天然气泄漏扩散模型研究

屈 洋，杜胜男，王 聪，王卫强，张铁军

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

天然气泄漏扩散模型研究

屈 洋，杜胜男，王 聪，王卫强，张铁军

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

在天然气集输过程中，由于管道系统连接件之间的密封缺陷、腐蚀穿孔、人为管理不善等因素引起的天然气泄漏甚至爆炸事故在国内外屡见不鲜，对于长输天然气管道泄漏过程研究应用，可有效减少因天然气扩撒、爆炸等引起的人员和经济损失，而研究的关键则在于模型的建立。

天然气集输；天然气泄漏；模型

21世纪以来，随着各国对能源的需求与环境保护的矛盾日益严重，加之石油产量增长缓慢，天然气以其储量大、利用广、燃烧热量大和污染小等优点，受到越来越多国家的亲睐[1-3]。许多国家对天然气及其相关产业的发展都提供大力的支持，近年来，天然气气田建设、接收站和集输系统等基础设施的建设，更加促进了天然气的利用[4]。

在国内外天然气集输过程中，管道老化、腐蚀、自然灾害、疲劳、机械损伤等因素导致的天然气泄漏甚至爆炸事故频频发生[5]，如表1所示我国部分天然气管道事故表。

表1 我国部分天然气管道事故表Table 1 Part of the natural gas pipeline accidents table

长输管道天然气泄漏扩散的模拟分析过程，并计算天然气泄漏的危害区域，可以有效的减小由于气体扩散导致的火灾及爆炸、气体中毒等风险因素所造成的严重人伤亡员和巨大经济损失，因此预防与控制由管道气体泄漏引起的事故，有利于管道集输的安全运营及减少人员伤亡、经济损失，泄漏研究具有重大的科研价值和经济意义[6-8]。长输天然气管道泄漏扩散模拟方法：（1）CFD模拟；（2）理论模型计算。

1 CFD软件数值模拟

1.1 CFD软件的模拟方法

（1）直接模拟是利用直接模拟求解三维非稳态的N-S方程。直接模拟计算条件要求较高、计算时需采用较小的空间步长与时间步数，目前研究人员只有通过超级计算机才可以完成直接模拟的研究。

（2）大涡模拟是将气体湍流根据涡旋学说分成若干个不同尺度的涡旋。主流为大尺度涡提供能量，其特征在于高度的非同向性；大尺度涡则为小尺度涡提供能量，并将提供的能量耗散为热能；大涡模拟只适用于大尺度涡，近似公式化小涡旋对大涡旋的作用。大涡模型仍对计算机有较高的性能要求，但近年来对大涡模拟的研究和应用越来越广泛。

（3）应用雷诺兹时均方程模型的CFD计算方法其基本思想是将三维非定常N-S方程的平均时间，平均物理量的控制方程。但由于未知量的个数大于控制方程的个数，因此求解该模型必须提出相应的假设条件，使建立方程组模型封闭进行求解。

雷诺兹时均方法分为两种类型[9]：（1）应力模型；（2）涡粘系数模型。目前涡粘系数模型EVM广泛应用于工程模拟与流体流动计算中，以标准模型为主要代表。

1.2 CFD软件的泄漏模拟

（1）胡夏齐[10]建立了一个二维采用Fluent软件的计算模型，该模型被用来模拟高含硫高压天然气管道泄漏扩散；对含硫化氢天然气管道泄漏的多组分扩散规律进行研究，并参考国家有关安全标准指定管道泄漏时的安全抢修警戒范围；计算分析了不同因素对气体扩散范围的影响，包括泄漏口大小、泄漏点压力的变化及外界风速等因素的影响，最后归纳出天然气危险范围的变化规律，该模型采用了标准模型，以某天然气管道泄漏为例，说明胡夏齐建立的CFD泄漏模型。

某天然气集输管线，管径为0.6 m，泄漏口形成半径为100 mm的圆孔，重力加速度为9.81 m/s2，大气压力为0.1 MPa，风速为4 m/s，气温为16 ℃，泄漏口速度为213 m/s。

根据图1、2中硫化氢和甲烷的浓度分布，参考国家有关安全标准，规划出天然气安全抢修范围。

（2）罗志云[11]利用大气污染控制理论，考虑到天然气管道野外泄漏的硫化氢气体扩散问题，成功采用Fortran语言进行编程开发出了PuGdiff软件，该软件可以实现对以下泄漏事故进行模拟：①复杂地形的考察；②模拟风场的预测；③硫化氢气体扩散变化规律；④预测模拟气体动态扩散。

小虫收起钥匙，骑上摩托车，去了姑妈家。姑妈家住豪华小区，高层，要坐电梯。出了电梯，小虫开了姑妈家的门。茶几上果然有个纸条，写着杨律师的手机号码。小虫拿了纸条，出了门，跨上摩托车，快到姑妈那儿时，小虫忽然改变了方向，拐进一条巷子里。巷子深处，有个老者摆了个摊，上书：电子配匙。小虫配了两把钥匙后，才去找姑妈。想和姑妈唠两句，姑妈正忙着洗牌，没空搭理他。

2 理论计算模型

如表2所示5种泄漏模型比较[12-14]。

2.1 高斯模型

高斯模型最初的开发目的是用于气体扩散模型的求解，该模型是用来解决扩散源为小孔扩散，利用统计学方法求解，主要计算气体扩散的浓度分布规律。高斯模型分为：（1）高斯烟团模式，（2）高斯烟羽模型。

