燃?xì)忾l井管道泄漏封閉空間擴散特性及安全預(yù)警分析

劉瑤，譚松玲，陳濤濤，李偉，陳飛

燃?xì)忾l井管道泄漏封閉空間擴散特性及安全預(yù)警分析

劉瑤，譚松玲，陳濤濤，李偉，陳飛

（北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035）

開展燃?xì)忾l井管道泄漏封閉空間擴散特性研究是提升閘井安全性能和完善預(yù)警機制的重要前提，建立燃?xì)忾l井管道泄漏擴散計算流體力學(xué)瞬態(tài)分析模型，基于不同方位小孔持續(xù)泄漏數(shù)值模擬，探討了管道上方、閥門側(cè)面法向泄漏時燃?xì)猓淄椋┑姆植继匦约安煌恢眯孤┖蟊O(jiān)測點處的甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化和泄漏監(jiān)測設(shè)備的布置范圍。研究結(jié)果表明：泄漏速度對閘井內(nèi)甲烷整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響較大，且泄漏速度越大管廊內(nèi)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、達(dá)到爆炸范圍的平均時間越短；泄漏位置影響泄漏初期閘井內(nèi)甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，靠近泄漏孔的監(jiān)測點處質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動幅度較大，遠(yuǎn)離泄漏孔處的監(jiān)測點變化較為平緩、規(guī)律。

燃?xì)忾l井；泄漏；監(jiān)測點；質(zhì)量分?jǐn)?shù)；甲烷

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，天然氣以其清潔、高效等優(yōu)點在人們的生產(chǎn)生活中普及開來。伴隨著城市燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋面積增加，燃?xì)忾l井的數(shù)量也逐漸增多，燃?xì)忾l井作為管網(wǎng)系統(tǒng)的主要組成部分發(fā)揮著不可替代的作用。燃?xì)忾l井輸配管道一旦發(fā)生泄漏，便會在閘井封閉空間內(nèi)部形成可燃?xì)怏w云，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故，造成環(huán)境污染、人員傷亡，嚴(yán)重威脅到人們的生命及財產(chǎn)安全。因此，研究燃?xì)忾l井管道泄漏封閉空間擴散特性具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。

眾多專家學(xué)者對可燃?xì)怏w泄漏做了大量案例分析，采用模擬或?qū)嶒灥姆椒▽扇細(xì)怏w泄漏進(jìn)行研究。HELENA[4]將泄漏氣體假定為理想氣體且管道內(nèi)部流體絕熱流動，由此得到穩(wěn)態(tài)泄漏時的計算方法，但此種方法限制了壓力過高時的計算精度。薛海強[5]等采用數(shù)值計算的方法對管道不同位置燃?xì)庑孤┖蟮牧鲌龊唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)場進(jìn)行計算，得到室內(nèi)燃?xì)獾男孤U散特性。馬博洋[6]等對綜合管廊燃?xì)鈧}內(nèi)燃?xì)夤艿佬孤┻M(jìn)行研究，通過模擬與實驗相結(jié)合的方法分析管道泄漏后甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爆炸范圍的關(guān)系及管道泄漏后修補的可行性。方自虎[7]以地下綜合管廊為研究對象，用Fluent軟件分別對向上和水平兩種不同泄漏口進(jìn)行燃?xì)庑孤U散過程模擬，得到距離泄漏口達(dá)到一定的距離后燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)變化與泄漏口的開口方向無關(guān)的結(jié)論。QIAN[8]等對6種不同情況下氫氣泄漏擴散過程進(jìn)行了數(shù)值分析，分別繪制氫氣體積分?jǐn)?shù)隨泄漏時間的變化曲線，定量研究了泄漏末端可燃?xì)庠频姆植肌ｅX喜玲[9]等研究了不同壓力條件下燃?xì)庠诠芾葍?nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特性，并得到管道泄漏壓力與報警時間成正相關(guān)的結(jié)論。GAO[10]等對地下室空調(diào)機房制冷劑泄漏進(jìn)行研究，并測試不同通風(fēng)條件下泄漏的制冷劑在不同位置的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到了通風(fēng)方式對泄漏氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響程度較大的結(jié)論。CHEN[11]提出標(biāo)準(zhǔn)模型下燃?xì)庠讵M長管廊內(nèi)管道的泄漏擴散過程更加精準(zhǔn)并且接近實際工況。然而，針對無機械通風(fēng)且較為封閉的燃?xì)忾l井內(nèi)的管道及閥門泄漏方面的研究較少。

