基于氖氣示蹤劑的埋地燃氣管道泄漏擴散研究

劉 瑤， 榮廣新， 左 熠， 譚松玲， 孫永佳，李 偉， 趙 釗， 孫 恒， 左麗麗

(1.北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035；2.中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249；3.中國石油大學(北京)石油工程教育部重點實驗室，北京102249；4.中國石油大學(北京)城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，北京102249)

1 概述

燃氣管道老化、腐蝕、自然災害等因素導致燃氣泄漏，從而引發(fā)火災、爆炸等事故，給城市設施及人民財產造成巨大的破壞，因此如何快速有效地對燃氣管道泄漏點進行檢測和精準定位，對確保安全供氣、促進社會和諧發(fā)展具有重要意義[1-3]。

李勝國等[4]提出基于示蹤技術的燃氣管道泄漏定位檢測方法，并分析四氫噻吩、SF6、氫氣、氦氣等示蹤氣體在管道泄漏檢測中的優(yōu)缺點，通過實踐驗證示蹤氣體定位技術的有效性和準確性。趙釗等[5]利用氫氣作為示蹤劑對城市埋地管道進行泄漏檢測，驗證示蹤劑(氫氣)在城市埋地管道泄漏檢測中的可行性和適用性。王耕宇[6]提出在燃氣管道泄漏檢測時，需考慮示蹤劑(丙烷和四氫噻吩)理化性質特點以及管道內壁、燃氣冷凝液、管道周圍土壤對示蹤劑吸附性等影響。

多數示蹤劑在實際應用中都存在不足，如四氫噻吩，對于埋地較深的燃氣管道，由于土層的吸附作用，四氫噻吩泄漏擴散不明顯，燃氣泄漏不易被及時發(fā)現；氫氣受限于一些特殊的位置環(huán)境，如燃氣管道附近存在加氫站，會對泄漏檢測產生干擾。本文采用氖氣作為示蹤劑，由于自然環(huán)境中不含氖氣，一旦檢測到環(huán)境中存在該氣體，即可判定管道泄漏。

針對目前埋地燃氣管道泄漏檢測和定位困難問題，本文在建立三維物理模型并進行網格劃分的基礎上，分別對埋地燃氣管道的氖氣加注過程和泄漏擴散過程進行CFD模擬。通過分析模擬結果，研究得到不同氖氣加注方式下的氖氣分布規(guī)律及燃氣泄漏擴散規(guī)律，為埋地燃氣管道泄漏點探測定位提供理論指導。

2 模型建立

2.1 物理模型

本文建立2個物理模型，分別是氖氣作為示蹤劑的加注模型(簡稱氖氣加注模型)和埋地燃氣管道泄漏擴散模型(簡稱泄漏擴散模型)。

① 氖氣加注模型

氖氣加注模型見圖1。管道均為鋼管，參數見表1。氖氣加注口距離天然氣入口0.5 m，加注口為圓筒形，高0.2 m，直徑為50 mm。距離管道末段末端0.2 m處有高0.08 m的管道，管道最上端為泄漏孔，泄漏孔為圓形，直徑5 mm。 進氣段、中間段-1和中間段-2為地上部分。

圖1 氖氣加注模型

表1 氖氣加注模型管道參數

② 泄漏擴散模型

泄漏擴散模型見圖2。燃氣管道為D114.3×6.02的鋼管。管道上土壤從下到上分別為50 cm厚細砂、30 cm厚三合土、30 cm厚無機料、20 cm厚混凝土路面或草地，管道周圍和下層為黏土，其中下層黏土厚50 cm?？諝鈱雍?.5 m。泄漏孔位于管道中點的管頂，泄漏孔為圓形，直徑為50 mm，泄漏方向為豎直向上。由于對稱性，取1/2進行模擬。

圖2 泄漏擴散模型

2.2 數學模型

埋地燃氣管道泄漏后，周圍土壤的傳質問題需要滿足質量守恒方程、動量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程以及多孔介質模型[7]。