图1 硫化氢浓度分布云图Fig.1 Hydrogen sulfide concentration contours

图2 甲烷浓度分布云图Fig.2 Methane concentration contours

表2 气体扩散模型的比较Table 2 Compare Gas Diffusion Model

高斯模型的缺点：模拟精度较较差、未考虑重力对气体扩撒的影响；

高斯模型的优点：该模拟适用于两种泄漏情况：瞬态泄漏扩散和连续性泄漏扩散，模型开发较早，较成熟的技术，实验数据多，模型求解简便，广泛应用于污染物扩散领域。

2.2 Sutton模型

该模型通过统计理论中湍流扩散模型，对气体泄漏扩散过程进行求解的，与高斯模型一样对于气体扩散过程的研究，必须满足两种相同压力气体的且两种气体间存在较低的相对速度两个条件。Sutton模型在计算可燃气体泄漏是计算误差较大，计算条件相对苛刻。

BM模型(唯象模型)属于经验模型是由瞬态泄漏的实验数据和重气体连续泄漏实验数据组成的一系列计算图表，延伸性较差。Hanna等对BM模型进行无量纲处理，并将无量纲BM模型拟合成解析表达式，发现解析方程组求解的结果与实验结果曲线有较好的吻合性。

2.4 FEM3模型

1979年建立的由Galerkin法改进推导而来的FEM3模型的原型。模型所采用的是有限元解法，将该模型应用于有限元法，可求解非定常动量方程，连续性方程，能量方程，理想气体状态方程和扩散方程，该模型采用K理论来解决湍流扩散问题。该模型用于解决有限时间的连续泄漏扩散问题，方程求解过程中计算工作量比较大，且不能用于轻气和中性气体的扩散。

3 结 论

总的说来，对于气体泄漏扩散的研究还处于欠完善阶段。对于管道稳态泄漏速度计算和管道非稳态泄漏速度计算，各国学者都进行了一定的研究，但是尚无公认的泄漏理论，各学者所建立的泄漏模型仍然存在某些不足：

（1）各种泄漏模型在建立过程和求解过程基本上都建立在很多的理论假设之上，只能求解某一些因素对泄漏扩撒的影响，对于某一阶段所有因素对泄漏的影响尚不能完整的描述，以及未能解决各影响因素之间的优先级。

（2）当前的模型中没有一种能够将泄漏速度、扩散及爆炸过程这三个完整的计算出来，没有一个模型能够将扩散及爆炸过程统一起来。当前的扩散模型仍停留在泄漏和扩散过程有机结合阶段。

（3）当今各类扩散模型都假设泄露点处于地面之上，即便对于埋地管道泄漏的研究，仍考虑开挖后管道发生泄漏时为研究条件。至今对于发生在地下的管道发生泄漏模型的建立仍处于研究阶段。

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［2］李振林，姚孝庭，张永学．基于FLUENT的高含硫天然气管道泄漏扩散模拟[J].油气储运，2008，27(5)：38-41.

［3］于洪喜，李振林，张建．高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟[J]．中国石油大学学报(自然科学版)，2008(2)：119-122+131.

［4］叶峰，廖开贵，张亚明．天然气管道泄漏数值模拟研究[J]．油气田地面工程，2008，27(6)：19-20.

［5］杨昭，赖建波，韩金丽．天然气管道气体泄漏扩散过程研究[J]．天然气工业，2007，27(7)：97-99.

［6］孟志鹏，王淑兰，丁信伟．可爆性气体泄漏扩散时均湍流场的数值模拟[J]．安全与环境学报，2003，3(3)：25-28．

［7］马存栋．高压天然气管道破裂气体扩散规律模拟结果分析[J]．油气田地面工程，2005，24(3)：8-10．

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［9］陶文全．数值传热学 [M]．第二版.西安：西安交通大学出版社，2001，332-352．

［10］胡夏琦．含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟[D]．中国石油大学(华东) 硕士学位论文，2006.

［11］罗志云．天然气管道泄漏H2S扩散及影响区域的数值模拟与分析[D].北京：北京工业大学，2008.

［12］李建华，黄郑华．易燃有毒气体泄漏扩散及其危险范围预测[J]．消防技术与产品信息，2002(08)：53-57．

［13］魏军甫．城市燃气管道泄漏的原因分析与对策[J]．煤气与热力，2004，24(2): 105-107．

［14］阎钟山．天然气长输管道泄漏的抢修与维护[J]．天然气与石油，2002，20(2)：13-15．

Study on Natural Gas Leak Diffusion Model

QU Yang，DU Sheng-nan，WANG Cong，WANG Wei-qiang, ZHANG Tie-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

In natural gas gathering and transportation process, natural gas leak and explosion accidents caused by sealing defects of the connection between the pipe system, corrosion perforation, human mismanagement and other factors are common at home and abroad. Studies on long-distance gas pipeline leakage process can effectively reduce human and economic losses caused by natural gas leak diffusion, explosion and other reasons. The key of the studies lies in the establishment of the research model.

Natural gas gathering and transportation; Natural gas leak; Model

TQ 018

A

1671-0460（2015）10-2483-03

2015-05-07

屈洋（1986-），男，辽宁抚顺人，研究生在读，辽宁石油化工大学油石油与天然气工程专业，研究方向：长输天然气管道泄漏扩散模型研究。E-mail：3061738862@qq.com。