本文以燃?xì)忾l井為研究對象建立二維物理模型，模擬管道上方泄漏及閥門側(cè)方位泄漏，選擇標(biāo)準(zhǔn)方程湍流模型，采用Fluent軟件對持續(xù)進(jìn)行的小孔泄漏進(jìn)行模擬，研究閘井內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)場的分布規(guī)律及爆炸范圍，對閘井監(jiān)測點布置及泄漏后檢修提供有力的參考依據(jù)。

1 燃?xì)忾l井管件泄漏模型建立

1.1 物理模型的建立及基本參數(shù)

本文以某實際燃?xì)忾l井內(nèi)部為研究對象，井深4 m，土壤以下管廊部分為2 m，裸露在外部的燃?xì)廨斔凸艿篱L5 m、直徑0.2 m，位于閘井底部，管道中央位置處有一個0.3 m×0.25 m的閥門，井蓋有兩個直徑2 cm的圓孔與大氣相通，其他壁面均接觸土壤，建立物理模型如圖1所示。

圖1 燃?xì)忾l井二維物理模型

泄漏孔1位于圖示中管道左側(cè)的上方，泄漏孔2位于圖示閥門的右側(cè)，分別以法向速度5、10 m·s-1泄漏30 s。歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織（EGIG）按照事故統(tǒng)計分類標(biāo)準(zhǔn)將氣體泄漏模型劃分為：小孔模型、大孔模型和管道模型[12]。在實際工程中，小孔泄漏事故發(fā)生概率最高，而大孔泄漏和管道泄漏事故則相對較少[13]，故本文設(shè)定4 mm直徑的泄漏孔進(jìn)行模擬分析。

監(jiān)測點1～9的坐標(biāo)分別為（0,1.5）、（1,1.5）、（2,1.5）、（3,1.5）、（4,1.5）、（5,1.5）、（2.25,4）、（2.75,4）和（2.5,3.5）。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立及基本控制方程

由于天然氣的主要成分為甲烷，故本文用甲烷代替天然氣進(jìn)行模擬分析。為簡化求解過程，做以下假設(shè)：泄漏的甲烷和閘井內(nèi)的空氣均視為不可壓縮的理想氣體，且混合前后的氣體均滿足理想氣體狀態(tài)方程；在泄漏過程中管道壓力恒定，即泄漏孔徑和泄漏速度不隨時間變化；在甲烷泄漏擴散過程中，不與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[14]。

采用非穩(wěn)態(tài)時間項并考慮重力和浮力的影響，選用PISO算法對方程進(jìn)行求解[15]，燃?xì)庑孤┑某跏紲囟葹?88 K，閘井內(nèi)溫度為300 K，選用標(biāo)準(zhǔn)方程為湍流模型，采用無化學(xué)反應(yīng)的組分運輸方程，設(shè)置泄漏孔為速度出口邊界條件，井蓋孔為自由出流邊界條件，其他均為壁面邊界條件，時間步長設(shè)定為0.01。

在該情況下對流擴散問題的求解方法是將擴散區(qū)域中擴散氣體的質(zhì)量、動量、能量等守恒方程作為控制方程，采用離散化的數(shù)值方法求得擴散氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，考慮湍流的對流擴散問題的求解，除掉流體運動的基本方程組外，還要聯(lián)合對流擴散控制方程。

