天然氣門站泄漏擴散模擬研究*

肖國清　肖仁杰　陳云龍　趙恒搏　馮明洋

(西南石油大學化學化工學院　成都 610500)

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天然氣門站泄漏擴散模擬研究*

肖國清肖仁杰陳云龍趙恒搏馮明洋

(西南石油大學化學化工學院成都 610500)

摘要城市天然氣門站安全、穩(wěn)定、高效的運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)濟損失和嚴重的社會負面影響。結合相關的經(jīng)驗公式，建立了適用于城市天然氣門站燃氣泄漏的帶壓降模型，又在此基礎上運用FLUENT建立帶壓降泄漏下的擴散模型，用于門站天然氣泄漏擴散的特點和影響范圍分析。并且運用該模型對某城市天然氣門站進行實例應用，其結果對提高城市天然氣門站的安全性有著指導作用。

關鍵詞天然氣帶壓降泄漏模型擴散模型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)。再加上長年運行，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，因此需要對天然氣泄漏進行泄漏擴散模擬，分析其特征。

我國對門站天然氣泄漏擴散過程研究不夠深入，照搬長輸管道天然氣泄漏的模型，與門站天然氣泄漏擴散實際情況不相符。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)進行而減慢的特點。為使模擬與現(xiàn)實貼合，提高計算模擬的真實可靠性，筆者在前人基礎上進行改進，建立管線帶壓降泄漏模擬的計算模型，并在帶壓降的泄漏模型上建立擴散模型。

1天然氣泄漏模擬

1.1經(jīng)驗公式

當泄漏氣體的流動狀態(tài)為音速流動時，滿足公式：

(1)

當泄漏氣體的流動狀態(tài)為亞音速泄漏時，滿足公式：

(2)

式中，P0為泄漏點附近的環(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。

當泄漏氣體的流動狀態(tài)為音速流動時，其泄漏速率由下式計算：

(3)

當泄漏氣體的流動狀態(tài)為亞音速流動時，其泄漏速率由下式計算：

(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)泄漏孔口的形狀來取值，圓形可取1.00，三角形可取0.95，長方形可取0.90；M為泄漏氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；Z為氣體壓縮因子，當泄漏氣體為亞音速流動時，Z值可按下式計算：

(5)

當泄漏氣體的流動狀態(tài)為音速流動時，Z=1。

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

1.2泄漏模型

上述公式針對定常泄漏的工況精確度較高。由于門站內(nèi)進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隨著管線內(nèi)外壓差的減小而降低。為簡化復雜的泄漏情況，假設：①泄漏過程中，天然氣溫度保持不變；②緊急切斷閥立即響應；③泄漏天然氣滿足理想氣體狀態(tài)方程；④很短的時間步長內(nèi)，氣體泄漏速率的經(jīng)驗公式適用。

模型的計算流程如圖1所示。

圖1　天然氣泄漏模型計算流程

流程中涉及的其他計算公式有：

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實例應用

某天然氣城市門站，天然氣的壓力分兩種情況進行調(diào)壓，一種是將來氣的1.6MPa調(diào)整到0.8MPa進入次高壓管網(wǎng)，另一種是將來氣從1.6MPa調(diào)整到0.4MPa進入站內(nèi)用氣管網(wǎng)。其中，運輸壓力為1.6MPa的管道長度約為55m，0.8MPa的管道長度約為50m，0.4MPa的管道長度約為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)生泄漏的流動狀態(tài)均為音速流動，且當泄漏壓力小于110 649.125 Pa時，天然氣的泄漏狀態(tài)變?yōu)閬喴羲倭鲃?。由?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，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、管線整個斷裂時的泄漏速率，泄漏速率變化曲線如下圖2～圖6所示。

圖2孔徑為32.2 mm時各壓力泄漏的v-t圖

圖3孔徑為64.4 mm時各壓力泄漏的v-t圖

圖4孔徑為128.8 mm時各壓力泄漏的v-t圖

圖5孔徑為161.0mm時各壓力泄漏的v-t圖

圖6全斷時各壓力泄漏的v-t圖

通過數(shù)值擬合，得FLUENT所需公式，各壓力下泄漏速率隨時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：

