埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟

王 健

（新疆油田公司油气储运公司，新疆 昌吉 831100）

埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟

王 健

（新疆油田公司油气储运公司，新疆 昌吉 831100）

针对埋地天然气管道穿孔泄漏扩散问题，结合有限容积法，利用Gambit2.4建立了天然气管道不同泄漏口径和不同环境温度的CFD仿真模型，利用Fluent6.3分别对不同泄漏口直径（6.35、25.4、101.6 mm）和不同环境温度（0、10、30 ℃）泄漏工况下，气体在土壤中和空气中扩散规律进行了数值模拟。研究结果表明，随着泄漏口直径增加天然气危害范围逐渐增大，关闭泄漏管段两端阀门以后，气体扩散危害范围逐渐变小；随着环境温度的升高气体危害范围在竖直方向上有明显增加，在地面处危险区域也增加。研究结果为城市埋地天然气管道泄漏事故现场人员疏散及安全抢修提供了理论依据。

天然气管道；泄漏；扩散；数值模拟

随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的提高，天然气的应用得到迅速的发展，燃气作为重要的能源形式之一应用越来越广泛。城市燃气管道一般采用埋地方式铺设，但由于受腐蚀和人为破坏等因素的作用，天然气管道泄漏事故时有发生[1,2]。天然气爆炸极限范围较大，具有易燃、易爆的性质，天然气泄漏爆炸事故一般会造成大量人员伤亡和严重的财产损失，具有较大的危害性。因此，对天然气管道泄漏后，确定其危害范围具有重大意义。

本文针对城市埋地天然气管道，利用C语言编写与FLUENT软件兼容的UDF计算程序，修正风速随高度的变化，并且控制阀门由于人工或自动关闭后气体泄漏率[3]随时间的变化。由于腐蚀、施工等不同的损伤过程，造成泄漏口的尺寸不同，根据API581-2000—基于风险的检验基础资源文件（Risk-Based Inspection Base Resource Document）选取管道泄漏口直径分别为6.35 mm、25.4 mm、 101.6mm，并且根据不同的环境温度，建立泄漏模型来模拟计算，得出了天然气管道泄漏后天然气扩散规律，为制定天然气管道泄漏事故应急预案及保障措施提供了理论依据。

1 模型建立

1.1 数学及物理模型

以天然气管道泄漏为例，模拟泄漏过程及天然气流场变化。天然气为多种气体的混合物，主要成分为甲烷(CH4)（体积分数为99.88%），故可以用CH4代替天然气进行模拟计算。天然气的伤害下限为1%，爆炸极限范围为5%～15%[4]，故以天然气的体积分数为1%、5%和15%为分界线为评定泄漏气体危害浓度区域。

天然气泄漏过程遵循连续方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[5]。综合考虑计算条件和工程要求，采用耦合隐式求解器，其基本方程为定常Reynolds时均方程[6]。同时天然气泄漏为湍流流动，故选用湍流模型中的可实现k-ε模型。

某天然气管道运行压力为0.2 MPa，根据GB 50028-2006《城市燃气设计规范》，属于中压输气管道，管道直径325 mm，壁厚8 mm，管道埋深1.7 m，气体温度为20 ℃，由于所选天然气管道在城镇人口密集地区，考虑管道所处的实际位置，取建筑物高度为20 m，管道中心距建筑物距离为3 m[7]，土壤物性为：密度1 500 kg/m3，导热系数1.5 W/ (m·K)，比热2 200 J/(kg·K )，孔隙度0.43[8,9]，土壤平均直径0.2 mm，根据文献[10]计算出渗透率及惯性阻力系数。用较大空间 (80 m×80 m)进行仿真模拟计算，具体模型及边界条件如图1所示。划分网格时，由于管道泄漏口附近气体各项参数变化梯度较大，为满足计算精度，对此区域进行网格加密。

图1 物理模型及局部放大图Fig.1 Physical model and partial enlargement

1.2 参数确定及边界条件设置

假设管道两个阀门之间的距离为1 000 m[7]。泄漏开始为稳态泄漏，泄漏压力为0.2 MPa，此压力大于临界压力Pc，泄漏气体流动为临界流动[11]，泄漏气体质量流率Qm0按式（7）计算得Qm0=0.181 964 kg/s，G=1 077.95 kg/（m2⋅s）。泄漏120 s时阀门自动关闭[11]，关闭阀门后管道内压力减小，当压力大于临界压力Pc时，泄漏气体质量流率Qm0按式（7）、（9）、（10）、（11）计算；当压力小于临界压力Pc时，泄漏气体流动为亚临界流，泄漏气体质量流率Qm0按式（8）、（9）、（10）、（11）计算。

式中：

Qm— 质量流量，kg/s；

k — 比热容；

t — 关闭阀门后泄漏时间，s；

Aor— 泄漏口面积，m2；

R — 气体常数，R=8.314 J/(mol⋅K)；

P2— 管道内压力，MPa；

Pa— 大气压，0.101 325 MPa；

G — 质量流率，kg/（m2⋅s）；

T — 温度，K；

L — 管线长度，m；

ρ— 密度，kg/m3。

稳态泄漏120 s内质量流量进口设置为1 077.95 kg/（m2⋅s），关闭阀门后，根据质量流量流率随时间变化拟合出公式（14）：

将公式（14）编写成UDF程序并按照风速边界设置方法设置泄漏口边界条件。

2 数值模拟结果和分析

埋地天然气管道发生泄漏扩散后，由于受土壤阻力作用，泄漏气体的动能衰减程度较大，速度大大降低，泄漏气体不足以冲破管道上方的埋土，气体会在土壤中扩散，到达地表后向大气中扩散[12]。

