含硫天然气管道连续泄漏规律研究

陈晓坤，鲁昆仑 ，肖 旸，王彩萍

(1.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

含硫天然气管道连续泄漏规律研究

陈晓坤1，2，鲁昆仑1，2，肖 旸1，2，王彩萍1，2

(1.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

为了预测含硫天然气泄漏后危险气体的扩散距离和危险区域的面积，以中国石油长庆油田第五采气厂输送管线为例，结合当地的实际环境，根据高斯烟羽模型选择适合于含硫天然气连续泄漏的控制参数，开展了含硫天然气在不同泄漏量、大气环境、地面粗糙度条件下连续泄漏的数值模拟研究，得出了相应的下风向扩散距离及其危害面积。结果表明：不同的条件下，天然气扩散的距离和面积不同。泄漏量越大，天然气扩散的距离和危害面积也越大，H2S的危险区域的面积也越大；大气稳定性越高，扩散距离和危害面积越大；地面粗糙度越大，扩散距离和危害面积越小。模拟结果可为人员疏散方案及应急救援预案制定提供理论依据和技术指导。

含硫天然气；泄漏量；扩散距离；危险区域；数值模拟

0 引 言

中国已经探明的含硫天然气藏逐年增加，对于含硫天然气藏，在钻井和运输过程中，管道一旦发生泄漏，就会造成严重的人员伤亡和经济损失。2013年3月12日，新疆阿克苏市因施工不慎，导致天然气管道泄漏，上百名群众被疏散[1]。因此，预测含硫天然气泄漏之后天然气爆炸危险区域面积和H2S气体的危害面积分布，是制定含硫天然气泄漏后人员疏散方案和应急救援预案的关键。

目前，对于天然气等危险气体泄漏扩散过程的研究主要方法有试验研究方法和数值模拟研究方法。国内学者杨昭[2]等详细分析了天然气泄漏之后气体扩散形成的危险区域以及泄漏气体扩散边界，其研究结果表明适当提高风速会增加气体扩散速度，气体危险区域将会减小，增加气体泄漏速度，也会增加气体扩散速度；肖淑衡[3]等学者应用PHOENIC软件模拟了厂区天然气泄漏的扩散过程，分析了风速、泄漏时间及射流方向对泄漏空间天然气浓度分布情况及危险性区域面积的影响，得出风的速度对气体扩散浓度和扩散危险性区域的面积有很大的影响；上述研究基于不同方法研究了天然气泄漏扩散规律和影响范围。然而多数研究只给出了天然气的危险区域，没有考虑天然气中的H2S气体的危险范围，鉴于此，文中以中国石油长庆油田第五采气厂(以下简称第五采气厂)天然气输送管线为研究对象，结合当地实际情况，对天然气管道连续泄漏进行模拟，充分考虑泄漏量、大气稳定度以及地面粗糙度对气体扩散范围的影响，确定出不同参数条件下天然气和H2S气体危害区域范围，以期为天然气泄漏事故的防范和应急救援提供参考。

1 天然气泄漏计算模型

自20世纪70年代起，国内外学者就气体扩散范围的数值模拟提出了多种扩散仿真模型，其中比较常用的有唯像模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型和高斯模型等[6-7]。天然气管道发生连续泄漏后，有毒有害气体在大气湍流和平流作用下向四周扩散。根据试验研究和统计理论，在稳定的大气环境下，污染物浓度分布符合高斯分布。高斯模型分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型。文中主要模拟天然气管道由于腐蚀、人员操作失误等原因形成空洞或裂痕而形成的连续泄漏，故采用高斯烟羽模型[8-9]。

采用高斯烟羽模型对天然气管道连续泄漏进行模拟，以泄漏源为坐标原点，X轴为泄漏下风向的距离，Y轴为横风向距离。为了便于模拟，做出如下假设：① 扩散物质的浓度在y轴上呈高斯正态分布；② 在整个模拟区域风速是恒定不变的；③ 扩散过程中气体不发生化学反应，扩散物质的质量保持不变，即达到地面全部反射[10]。

设泄漏源在地面的投影坐标为(0，0，0)；泄漏源距地面距离为H，m；平均风速为u，m/s.根据高斯烟羽模型可以得出泄漏物质在坐标(x,y,z)点处质量的浓度C(x,y,z)分布，计算如式(1)[11]所示。

(1)

式中C为坐标(x,y,z)处的泄漏气体的平均浓度，mg/m3；σy为侧向扩散系数，m；σz为纵向扩散系数，m；气体扩散系数与大气稳定性和下风向距离x有关。

天然气管道发生连续泄漏沿地表进行扩散，假设地面对泄漏气体全部反射到大气中。此时，地面上任意一点的扩散气体的浓度为：不存在地面时此点应具有的浓度与由于地面全反射而增加的浓度之和。为了简便处理，可以认为，地面上任意一点浓度是无地面反射作用的空中气体扩散浓度的二倍，即

C(x,y,z)=2C空(x,y,z),

(2)

当H=0时，高斯烟羽模型可以简化为

(3)

2 数值仿真结果及分析

2.1 工程实例简介

以第五采气厂输送管线为对象，研究输气管线发生连续泄漏时气体浓度的分布和危险区域的面积。第五采气厂位于内蒙古鄂尔多斯市乌审旗境内，气田及管道经过地区在植被上属于毛乌素沙漠地带，地形地貌特征可分为沙漠平原区和沙丘波状区2大地貌单元。第五采气厂产出的天然气甲烷平均含量为94.73%，H2S含量高，最大含量为1 196.4 mg/m3，平均含量为207.2 mg/m3；相对密度平均为0.564.第五采气厂管道平均压力为5 MPa.根据现场的实际情况，建立高斯烟羽模型计算天然气输送管道连续泄漏后气体浓度的分布。

