用CFD軟件模擬天然氣放空對環(huán)境的影響

李育天，姬忠禮，吳長春，于陽

用CFD軟件模擬天然氣放空對環(huán)境的影響

李育天1, 2，姬忠禮1，吳長春1，于陽3

（1. 中國石油大學（北京），北京 102249； 2. 中國石油規(guī)劃總院，北京 100083； 3. 中國寰球工程有限公司，北京 100012）

結合輸氣管道放空系統的工藝特點和有關規(guī)范要求，采用TGNET軟件模擬放空立管口的泄放速率、溫度、馬赫數、流速等主要工藝參數。并運用FLUENT軟件和PHAST軟件模擬了放空天然氣在大氣環(huán)境中的對流和擴散后果，比較了二者的計算差異。最后對多種工況下的天然氣擴散結果進行對比，結果表明，兩種軟件均適用于輸氣管道放空時的天然氣擴散模擬。實際操作中PHAST軟件的建模過程更為簡便，模擬計算時間較短，計算結果可靠性較高，推薦其作為天然氣擴散模擬的首選軟件。

輸氣管道；放空；CFD軟件；模擬；泄放速率；噪聲；擴散范圍

輸氣管道的投產和運行中，有時需通過閥室或站場放空系統將管段內的天然氣釋放到大氣中。冷放空是最常用的放空方式之一，是通過放空立管，將天然氣直接釋放到大氣環(huán)境中，具有系統結構簡單，所需安全距離較短，不產生熱輻射等優(yōu)點。放空時天然氣噴射到大氣環(huán)境后會與空氣逐漸摻混，形成易燃易爆的蒸汽云團。為了保障放空過程中周圍人員和設備的安全，需要對天然氣在空氣中的擴散過程進行模擬，計算安全擴散半徑，并依此設計和建設放空系統，并在放空過程中指導設立安全警戒范圍。因此天然氣放空過程的模擬和分析是放空系統設計、建設、放空方案編制的基礎，對其進行深入研究有積極意義。

目前國外針對輸氣管道放空系統的設計標準主要包括美國行業(yè)規(guī)范ASME B31.8國際標準ISO13623，歐洲標準SB EN12186，通過對國際標準化組織、北美和加拿大等國家和地區(qū)的相關規(guī)范和工程實際進行對比分析，得出幾點結論：

（1）輸氣管道的放空方式沒有強制要求，多數執(zhí)行不點火的放空方式；

（2）放空立管高度沒有明確規(guī)定，多數要求計算確定，一般高于3m；

（3）大多數石油公司都沒有給出最大允許防控總量和泄放速率的限制；

（4）在國外各規(guī)范中，放空作業(yè)是否需要集中排放沒有要求，只要能夠保證安全、快速排放到大氣中，設置放空立管和放散管都是可行的，對放空立管的設計方式。

國內對于放空系統的研究起步較晚，多參考國外相關標準規(guī)范。截至目前我國針對輸氣管道放空系統的設計、建設、運維并沒有統一的標準或規(guī)范，涉及到放空系統設計和建設的標準和規(guī)范主要包括GB 50251-2015[1], GB 50183-2004[2]和SY/T 10043-2002[3]。其中GB 50251-2015給出了輸氣管道放空系統設置的一個總體的規(guī)定。GB 50183-2004對于放空系統的設置給出了位置、高度、防火安全間距等要求。SY/T 10043-2002《卸壓和減壓系統指南》與美國標準API 521-1997《泄壓和減壓系統導則》[4]等同，用于指導分析過壓原因、確定泄放速率、選擇和設計處理放空系統

以上規(guī)范和標準對輸氣管道擴散作了原則性的規(guī)定，但是對具體計算和模擬沒有限制。實際放空天然氣在大氣中的擴散過程受天然氣和大氣組分、溫度、環(huán)境風速、大氣穩(wěn)定度、地形條件等多種因素的影響，擴散過程非常復雜，通常采用CFD軟件對天然氣擴散過程進行模擬分析，其中FLUENT和PHAST是較為常用的擴散分析軟件。本文首次采用兩款軟件的分別模擬天然氣擴散過程，并對模擬結果進行對比分析，對比模擬過程和結果，并推薦適合天然氣放空模擬的軟件。

1 天然氣放空過程

輸氣管道閥室和站場的放空可以簡化為固定容積內高壓天然氣通過放空閥的自由泄放過程。圖1為某輸氣管道閥室放空的示意圖。

圖1 輸氣管道放空閥室示意圖

如圖1所示，當放空截斷閥1和2之間管段的天然氣時，關閉截斷閥1和截斷閥2，打開兩個截斷閥所在閥室內的手動閥，然后逐步開啟閥室內的放空閥，將管段內的天然氣通過放空管路和放空立管排入大氣。當管段內天然氣壓力降低到接近當地大氣壓時，放空過程結束。