1）連續(xù)性方程。

式中：u、u—、兩個方向的速度分量，m·s-1；

—時間，s；

—密度，kg·m-3。

2）動量守恒方程。

式中：u、u—、兩個方向的速度分量，m·s-1；

—時間，s；

—流體微元上的壓強，Pa；

—動力黏度，Pa·s；

—密度， kg·m-3；

S、S—廣義源項，不可壓縮流體粘性為常數(shù)時取0。

3）能量守恒方程。

式中：u、u—、方向的速度分量，m·s-1；

—溫度，K；

—流體導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；

C—定壓比熱容，kJ·( kg·K)-1；

S—黏性耗散項。

4）組分運輸方程。根據(jù)假設(shè)，本文模擬的閘井燃?xì)庑孤U散過程中燃?xì)馀c空氣之間無化學(xué)反應(yīng)，因此采用無化學(xué)反應(yīng)的組分輸運方程：

式中：ω—組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

D—組分的擴散系數(shù)。

5）湍流控制方程。

湍動能方程：

耗散率方程：

式中：G—由平均速度梯度引起的湍動能；

G—由浮力作用引起的湍動能；

Y—可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；

1ε、2ε、3ε—經(jīng)驗常數(shù)；

α—湍動能有效普朗特數(shù)的倒數(shù)；

α—耗散率有效普朗特數(shù)的倒數(shù)。

1.3 變量參數(shù)及影響因素

燃?xì)忾l井是一個較為封閉的空間，其井蓋處的兩個小孔是其內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境之間交換的窗口，因此外界對于閘井內(nèi)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后的影響甚微，可以忽略不記。

本文分別對5 m·s-1和10 m·s-1泄漏速度的泄漏孔1和泄漏孔2處持續(xù)進(jìn)行的小孔泄漏過程進(jìn)行模擬分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏速度的影響

井蓋處設(shè)有兩個與外界相通的小孔，分別在兩個小孔處設(shè)置了監(jiān)測點7和監(jiān)測點8，以觀察燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)及變化，并在井蓋正中心下方0.5 m處設(shè)置監(jiān)測點9。當(dāng)泄漏孔1以泄漏速度5 m·s-1泄漏且持續(xù)進(jìn)行時，如圖2所示，在12 s時探及井蓋下方0.5 m處有質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，兩個井蓋孔之間有2 s的時間延時，且首先在井蓋孔2處探及質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。當(dāng)氣體觸及管廊頂部受到阻擋時，改變了氣流的運動方向，使得氣體向右擴散一部分觸及豎井的右壁面，此時動能即將消耗殆盡，由于甲烷的密度低于空氣，在浮力的作用下向上方擴散，故監(jiān)測點9處較早探及質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化；另一部分氣體則貼右壁面擴散，所以質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化較早出現(xiàn)在右側(cè)井蓋孔。當(dāng)泄漏孔1以泄漏速度10 m·s-1泄漏且持續(xù)進(jìn)行時，監(jiān)測點7、8、9檢測到質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的時間均比5 m·s-1泄漏時提前4 s。

當(dāng)泄漏孔2以泄漏速度5 m·s-1泄漏且持續(xù)進(jìn)行時，如圖3所示，在15 s時探及井蓋下方0.5 m處有較明顯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，比泄漏孔1以同樣泄漏速度泄漏時延后1 s，而左側(cè)井蓋孔監(jiān)測到質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的時間比右側(cè)井蓋孔略提前1 s。與泄漏孔1相比，該泄漏模型在監(jiān)測點7和監(jiān)測點8檢測到質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的時間分別延后2 s和4 s。

圖2 泄漏孔1泄漏時不同監(jiān)測點處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線

圖3 泄漏孔2泄漏時不同監(jiān)測點處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線

當(dāng)泄漏孔2泄漏初期，氣流向右噴射的同時受到浮力的影響，故存在向上的蘑菇云，在泄漏速度為10 m·s-1泄漏時，由于初動能較大，會使氣體噴射至右側(cè)管廊的壁面，而后向上方發(fā)展，此時橫向的初動能對氣體運動的影響較大，而浮力的影響較小，在沿壁面運動的過程中動能逐漸減弱，故擴散到監(jiān)測點7、監(jiān)測點8、監(jiān)測點9的時間有所延遲，分別比泄漏速度5 m·s-1時延遲4 s、4 s、3 s。

