下的擴(kuò)散規(guī)律。為埋地天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全運(yùn)行和管理，事故分析，工程設(shè)計(jì)以及泄漏后應(yīng)急措施等提供了參考理論。

數(shù)值模擬；泄漏；埋地管道；甲烷

隨著我國天然氣工業(yè)的高速發(fā)展，其需求量的不斷攀升帶來了能源安全的新危機(jī)。像其他的工程設(shè)備一樣，管道也可能發(fā)生事故。目前我國大多數(shù)在役管道已經(jīng)處于老年化，這些陳舊管道有著相對(duì)較高的泄漏事故發(fā)生率。近年來，輸氣管道安全事故曾發(fā)生很多起，尤其是埋地天然氣管道。容易發(fā)生泄漏，而且不容易被發(fā)現(xiàn)，這種特點(diǎn)的管道泄漏會(huì)造成更大的意外風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致輸氣管道日常工作更難以管理。

針對(duì)管道泄漏擴(kuò)散問題，我國學(xué)者考慮各種條件的影響因素下對(duì)天然氣的泄漏問題進(jìn)行了大量的數(shù)值研究[1-3]。

本文通過FLUENT軟件，基于有限容積法，建立埋地天然氣管道持續(xù)泄漏擴(kuò)散模型，在1～7級(jí)風(fēng)場(chǎng)條件下，考慮土壤和大氣穩(wěn)定度對(duì)泄漏氣體擴(kuò)散的影響，分析埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散的特點(diǎn)和規(guī)律。為埋地天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全運(yùn)行和管理，事故分析，工程設(shè)計(jì)以及泄漏后應(yīng)急措施等提供了參考理論。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 組分輸運(yùn)守恒方程

式中：Ri— 第i種組分在化學(xué)反應(yīng)種的速率，kgmol/（m3·s）；

Si— 擴(kuò)散相加上用戶定義的源項(xiàng)；

Jj—組分j的擴(kuò)散通量，mol/（m2·s）；

Yi—第i 種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

u —流體流速，m/s；

ρ —密度，kg/m3；

t —時(shí)間，s。

湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散

式中：SCt— 湍流施密特?cái)?shù)；

Di，m— 混合物中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)；

μt— 湍流粘度，Pa·s。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的運(yùn)輸方程

式中：Gk— 平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

Gb— 浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

YM— 可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總得耗散率的影響；

經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.44，C3ε=1, Cμ=0.09;

μ — 動(dòng)力粘度，Pa·s；

ε — 耗散項(xiàng)；

Sk, Sε—對(duì)應(yīng)源項(xiàng)。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 問題描述

某埋地含硫天然氣管道，計(jì)算管長間距為 5 km， 管道外徑650 mm，埋深1.5 m。管道上層土壤作為多孔介質(zhì)，孔隙度為0.267，密度2 650 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)1.512 W/(m·K)。埋地高含硫天然氣的持續(xù)泄漏著火的模擬區(qū)域范圍為5 000×1 001.5 m：泄漏口中心在x=0、y=-1.5處，泄漏口直徑為0.05 m，泄漏速度為252 m/s，泄漏方向?yàn)榇怪毕蛏希烊粴庵屑淄楹繛?95%，甲烷的爆炸體積濃度區(qū)間為5%～15%，環(huán)境溫度與天然氣溫度相同為300 K，大氣壓力為101 325 Pa，風(fēng)的等級(jí)見表1，選取表中參考風(fēng)速，物理模型圖見圖1。

表1 風(fēng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[4]Table 1 Grading standards of the wind

圖1 天然氣管道泄漏物理模型圖Fig.1 The physical model diagram of gas pipeline leak

2.2 FLUENT軟件模擬結(jié)果

本文采用二維單精度SILPLE方法進(jìn)行隱式耦合求解，采用矩形網(wǎng)格在泄漏口處網(wǎng)格加密，模擬結(jié)果圖2-3。

圖2 0.1 s時(shí)，甲烷爆炸濃度云圖Fig.2 Explosive concentration of methane cloud at 0.1 s

圖3 低空處甲烷爆炸范圍圖Fig.3 Methane explosion range diagram at low altitude

埋地天然氣管道泄漏初期，由于管道上層存在土壤的影響，不能形成如架空管道泄漏時(shí)的高速射流，氣體泄漏進(jìn)入多孔介質(zhì)，由于毛管的壓力、土壤阻力以及地表的張力的共同作用，造成泄漏的氣體的湍能的減少，由于氣體持續(xù)泄漏，氣體的湍能不斷增大，氣體仍然會(huì)通過土壤多孔介質(zhì)快速的持續(xù)不斷的涌出地表，進(jìn)行相對(duì)低速的射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。土壤作為多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度和獨(dú)特的儲(chǔ)存能力等特性。一定面積的土壤飽和后，氣體將會(huì)繼續(xù)向土壤橫向擴(kuò)散，造成更大面積的土壤污染，同時(shí)縱向方面氣體將滲出土壤外地表，消耗氣體動(dòng)能。因此，在短時(shí)間內(nèi)有大量的高濃度天然氣聚集在泄漏口附近的地表處（見圖2）。