根据不同泄漏口直径修改几何模型，以泄漏口在天然气管道上表面为例说明，气体扩散云图如图2-图4所示。

2.1 不同泄漏孔大小下中压天然气管道泄漏

中压天然气管道泄漏不同泄漏孔径质量流量如表1。

表1 中压天然气管道泄漏不同泄漏孔径质量流量Table 1 Medium pressure natural gas pipeline leakage mass flow of different aperture

图2-图4分别为泄漏口为6.35、25.4和101.6 mm下天然气泄漏扩散云图(a—泄漏120 s，b—泄漏停止时)，可以看出当泄漏120 s时，泄漏孔径为 6.35 mm，由于泄漏孔径很小，天然气泄漏速度和质量流量也很小，天然气和大气对流扩散比较慢，天然气危险范围较小；当泄漏孔径为 25.4 mm 时，甲烷危险范围增大，伤害下限范围和爆炸下限范围在下风向贴近地面处分别为36 m和22 m，扩散高度分别为大于75 m和60 m，在土壤中沿下风向扩散距离分别为38 m和20 m；当泄漏孔径为101.6 mm时，由于泄漏率的增加，气体危险浓度范围进一步扩大，伤害下限范围已经超过了计算区域即下风向扩散距离超过了38 m，而高度远远超过了计算区域的上边界，爆炸下限在下风向贴近地面处扩散距离为22 m，高度超过了计算区域上边界，在土壤中沿下风向扩散距离为25 m；可见泄漏孔径变大，泄漏质量流率变大，天然气危害范围也较大。

从图2-图4可以看出，随着泄漏孔径的变大，距离泄漏口相同距离处，天然气浓度会加大，而泄漏扩散危险区域也会变大。

当泄漏口直径为6.35 mm时，泄漏口直径很小可以看做稳态泄漏，即气体以恒定泄漏率泄漏，由于风的扩散作用，天然气危害范围变化不大。而对于泄漏口直径分别为25.4 mm和101.6 mm时，当关闭泄漏口管道两端阀门后，管道内压力逐渐降低，从而气体泄漏率逐渐减小，气体扩散危险范围逐渐减小，当管道内压与大气压力相等时，泄漏率接近于零，如图3(b)、4(b)所示。

当泄漏口径为25.4 mm时，泄漏口处气体质量流量逐渐减小，在434 s左右泄漏口处质量流量接近于零，故气体危险浓度范围也在变小，伤害下限范围和爆炸下限范围在下风向贴近地面处分别为28和13 m，扩散高度分别为大于68和52 m，在土壤中沿下风向扩散距离分别为29.8和16.5 m；而泄漏口为101.6 mm时，由于泄漏口较大，气体质量流量很大，在19 s左右管内气体质量流量已接近零，由于从关闭阀门到泄漏停止之间时间较短，气体危险浓度范围变化不大。

图2 泄漏口直径d=6.35 mm CH4浓度分布图Fig.2 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 6.35 mm

2.2 不同环境温度下中压天然气管道泄漏

天然气温度恒定为20 ℃，泄漏口直径取25.4 mm，泄漏口在管道上表面处，环境温度分别选取0、10及30 ℃，在平坦地区对天然气泄漏扩散过程进行数值模拟，模拟结果如图5-图7可以得到表2。

图3 泄漏口直径d=25.4 mm CH4浓度分布图Fig.3 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 25.4 mm

图4 泄漏口直径d=101.6 mm CH4浓度分布图Fig.4 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 101.6 mm

表2 中压天然气管道泄漏不同环境温度下气体危害范围Table 2 Hazard range of medium pressure gas pipeline leakage under different ambient temperature

从图5-7和表2中可以看出，可以看出，当环境温度从0 ℃增加到15 ℃时，浮升力影响程度增大，气体上升高度增加，同时在空气中扩散距离也增大；而当环境温度为30 ℃时，气体上升进一步增大。因此由图5-图7同一时刻不同温度天然气变化趋势得：随着环境温度的升高，天然气受到浮升力也随着增大，上升高度亦增加。

Numerical Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage and Diffusion

WANG Jian
（PetroChina Xinjiang Oilfield Company Oil & Gas Storage & Transportation Branch，Xinjiang Changji 831100，China）

To study the diffusion of gas after piercing leakage of buried gas pipeline, combined with the finite volume method, CFD simulation model of the gas pipeline leakage under different leak caliber and different environmental temperature was established based on Gambit 2.4. By using Fluent6.3,gas diffusion rules in soil and air were respectively simulated under different leak caliber (6.35, 25.4, 101.6 mm) and different environmental temperature (0, 10, 30 ℃). The research results show that, with increasing of the leakage hole diameter, gas hazard scope gradually increases. After shutting off the valves at both ends of the leak pipeline, the gas diffusion hazard area gradually decreases. With the increase of environmental temperature, the gas hazard scope in the vertical direction significantly increases, the gas hazard scope on the ground also increases at the same time.

Gas pipeline; Different leak location; Diffusion; Numerical simulation

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）10-2494-03

2015-04-20

王健（1987-），男，辽宁锦州人，助理工程师，硕士研究生，2012年毕业于辽宁石油化工大学，主要从事石油与天然气运行工作。E-mail: 759439811@qq.com。