2.3 初始條件和邊界條件

① 氣體、管道物性參數

氣體、管道物性參數見表2。

表2 氣體、管道物性參數

② 氖氣加注模型

模擬不考慮溫度變化，將環(huán)境、所有介質、管道壁面溫度均設為300 K。環(huán)境壓力為0.1 MPa。管道初始時充滿天然氣，初始壓力均為0.15 MPa，后續(xù)過程中不再通入天然氣。設置加注口為質量流量入口，氖氣加注質量流量為0.001 kg/s，壓力為0.2 MPa。設置泄漏孔為壓力出口。

③ 泄漏擴散模型

為簡化模型，做以下假設：模擬不考慮溫度變化，將環(huán)境、所有介質、管道壁面溫度均設為300 K。因為泄漏量較小，所以假設泄漏過程中管內條件穩(wěn)定不變。土壤作為一種多孔介質，內部疏松多孔[8]。假設土壤熱物性均勻，是連續(xù)性介質[9]；將天然氣小孔泄漏過程看作等熵流動過程[10]；在天然氣泄漏之前，土壤孔隙中的流體僅為空氣，設置天然氣為純甲烷，泄漏之前氖氣已加注均勻，管道內氖氣與天然氣體積分數各占50%，泄漏壓力為0.15 MPa。設置土壤為多孔介質，不同土壤參數見表3。

表3 不同土壤參數

2.4 數值求解算法及網格劃分

在使用Fluent軟件進行求解設置時，針對建立的數學模型和邊界條件，采用有限體積法對其進行離散求解。由于天然氣在土壤中的擴散過程是瞬時非穩(wěn)態(tài)過程，故選擇PISO算法實現壓力速度的耦合進行求解。為提高計算的收斂性，采用體積力分數計算處理壓力插值，基于多重網格方法對代數方程組求解。

根據計算區(qū)域的幾何結構特點，在物理模型基礎上，利用Gambit進行網格劃分。對氖氣加注模型，以非結構化的三角形網格進行數值離散，并對氖氣加注口和泄漏孔進行網格加密，總網格數為56 573。對泄漏擴散模型，以結構化的四邊形網格離散泄漏孔、土壤層和空氣層區(qū)域，并對泄漏孔進行網格加密。在保證計算精度的前提下，適當離散部分區(qū)域的網格密度，可以減少計算時間。因此對土壤和空氣所在的計算區(qū)域，在軸向和徑向以不同比例逐步增大網格尺寸。泄漏擴散模型的總網格數為81 876。對于非穩(wěn)態(tài)計算過程，嘗試以時間步長0.5、1、2 s分別進行數值計算，計算過程均能保持穩(wěn)定，但收斂所需的迭代步數隨之增多，計算結果相差不大。因此，兼顧計算精度和計算效率，以1 s步長進行非穩(wěn)態(tài)計算。

3 結果分析

3.1 氖氣加注模擬分析

在對燃氣管道進行氖氣加注時，希望氖氣能夠在管道中均勻混合，因此分別采取連續(xù)加注、交替加注方式，以對比哪種方式可以使管道各段的氖氣分布更均勻。連續(xù)加注是連續(xù)加注氖氣720 s；交替加注是加注氖氣180 s、暫停60 s，這樣交替進行4個周期，共960 s。根據理想氣體狀態(tài)方程和質量守恒方程等，計算得到2種加注方式全管段氖氣平均質量分數理論計算值。模擬值與理論計算值對比見圖3。

圖3 2種加注方式全管段氖氣平均質量分數模擬值與理論計算值對比

從圖3可知，2種加注方式全管段氖氣平均質量分數模擬值與理論計算值吻合良好，證明氖氣加注數值模擬是收斂的，能夠達到計算精度要求。連續(xù)加注、交替加注方式加注結束時刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質量分數分布云圖分別見圖4、5。

圖4 連續(xù)加注方式加注結束時刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質量分數分布云圖(軟件截圖)

圖5 交替加注方式加注結束時刻各段管道軸心豎直平面的氖氣質量分數分布云圖(軟件截圖)

從圖4、5可以看出，相比于連續(xù)加注，交替加注的氖氣質量分數分布比較均勻，未出現連續(xù)加注時加注口附近有大量氖氣堆積的情況；總體來看，從進氣段到末段，氖氣質量分數分布逐漸降低，末端幾乎為0。