由圖3和表2可知，在低空處，隨著風(fēng)的等級(jí)的不同，甲烷的爆炸濃度范圍成不同規(guī)律的變化。1～2級(jí)風(fēng)（即軟風(fēng)和輕風(fēng)）時(shí)，大氣穩(wěn)定度為A～C，泄漏氣體主要向高空擴(kuò)散，同時(shí)由于其風(fēng)場(chǎng)作用力小，使大氣對(duì)泄漏氣體的稀釋程度不高，甲烷爆炸濃度主要聚集在泄漏口下風(fēng)向高空處，而在低空處擴(kuò)散范圍有限，危險(xiǎn)程度最低。在2～12 min時(shí)，軟風(fēng)條件下，下風(fēng)向低空處甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離逐漸減小至飽和，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為29 m；輕風(fēng)條件下，下風(fēng)向低空處甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離呈先擴(kuò)大再減小的趨勢(shì)，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為98 m。對(duì)比輕風(fēng)和軟風(fēng)條件下泄漏氣體危險(xiǎn)濃度的擴(kuò)散，輕風(fēng)風(fēng)場(chǎng)危險(xiǎn)程度高于軟風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。6～7級(jí)風(fēng)（即強(qiáng)風(fēng)和疾風(fēng)）時(shí)，大氣穩(wěn)定度為C～D，泄漏氣體主要貼近地面擴(kuò)散，同時(shí)由于其風(fēng)場(chǎng)作用力大，使大氣對(duì)泄漏氣體濃度大量稀釋，低于 5%體積濃度的甲烷氣體擴(kuò)散范圍較遠(yuǎn)，而爆炸濃度的甲烷擴(kuò)散范圍有限，危險(xiǎn)程度中。在2～12 min時(shí)，強(qiáng)風(fēng)條件下，下風(fēng)向甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離先擴(kuò)大再減小至飽和，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為283 m；疾風(fēng)條件下，下風(fēng)向甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離呈逐漸減小趨勢(shì)，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為208 m。對(duì)比疾風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)條件下泄漏氣體危險(xiǎn)濃度的擴(kuò)散，強(qiáng)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)危險(xiǎn)程度高于疾風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。3～5級(jí)風(fēng)（即勁風(fēng)、微風(fēng)和和風(fēng)）時(shí)，大氣穩(wěn)定度為B～D，泄漏氣體危險(xiǎn)濃度云團(tuán)與地面呈一定角度向大氣擴(kuò)散，部分云團(tuán)將擴(kuò)散到高空，同時(shí)由于其風(fēng)場(chǎng)作用力相對(duì)1～2級(jí)和6～7級(jí)風(fēng)場(chǎng)適中，大氣對(duì)泄漏氣體的稀釋作用可使甲烷的爆炸濃度區(qū)域有效的擴(kuò)大，危險(xiǎn)程度強(qiáng)。在2～12 min時(shí)，微風(fēng)條件下，下風(fēng)向甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為528 m；和風(fēng)條件下，下風(fēng)向甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離呈逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為517 m；勁風(fēng)條件下，下風(fēng)向甲烷的爆炸濃度的水平最遠(yuǎn)距離先擴(kuò)大在減小至飽和，12 min時(shí)刻，最遠(yuǎn)距離為413 m。對(duì)比微風(fēng)、和風(fēng)和勁風(fēng)條件下泄漏氣體危險(xiǎn)濃度的擴(kuò)散，微風(fēng)風(fēng)場(chǎng)危險(xiǎn)程度最高，和風(fēng)次之，勁風(fēng)最低。

表2 大氣穩(wěn)定度的因素[5]Table 2 Atmospheric stability factor

3 結(jié) 論

在7個(gè)等級(jí)的風(fēng)場(chǎng)影響下，埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散甲烷的爆炸濃度云團(tuán)隨著風(fēng)速的增大呈先擴(kuò)大再減小的規(guī)律，微風(fēng)情況下的泄漏問題最為嚴(yán)重。對(duì)于甲烷的防范，可分為3個(gè)等級(jí)，對(duì)其采取不同等級(jí)的安全措施。1～2級(jí)風(fēng)（即無風(fēng)、軟風(fēng)和輕風(fēng)）采取低級(jí)別防范措施；6～7級(jí)風(fēng)（即強(qiáng)風(fēng)和疾風(fēng)）采取中級(jí)別防范措施；3～5級(jí)風(fēng)（即勁風(fēng)、微風(fēng)和和風(fēng)）采取高級(jí)別防范措施。

［1］孫宏新，張丹.天然氣管道泄漏數(shù)值模擬[J]. 中國科技博覽，2010（4）：89-90.

［2］程浩力,劉德俊,劉倩倩,等.城燃管道街道峽谷泄漏擴(kuò)散CFD數(shù)值模擬[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2011（4）:60-63.

［3］程浩力,劉德俊.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型及數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,2（31）：27-31.

［4］Daniel A Crowl, Joseph F Louvar. Chemical Proeesssafety-fundamentals with applieation[M].New Jersey:Prentice-Hall，1990:121-15.

［5］王鵬飛.評(píng)唐代李淳風(fēng)化“占風(fēng)情”方法[J] . 自然科學(xué)史研究，2010,29（4）：389-403.

Numerical Simulation on Continuous Leakage of Buried Natural Gas Pipelines

GUAN Xue-yuan
（Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjing Karamay 8340001，China）

Aiming at the problem of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, the finite volume method was adopted to establish the numerical model of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, under 1～7 grade wind field, considering effect of the soil and atmospheric stability on the gas leakage and diffusion, from the viewpoint of safety, leakage and diffusion conditions of natural gas of buried pipelines were analyzed, the diffusion rule of the explosive concentration cloud of methane was obtained, which could provide theory reference for risk assessment, safe operation and management of buried natural gas pipelines.

Numerical simulation; Leakage; Buried pipeline; Methane

TE 832

A

1671-0460（2015）08-1974-03

2015-02-06

官學(xué)源（1987-），男，遼寧沈陽市人，助理工程師，碩士，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)業(yè)，從事地面工程工作。E-mail：guanxueyuan00@126.com。