大庆市区天然气管道泄露后果模拟及防火安全对策

杨 志 国



大庆市区天然气管道泄露后果模拟及防火安全对策

杨 志 国

（大庆市公安消防支队， 黑龙江 大庆 163000）

天然气作为清洁能源，广泛的应用在城市生活及工业生产的各个领域，但从消防安全工作方面，有必要对天然气管道的安全运行情况进行研究。结合大庆天然气运输管道，利用数值计算软件FLUENT模拟天然气管道在运行过程中发生泄漏后的扩散情况，在相对理想的情况下得到一些数据，并根据数据提出几点合理化消防安全对策，希望有助于消防安全工作。

天然气；数值计算；消防安全

我国天然气储量十分丰富，目前天然气剩余可采储量2万亿m3，位居世界第15位。天燃气与石油能源和煤炭能源相比，是比较好的清洁能源，也是世界上一次性消费能源中最重要的能源。目前天燃气输送广泛采用高压输气管线，输气管线由于施工人员不慎、腐蚀造成穿孔、设备老化等原因，会造成高压天然气管道的泄漏，一旦发生泄漏，天然气与空气混合后遇点火源很容易发生爆炸、火灾事故。本文基于对天然气高压输气管线泄露的数值进行模拟计算，对天然气高压管线泄漏之后的扩散规律进行探究，并提出针对性的防火安全对策。

1 模型建立

1.1 模拟条件

大庆油田天然气储运二队，一条集气管线为模拟对象，该管线位于保田村，其周围环境为：天然气管道两侧居民房屋在管道中心线5 m以内；管道在穿越卧龙路40 m后转向正东敷设约1 000 m，管道距平房区距离约5 m，距商服楼区约15 m。

1.2 物质传输与扩散模型

由于物质扩散过程中存在分子间粘性作用，变准湍流模型忽略了这一点，而紊流模型中恰恰能充分补充这一不足，在求解平面射流和圆孔射流时精度较高，且求解高压力梯度、分离速度等条件下的涉及旋转、边界层问题也有非常高的精度。因此，该条件下适用下面紊流方程：

方程：

其中：—湍流动能，J；

—耗能率；

1ε、C2ε、3ε、1ε、1、0、σ、σ—常数；

G—因速度梯度产生的湍流动能源项；

G—因浮力产生湍流动能源项；

M—在可压缩中波动扩张引起的耗散项；

ν—运动粘度，㎡/s。

式中：—速度矢量，m/s；

—密度，kg/m3；

—合外力，N；

eff—有效湍流粘度，Pa·s；

μ—湍流粘度，Pa·s。

1.3 边界条件和初始条件

现假设其管道表面由于腐蚀产生泄漏,小孔的直径为5 mm；输送介质为干气，管道的实际输送能力为80×104m3/d;设计压力为1.6 MPa;运行压力1.0 MPa,管径为630 mm,管道内径为595 mm，长度为100 m。其余室外常量均取大庆地区平均量，如输气温度4.2 ℃，质量流量6.375 kg/s,风速为3.8 m/s，大气稳定度为F级。

2 数值模拟及结果分析

2.1 数值模拟

利用数值计算软件FLUENT，选用紊流模型，进行计算预测管道中某点泄漏之后扩散情况得出如下几个图，1、5、10 min后，天然气管道周围天然气浓度情况如图1、2、3所示。

图1 1 min后管道周围天然气速率（左）及甲烷含量（右）

图2 5 min后管道周围天然气速率（左）及甲烷含量（右）

由以上模拟结果我们可以总结出，在扩散1 min中，泄漏点形成紊流之后，天然气在外界的风及气温作用下，形成图1右的数据，甲烷的扩散趋势在管壁处向外10 m递增，且在10 m左右浓度最大，最为危险，在10 m之外浓度递减。因此可以看出，在天然气泄漏1 min之后，10 m处浓度最大，在5%~15%之间，最易引起爆炸。在泄漏出现1 min的时候，我们可以通过图1左看出，天然气的扩散速率，依然在10 m左右处最大，并且应该还会存在向更远处扩散的趋势。此时，危险范围近在10 m左右，如此时有适当的处理办法，损失会最小，且也较容易处理。

数值计算软件，选用扩散紊流模型，计算天然气管道泄漏5 min时候，甲烷浓度及天然气速率为图2所示。如图2可以看出，在风速、室温一由定的情况下，延续1 min时候的计算结果，甲烷浓度最大点还在10~20 m之间，而甲烷的扩散范围大大的增大到50 m。最大的浓度还是在10 m左右，但横向传播较快，在泄漏点20 m左右，这一范围内浓度最大，最容易出现爆炸及火灾。

天然气的扩散速率示意图如图2左，我们可以看出在5 min的时候，天然气扩散较快，其甲烷的扩散范围与天然气的大体扩散范围不一样的原因是由于分子量的不同造成其扩散速率的不同，在5 min时候，天然气在80 m范围内均有出现，并且浓度还有增加的趋势，但其中易燃易爆的甲烷主要在30 m以内，所以此时只要做好30 m内的安全工作，不出现点火源，就不会出现火灾爆炸等重大危险事故，而此时如果采取措施控制住泄漏，危险也会马上降低，在空气中的甲烷含量会随着时间慢慢得到稀释。