3.2 泄漏擴散模擬分析

泄漏擴散模擬分為2種工況：有蓋層、無蓋層。有蓋層指土壤表面有混凝土、瀝青層等致密層，氣體不易擴散到空氣中；無蓋層指土壤表面是草地或沙地等，氣體易擴散到空氣中。模擬時，對于有蓋層工況，設置與空氣層接觸的土壤為混凝土路面；對于無蓋層工況，設置與空氣層接觸的土壤是草地。

泄漏從0時刻開始，泄漏不同時刻過管道中心豎直平面的氖氣質量分數分布云圖見圖6、7，對比了不同時刻有、無蓋層工況氖氣在土壤中的擴散過程。

圖6 泄漏120 s、600 s、960 s時過管道中心豎直平面氖氣質量分數分布云圖(軟件截圖)

圖7 泄漏1 200 s、1 500 s、1 800 s時過管道中心豎直平面氖氣質量分數分布云圖(軟件截圖)

分析圖6、7可知，有蓋層時，受蓋層影響，泄漏氣體沿著管道軸向不斷擴散，影響范圍不斷擴大。無蓋層時，泄漏氣體可以向空氣層擴散，因此泄漏影響范圍較小，影響范圍將逐漸趨于穩(wěn)定，在泄漏點附近1.5 m范圍內。有蓋層和無蓋層條件下，泄漏1 800 s時，距離地面不同深度水平面(簡稱不同深度水平面)的氖氣質量分數分布見圖8。

圖8 有蓋層和無蓋層條件下，泄漏1 800 s時不同深度水平面的氖氣質量分數分布(軟件截圖)

從圖8可知，泄漏1 800 s后，有蓋層工況氖氣在不同深度水平面的擴散范圍明顯比無蓋層工況大得多；無蓋層時，氖氣質量分數在不同深度水平面的分布范圍較為穩(wěn)定，因為泄漏氣體能擴散到空氣中，向兩側擴散少；而有蓋層時，氖氣在土壤中擴散較明顯，且深度越靠近泄漏點，擴散范圍越大；泄漏點附近的質量分數梯度變化較為明顯，以此可以縮小檢測范圍。

為定位泄漏點，一般需要在現場打孔取樣，以確定土壤中的氣體質量分數分布。圖9為泄漏1 800 s時泄漏孔中心正上方不同深度時氖氣質量分數沿管長方向的變化趨勢，可為確定合理的打孔深度提供依據。

圖9 不同深度氖氣質量分數沿管長方向的變化趨勢

從圖9可以看出，氖氣沿管長方向的質量分數分布接近高斯分布，質量分數峰值位于泄漏孔正上方處，隨著兩側擴散距離的增加，質量分數逐漸降低且關于泄漏孔中心呈對稱分布。深度為0.5 m的氖氣質量分數明顯高于深度為0.2 m；在左右兩側距離泄漏孔0.5 m范圍內，深度為0.5 m與深度為0.8 m氖氣質量分數接近，超出該范圍后，深度為0.5 m氖氣質量分數高。因此，建議打孔深度為0.5 m，可以更迅速定位泄漏點。

4 結論

① 相比于連續(xù)加注，交替加注的氖氣質量分數分布更均勻。

② 有蓋層時，泄漏氣體沿著管道軸向不斷擴散，影響范圍不斷擴大。無蓋層時，泄漏影響范圍較小且逐漸趨于穩(wěn)定，為泄漏點附近1.5 m范圍。

③ 有蓋層工況氖氣在不同深度水平面的擴散范圍明顯比無蓋層時大得多。無蓋層時，氖氣質量分數在不同深度水平面的分布范圍較為穩(wěn)定；有蓋層時，氖氣在土壤中擴散較明顯，且水平面越靠近泄漏點，擴散范圍越大。泄漏點附近的質量分數梯度變化較為明顯，以此可以縮小檢測范圍。

④ 建議打孔深度為0.5 m，可以更迅速定位泄漏點。