在條件允許的情況下宜采用計劃放空方式，即通過控制放空閥開度調整泄放速率，以保證放空產生的噪聲、放空管路振動、天然氣最低溫度、天然氣擴散范圍等關鍵指標在可接受范圍之內。

假設某待放空的輸氣管段長24 km、外徑1 422 mm、壁厚32 mm、設計壓力12 MPa。放空初始時刻管段內天然氣已停止流動，其壓力為5.0 MPa，初始溫度為30 ℃，管存量為206.2×104m3。放空管路和放空立管直徑為406 mm，可以手動控制放空閥開度，調節(jié)放空流量。由于工程上一般在管段兩端同時放空，當兩端放空條件和環(huán)境相同時，圖1的放空模型可簡化為1/2管段從一端放空，則初始時刻管段內天然氣為103.1×104m3。

采用TGNET軟件模擬該管段12 h放空過程的天然氣流速和壓力變化。放空過程采用固定泄放速率放空方式，通過實時調整放空閥開度，保持放空立管口的天然氣泄放速率基本不變，最后一小時由于管段內壓力急劇降低，泄放速率下降顯著。模擬所得的泄放過程參數隨時間關系趨勢見圖2。

圖2 泄放速率、壓力和溫度隨時間變化過程

放空過程持續(xù)12 h后，管段內剩余壓力為0.1 MPa，剩余天然氣總量2 010 m3。放空前11小時天然氣的泄放速率基本穩(wěn)定在25 Nm3/s，最低溫度為-27 ℃，從放空立管口噴出的天然氣質量流量約為18.8 kg/s，流速約為218 m/s。這些模擬結果將作為后續(xù)的天然氣擴散過程模擬的已知條件。

2 FLUENT模擬天然氣擴散

FLUENT已廣泛應用于天然氣等物質擴散模擬領域。FLUENT的應用可以分為前處理、模擬計算與后處理三部分。在進行天然氣放空擴散模擬時，前處理包括確定模擬空間、劃分模擬空間網格以及設置模擬空間邊界條件等。模擬計算是根據設置的初始條件和擴散方程，用數值方法計算放空擴散全過程中模擬空間網格點（節(jié)點）上的天然氣濃度，并輸出計算結果。后處理是對計算結果進行可視化分析，以便于評價擴散過程的安全性。

根據經驗[5]，選擇如圖3所示的六面體作為天然氣擴散的空間模擬環(huán)境。六面體底面長25 m，寬10 m；頂面長25 m，寬20 m；頂面和底面間距為30 m。其中天然氣放空立管口位于底面中心靠近上風向5 m的位置。

圖3 天然氣擴散模擬的三維空間

為實現計算精度與計算速度的，在劃分模擬空間網格時，對天然氣濃度梯度大的放空立管出口附近3 m區(qū)域采用較小的網格，其邊長為0.05 m，而在濃度梯度小的其它區(qū)域采用較大的網格，其邊長0.3 m。應用GAMBIT軟件自帶的自適應六面體網格對模擬空間進行網格劃分。

對模擬空間設定的邊界條件為：放空立管出口的天然氣流速和溫度，具體數據為前面介紹的TGNET模擬結果；上風面的空氣流速和溫度取當地當時的風速20 m/s和大氣溫度27℃；頂面、底面、兩側面及下風面的壓力取當地大氣壓力。

基于上述模擬空間的網格劃分及邊界條件，利用FLUENT模擬放空過程前11 h天然氣擴散范圍，得到的模擬空間內天然氣濃度分布見圖4。第1張圖是模擬空間的側視圖，顯示天然氣擴散時在長度和高度的影響范圍。第2至4張圖是放空口下游0、10和16.5 m處的正視圖，顯示天然氣擴散時在寬度和高度的影響范圍。其中最內層的是天然氣爆炸上限以上范圍（體積濃度高于16.5%），影響長度約為0.6 m，寬度0.4 m，高度3.2 m。中間區(qū)域的是天然氣爆炸上、下限濃度范圍（體積濃度介于4.4%~16.5%），影響長度約6.5 m，寬度約2.6 m，高度約4.8 m。最外層（綠色）的是天然氣濃度小于1/2爆炸下限的范圍，影響長度約16.5 m，寬度約4.2 m，高度約9.5 m。剩余區(qū)域是天然氣濃度低于1/2爆炸下限。由此可見，天然氣擴散范圍受自然風的影響較大，影響區(qū)域集中在下風向，并斜向上的區(qū)域。工程上一般將天然氣1/2爆炸下限作為安全擴散半徑，因此FLUENT軟件模擬的安全擴散半徑為16.5 m。