由图3左可以看出，在10 min的时候泄漏的甲烷在50 m以内都已经出现，而在40 m以内的浓度高达20%左右，均已高出5%~15%，非常危险，此时如果有明火出现，或者其他相应的点火源，极容易引起爆炸，后果不堪设想。在图3右我们可以看出，在泄漏累积十分钟的时候，天然气的高速率已经在80 m以内出现，此时的扩散趋势还是在向更远处扩散。

图3 10 min后管道周围天然气速率（左）及甲烷含量（右）

2.2 结果分析

通过以上三图我们可以看出，随着时间的增加，泄漏的天然气高速率在向更远处传播，而甲烷的浓度还是在40 m以内，这就告诉我们40 m以内是10 min泄漏的安全范围，如果40 m以内出现火源、热源等，就会发生爆炸或火灾。

3 防火安全对策

3.1 泄漏事故补救对策

由以上结算结果可以看出，在1 min后，10 m范围内如果及时发现泄露，做出反应，泄漏被控制，天然气扩散的范围也会缩小，危险范围也仅在10 m内。因此，基于对计算结果的预测，我们建议在管道10 m范围内安装预警装置，该装置一旦探测出泄漏高浓度天然气，立即向天然气管道调度室报警，调度人员派人切断泄露点的气源，并且向消防部门报警，要求出警控制周围环境，及时采取防范措施。

通过计算可知，在5 min钟时候，天然气中甲烷扩散到50 m左右，但高浓度的甲烷还是在20 m以内。如果按照上文提到，及时处置，且关闭天然气管道输气阀门，那么20 m范围内不出现火源，等待有关人员达到处置，泄漏事故损失可以降到最低。

在泄漏10 min后，我们可以看到高浓度还是在40 m以内，且扩散范围较5 min时候大很多，此时按照理想状态下，处置人员应及时赶到，对人员进行疏散，控制火源，采取降低浓度等措施，对泄漏点进行处理，防止由于老化、腐蚀而泄漏的管道进一步扩大。

3.2 日常防火工作

以上均是以理想状态下，安装报警装置后，装置正常工作，有关处置人员在行驶路况正常，天气正常情况下及时赶到进行的处置措施。但在日常维护及预防的工作中，要做到以下几点，力争出现泄漏时候及时反应，能有效控制事故的发生：

(1)对使用的设备，必须严把质量关。管线连接尽量采用焊接,并按有关标准和规定进行监测，在完工验收时候，质监人员要做好验收检查工作。

(2)设置可燃气体浓度检测报警装置及泄漏自动切断气源装置，并设置与管道调度及应急救援单位通信设施，做到及时反应。

(3)严格控制火源。在规定范围定期检查火源情况，防止在泄露时候出现点火源，引起爆炸或火灾。

(4)在安全范围内要有一定监控装置，时刻监控天然气扩散速度，为救灾灭火提供理论依据。天然气流量仪及信号传输装置的选取，建议选用耐寒型，在距离河流湖泊较近的地方要选取防水型。

4 结束语

本文在选用紊流模型对天然气管道泄漏进行研究，总结出了三个时间点的管道泄漏后，扩散范围及趋势。在计算过程中选用大庆地区平均气温及具有代表性的风速，该计算结果也具有代表性，可以为大庆地区天然气管道泄漏提供理论依据。由于环境变换的复杂性，计算也存在一定的不足，借鉴以上计算结果的科研人员，可根据某些变量进行修改计算。

在泄漏事故发生后，笔者探究在理想状态下，如何进行补救，如何控制火灾的发生，在此提出两点建议：

（1）预警装置要选用先进的浓度监控装置，并能满足与油田天然气管道监控中心联网，进行实时监测；

（2）由于黑龙江自然环境较为恶劣，夏季炎热，冬季寒冷，管道常年暴露在野外环境，泄漏事故很容易发生，定期对管道进行检查，及早发现管道的不安全状态，进行有效维护，泄漏事故可以减少发生，安全事故也会相应减少。

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Consequence Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage Accident in Daqing City and Fire Safety Countermeasures

（Daqing City Public Security Fire Control Team，Heilongjiang Daqing 163000，China）

Natural gas as a clean energy is widely used in various fields of industrial production and city life. In order to ensure the fire safety, it’s necessary to study the safety operation of natural gas pipeline. In this paper, combined with running conditions of Daqing natural gas transportation pipelines, calculation software FLUENT was used to simulate the diffusion process after the natural gas pipeline leakage, some data in relatively ideal circumstances were obtained, and some reasonable fire safety countermeasures were put forward according to the data.

Natural gas; Numerical calculation; Fire safety

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1109-03

2014-04-10

杨志国（1967-），男，黑龙江安达人，高级工程师，1991年毕业于黑龙江大学有机化学专业，研究方向：从事消防监督检查工作。E-mail：dqsgajxfc@126.com。