2.2 泄漏方向的影響

燃?xì)夤艿郎戏叫孤┻^程如圖4所示。在泄漏初始時刻，初動能較大，燃?xì)獯怪庇诠艿老蛏戏絿娚?，形成較為明顯的氣柱。在空氣阻力與摩擦力的共同作用下燃?xì)庑纬赡⒐皆茽畈⑾蛩闹苎杆贁U散，隨著射流高度的增大，當(dāng)含有燃?xì)饨M分的混合氣體觸及到閘井管廊頂端時會在氣柱的兩側(cè)形成渦流，左側(cè)渦流首先形成，會影響氣柱的穩(wěn)定，故氣柱發(fā)生偏移。由于管廊頂端的阻擋，隨后在泄漏孔的右側(cè)形成橫向擴散的蘑菇云，一部分燃?xì)庠诟×ψ饔孟孪蜇Q井上方擴散，另一部分由于動能較大繼續(xù)向管廊右側(cè)遷移，隨著時間的推移動能也逐漸衰減。

圖2 泄漏孔1以5m·s-1泄漏時質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

管道閥門側(cè)方泄漏過程如圖5所示。

圖3 泄漏孔2以5 m·s-1泄漏時質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

在泄漏初期氣體有向右較大的初動能，加之浮力的影響，氣體向右上方噴射并形成團(tuán)狀蘑菇云向周圍擴散。隨著初動能的耗散和泄漏時間的推移，射流氣柱方向發(fā)生改變，燃?xì)庀蛏戏綌U散直至閘井管廊頂端，在到達(dá)管廊頂端后受到阻擋向兩側(cè)擴散，在此過程中，泄漏氣體的運動方向受到兩側(cè)渦流的擾動發(fā)生變化，使泄漏燃?xì)饩o貼地面向右上方擴散。

2.3 危險區(qū)域預(yù)警分析

燃?xì)忾l井內(nèi)管道中輸送的氣體主要成分為甲烷，其爆炸極限以體積分?jǐn)?shù)計通常為5%～15%，相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是3%～9%[5]。由于Fluent中默認(rèn)甲烷的數(shù)值單位為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此取甲烷3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為爆炸下限。

當(dāng)泄漏孔1以5 m·s-1速度持續(xù)泄漏，如圖6（a）所示，監(jiān)測點2的響應(yīng)時間為3 s，監(jiān)測點3的響應(yīng)時間為4 s，除監(jiān)測點1位置外，其余監(jiān)測點在泄漏后30 s內(nèi)大部分位于危險爆炸范圍之外，且30 s內(nèi)監(jiān)測點2處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動明顯，這是由于監(jiān)測點2位于泄漏孔1附近，泄漏孔1泄漏時噴射出的氣流以較高速度持續(xù)擴散帶動周圍空氣與甲烷氣體摻混，造成監(jiān)測點1處的值波動。當(dāng)泄漏孔1以 10 m·s-1速度持續(xù)泄漏時，如圖6（b）所示，監(jiān)測點2的響應(yīng)時間為2 s，監(jiān)測點3響應(yīng)時間為3 s，在2～20 s內(nèi)各監(jiān)測點甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步進(jìn)入爆炸范圍之內(nèi)。

圖4 泄漏孔1泄漏時不同時刻各監(jiān)測點處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爆炸范圍

故針對泄漏孔1泄漏的情況可在監(jiān)測點2、監(jiān)測點3處設(shè)置監(jiān)控器，此處響應(yīng)迅速、敏感，可盡早發(fā)現(xiàn)故障并排除安全隱患。