圖4　天然氣擴散濃度FLUENT模擬結果

圖5 天然氣擴散濃度PHAST模擬結果

3 PHAST模擬天然氣擴散

PHAST是一款適用于石油石化領域危險后果分析的軟件，其泄放和擴散模型可模擬放空的天然氣在大氣中的擴散過程。只要輸入放空立管高度和直徑、天然氣組分、泄放速率和溫度以及大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風速等參數，PHAST就可模擬天然氣從放空立管口進入大氣以后的濃度分布，并用等濃度線描述氣體云團的高度和下風距離，從而確定安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域和準危險區(qū)域[6]。

針對上節(jié)相同算例，PHAST 獲得的側風向的天然氣影響范圍如圖5。圖中最內層對應天然氣爆炸上限以上濃度范圍（體積濃度高于16.5%），影響長度約為0.8 m，高度3.1 m。中間區(qū)域對應天然氣爆炸上、下限濃度范圍（體積濃度介于4.4%~16.5%），影響長度約7.2 m，高度約6.2 m。最外層對應天然氣濃度低于1/2爆炸下限（體積濃度為低于2.2%），影響長度約16.3 m，高度約8.9 m。天然氣擴散影響區(qū)域基本集中在下風向且向上傾斜的區(qū)域。從圖5可知安全擴散半徑為16.3 m。

4 模擬結果對比分析

FLUENT和PHAST的模擬結果對比如表1，可見二者模擬的爆炸上、下限區(qū)域較為接近，最大偏差為8%，且安全擴散半徑的模擬偏差僅為1%。

表1 FLUENT和PHAST擴散模擬結果

表2 不同工況的擴散模擬結果

為了驗證模擬結果對不同放空工況的適應程度，分別用FLUENT和PHAST對多種放空方案的擴散過程進行了模擬，見表2。其中，v表示泄放速率，m表示質量流量，表示流速，w表示風速。可以看出：在不同泄放速率、放空立管出口流速和環(huán)境風速下，分別用FLUENT和PHAST確定的安全擴散半徑比較接近，四種工況模擬結果的最大相對偏差為8%，平均相對偏差為4%。

5 結論

（1）對應本文所涉及的放空方案，由FLUENT和PHAST模擬得到的天然氣安全擴散半徑的最大相對偏差為6%，平均相對偏差為4%。兩款軟件的模擬結果比較接近，均可作為天然氣閥室和站場放空系統設計的參考依據。

（2）鑒于PHAST是專門用于石油化工領域危險后果分析的軟件，應用于天然氣放空擴散過程模擬比FLUENT更方便，模擬結果略偏保守，故推薦PHAST作為天然氣放空過程模擬的首選軟件。

［1］ 諶貴宇,湯曉勇,郭佳春,孫在榮,李強,郭辰華,等. GB50251-2015輸氣管道工程設計規(guī)范[M]. 中國計劃出版社, 2015.

［2］ GB 50183-2004石油天然氣工程設計防火規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社,2004.

［3］ SY/T 10043-2002. 卸壓和減壓系統指南[S]. 北京:石油工業(yè)出版社,2002.

［4］ 董剛, 唐維維, 杜春, 楊君濤, 于彥飛. 高壓管道天然氣泄漏擴散過程的數值模擬[J]. 中國安全生產科學技術, 2009, 5(6): 253-256.

［5］ 王赟, 李曉青, 孫建宇, 趙志超, 周瑞. 基于Fluent的坡面天然氣管道破裂泄漏擴散模擬[J]中國安全生產科學技術,2014, (s1): 753-757.

［6］梁俊奕. 天然氣長輸管道火炬放空擴散規(guī)律研究[J]. 當代化工. 2016, 45(3): 559-563.

Environmental Impact Simulation of Gas Pipeline Venting by CFD Software

1,2,1,1,3

（1. China University of Petroleum at Beijing, Beijing 102249, China; 2. PetroChina Planning & Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. China Huanqiu Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100012, China)

Based on the process characteristics and corresponding standard specification of the ventilation system, the main operation parameters of natural gas vertical pipe, including discharge rate, temperature, Mach number, flow rate, etc., were simulated by TGNET. Then FLUENT and PHAST were applied to simulate the convection and diffusion process of the natural gas under air condition, and the results simulated by the two kinds of software were compared. Finally, the natural gas diffusion results under various conditions were investigated. The results show that both FLUENT and PHAST can be applied to simulate the diffusion process of natural gas pipeline venting system. But the modeling process of PHAST software is more simple, the calculation time is shorter, and the reliability of the results are more credible, so the PHAST software is recommended as the preferred software for simulating the diffusion process for natural gas.

Gas pipeline; Venting; CFD software; Simulation; Flow rate; Noise; Diffusion range

TE 624

A

1671-0460（2017）12-2556-04

2017-05-25

李育天（1985-），男，陜西省渭南市人，工程師，博士，2014年畢業(yè)于中國石油大學（北京），主要從事油氣長輸管道、油氣田地面工程、液化天然氣儲運等領域的規(guī)劃、設計和研究工作。E-mail：lyt18@163.com。