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，泄漏速率在短時間內(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，管線整個斷裂引發(fā)泄漏在2 s內(nèi)停止。

2天然氣擴散模擬

2.1物理模型及網(wǎng)格劃分

門站中，平面布局較空曠，故針對天然氣泄漏后的擴散采用二維建模。在泄漏孔徑為64.4 mm的情況下，分別就網(wǎng)格數(shù)為3萬、6萬、8萬、10萬、20萬、30萬、50萬進行了模擬試算，選取點(X=75，Y=20)在t=30 s時刻天然氣的體積百分數(shù)為判定標準，試算結果如圖7所示。

圖7　網(wǎng)格無關性分析

從圖7可以看出，網(wǎng)格數(shù)達到10萬之后，試算結果相對穩(wěn)定?？紤]計算精度和資源，選取10萬網(wǎng)格進行模擬計算。在風速入口、孔口附近，近地面需進行網(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擴散模擬

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

表3　天然氣擴散的模擬工況

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

圖9　t=0.625 s時擴散云圖

圖10　t=9.025 s時擴散云圖

圖11　t=20.125 s時擴散云圖

圖12　t=30.000 s時擴散云圖

圖13　t=30.000 s時處于爆炸極限內(nèi)的擴散云圖

天然氣在泄漏剛發(fā)生時，壓差很大，射流速度非?？?。當t=3.625 s時，在重力作用下開始向近地面聚集。當t=9.025 s時，在近地面已經(jīng)形成聚集區(qū)。當t=20.125 s時，泄漏速度持續(xù)減小，射流高度較初始明顯降低。當t=30.000 s時，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)會形成新的擴散前鋒，但此時聚集區(qū)所存天然氣較泄漏初期已很少，其擴散距離不會超過t=30.000 s時達到的距離。天然氣的爆炸極限為5%～15%，此時處于爆炸極限內(nèi)的云圖如圖13所示。

故泄漏孔徑為64.4 mm，泄漏初始壓力為1.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風速下擴散，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，方向為下風向。

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

圖14　t=1.000 s時擴散云圖

圖15　t=8.000 s時擴散云圖

圖16　t=17.000 s時擴散云圖

圖17　t=17.000 s時爆炸極限內(nèi)的擴散云圖

當t=1.000 s時，泄漏速度很快，由于泄漏孔徑達到了128.8 mm，單位時間內(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t=8.000 s時，單位時間泄漏出的天然氣已非常少，射流已停止。當t=17.000 s時，這兩部分氣團是由上一個時刻的一個氣團分裂而成，且濃度越來越低。根據(jù)該部分天然氣的擴散軌跡可以判定，天然氣的擴散已經(jīng)快結束，且影響范圍不會繼續(xù)擴大。此時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，泄漏初始壓力為1.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風速下擴散，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下泄漏后的擴散模擬，結果如下圖18～圖21所示。

圖18　t=0.195 s時擴散云圖

圖19　t=5.415 s時擴散云圖

圖20　t=10.000 s時擴散云圖

圖21　t=10.000 s時爆炸極限內(nèi)的擴散云圖

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恿窟h大于水平方向上風速產(chǎn)生的動量。當t=5.415 s時，單位時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。當t=10.000 s時，泄漏已經(jīng)停止，由于此時各個天然氣團的大小已明顯降低，且擴散在豎直高度上早已達到穩(wěn)定，因此可以就此時刻的模擬結果得到天然氣的擴散影響范圍。此時處于爆炸極限范圍內(nèi)的天然氣擴散云圖如圖21所示。

故泄漏孔徑為161.0 mm，泄漏初始壓力為1.6 MPa下發(fā)生天然氣泄漏后在3 m/s風速下擴散，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速下進行擴散，在下風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) 在常年平均風速下，小孔徑泄漏在水平方向上的擴散距離比大孔徑泄漏的擴散距離稍遠；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，小孔徑比大孔徑擴散的影響范圍大，說明該風速能夠對該門站泄漏的天然氣的稀釋作用較強。

*基金項目：國家自然科學基金(51474187、51174089)。

作者簡介肖國清，博士，教授，西南石油大學科研處副處長，澳大利亞皇家墨爾本理工大學國家公派訪問學者，主要從事建筑物火災控制理論、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