當(dāng)泄漏孔2以5 m·s-1速度持續(xù)泄漏，如圖7（a）所示，監(jiān)測點4的響應(yīng)時間為3 s，監(jiān)測點5的響應(yīng)時間為6 s；監(jiān)測點6在10 s之后始終位于爆炸區(qū)域內(nèi)，且在以10 m·s-1速度泄漏時更加典型，這是由于側(cè)面泄漏時甲烷氣體初動能較大，加之浮力影響會使甲烷氣體噴射至右壁面且質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加。在30 s內(nèi)監(jiān)測點4和監(jiān)測點5處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動明顯。當(dāng)泄漏孔2以10 m·s-1速度持續(xù)泄漏時，如圖7（b）所示，監(jiān)測點5的響應(yīng)時間為7 s，監(jiān)測點4響應(yīng)時間為9 s，在6 s后各監(jiān)測點甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步進(jìn)入爆炸范圍之內(nèi)。故針對泄漏孔2泄漏的情況可在監(jiān)測點4、監(jiān)測點5處設(shè)置監(jiān)控器，由于監(jiān)測點6處響應(yīng)后即刻超越爆炸上限，應(yīng)避免在監(jiān)測點6處設(shè)置監(jiān)控器以節(jié)省成本。

圖5 泄漏孔2泄漏時不同時刻各監(jiān)測點處甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與爆炸范圍

3 結(jié) 論

1）在燃?xì)忾l井封閉空間內(nèi)管道的泄漏過程中，其泄漏速度直接決定了同等時間管廊內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。管道上方泄漏時，10m·s-1泄漏速度明顯比 5m·s-1泄漏速度在同等時間內(nèi)甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先達(dá)到爆炸下限，且管廊內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于以 5 m·s-1速度泄漏時的工況；在閥門側(cè)方位泄漏時，泄漏速度為10 m·s-1時同等時間內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然高于泄漏速度5 m·s-1時的工況，但在豎井內(nèi)部的3個監(jiān)測點卻有所延遲。

2）泄漏位置對管廊內(nèi)甲烷氣體分布的均勻程度影響較大，管道上方泄漏后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域為泄漏孔1至管廊左側(cè)區(qū)域，其附近監(jiān)測點質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動明顯；閥門側(cè)方泄漏后，管廊右壁面及閥門右側(cè)管溝貼地處質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大。

3）泄漏速度為5 m·s-1和10 m·s-1時豎井內(nèi)的監(jiān)測點7、監(jiān)測點8、監(jiān)測點9在30 s內(nèi)管廊內(nèi)甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均未達(dá)爆炸范圍的下限。為節(jié)約成本、優(yōu)化工作方案、提高工作效率，針對監(jiān)測點1至監(jiān)測點6可根據(jù)不同泄漏孔位置設(shè)置泄漏傳感器，當(dāng)泄漏孔1處泄漏時可監(jiān)控監(jiān)測點2、監(jiān)測點3處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化；當(dāng)泄漏孔2處泄漏時可監(jiān)控監(jiān)測點4、監(jiān)測點5處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化，且盡量避免在監(jiān)測點6處設(shè)置泄漏傳感器。

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Diffusion Characteristics and Safety Early Warning Analysis of Gas Well Pipeline Leakage in Closed Space

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（Beijing Gas Group Co., Ltd., Beijing 100035, China）

Carrying out research on the diffusion characteristics of gas well pipeline leakage in closed space is an important prerequisite for improving the safety performance of wells and improving the early warning mechanism. In this paper, taking a gas well in a certain area as the research object, a two-dimensional model of gas well pipeline leakage was established, the CFD software FLUENT was used to simulate the continuous leakage of holes in different directions, the distribution characteristics of gas (methane) when normal leakage occurred above the pipeline and on the side of the valve were studied, as well as the methane mass fraction change at the monitoring point after leakage at different positions and the installation range of the monitor. The results showed that the leakage rate had a great influence on the overall mass fraction of methane in the gate wells, and the higher the leakage rate was, the shorter the average time to reach the explosion range was. Leakage position affected the mass fraction distribution of methane in the gate wells at the initial stage of leakage. The mass fraction fluctuation at the monitoring point close to the leak hole was large, and the change at the monitoring point far from the leak hole was gentle and regular.

Gas well; Leak; Monitoring points; Mass fraction; Methane

2021-06-17

劉瑤（1974-），女，高級工程師，研究方向：高壓力級制燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配技術(shù)。

陳濤濤（1983-），男，高級工程師，博士，研究方向：高壓力級制燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配技術(shù)。

TQ021.4

A

1004-0935（2022）01-0116-06