含硫天然气泄漏扩散后，不同气体浓度，危险程度不同。参照瑞士职业接触限值甲烷容许最高接触浓度(TWA)为6 700 mg/m3，进入此浓度区域的抢修人员需要配戴防护器具。天然气的爆炸极限为5.05%～15.14%，即空气中天然气质量浓度达到34 616～103 803 mg/m3时，有能量高于天然气最小点燃能量的点火源即引起爆炸。H2S在空气中的最高容许浓度是10 mg/m3，当浓度≥10 mg/m3时，人就会出现中毒，最后呼吸麻痹而死亡。

2.2 模拟结果分析

2.2.1 泄漏量对天然气扩散的影响

天然气是通过高压管道输送到集气站的，因此可采用小孔模型计算其泄漏质量流量。在高压输送管道中，由于内部介质压力比较高，气流一般处于流速临界状态，故气体流动属于音速流动。其计算公式为

(4)

其中 Q为气体泄漏率，kg/s；Aor表示泄漏孔面积，m2；CD为孔口流量修正系数，一般取1；P为管道的压力，Pa；M为气体摩尔质量，kg/mol；R为气体常数，R=8.314Pa·m/(mol·K)；T为气体的温度，K；k为气体绝热系数，对于天然气一般取k=1.334.

泄漏量分别取2.683×106，5.366×106，8.049×106，1.073×107，1.341×107mg/s，大气稳定度为D，地面粗糙度为0.1时，不同泄漏量下天然气下风向扩散距离及扩散面积如图1和表1所示。根据第五采气厂天然气含硫量的比例，得出当泄漏量取2.683×106，5.366×106，8.049×106，1.073×107，1.341×107mg/s时，对应H2S的泄漏量为774.93，1 549.86，2 324.784，3 099.71，3 874.64mg/s，通过计算得到H2S的危险区域面积，见表2.

在图1中的曲线从左到右依次对应天然气浓度分别为C=1.038×105，3.461×104，6.700×103mg/m3.从图1和表1可知，当泄漏孔径变大后，泄漏量也会随之变大。泄漏量越大，天然气的爆炸浓度区域面积和威胁人体健康的面积也逐渐增大。从表2可知，当泄漏量增大后，H2S气体的危害面积也随之增大。

表1 不同泄漏量下天然气的下风向扩散距离和危害面积

表2 不同泄漏量下H2S下风向扩散距离和危险区域面积

2.2.2 大气稳定性对天然气扩散的影响

当天然气的泄漏量为8.049×106mg/s，地面粗糙度为0.4，大气稳定度分别取A，B，C，D，E，通过计算得到不同大气稳定性下天然气的等质量浓度曲线和下风向扩散距离以及危害区域面积，如图2所示和见表3.当H2S的泄漏量为2 324.78 mg/s时，同样得出H2S的危险区域面积，见表4.

在图2中的曲线从左到右依次对应天然气浓度分别为C=1.038×105，3.461×104，6.700×103mg/m3.从图2和表3可知，大气越稳定，气体向下风向扩散的距离越远，天然气爆炸浓度区域和危害面积越大。从表4可知，大气越稳定，H2S气体的危险区域面积越大。

表3 不同大气稳定性下天然气的下风向扩散距离和危害面积

表4 不同大气稳定性下H2S下风向扩散距离和危险区域面积

2.2.3 地面粗糙度对天然气扩散的影响

当地面粗糙度分别取0.2，0.5，1，2，3，大气稳定性为D，泄漏量为8.049×106mg/s时，天然气等质量浓度曲线如图3所示，天然气下风向扩散距离和危害面积数据见表5.

从图3和表5可知，随着地面粗糙度增大，气体向下风向扩散的距离越小，天然气爆炸浓度区域和威胁人体健康区域的面积就越小。从表5可知，地面粗糙度增大，H2S气体的危险区域面积越小。地面粗糙度越大，气体扩散越不易。因此，为了减少有害气体的扩散，可以增大地面粗糙度，如在天然气输送管线周围种植树木，在天然气集气站周围构筑围墙。

表5 不同地面粗糙度的下天然气的下风向扩散距离和危害面积

图2 不同大气稳定性下天然气扩散等质量浓度曲线Fig.2 Isoconcentration curves of natural gas with different atmosphere stability

图3 不同地面粗糙度下天然气扩散等质量浓度曲线Fig.3 Isoconcentration curves of natural gas with different ground roughness

表6 不同地面粗糙度下的H2S下风向扩散距离和危险区域面积

3 结 论

1)利用高斯烟羽模型模拟分析了第五采气厂含硫天然气管道在发生连续泄漏之后气体沿下风向的扩散距离和危险区域面积。得出了天然气质量浓度在3.461 6×104mg/m3和1.038×105mg/m3这2条等质量浓度曲线，该范围属于爆炸区域，在这个区域内避免动火作业。同时也得到了H2S危险区域沿下风向扩散的距离和危险面积，当发生泄漏后，人员尽量避免在危害区域活动；

2)当天然气的泄漏量从2.683×106mg/s增大至1.3415×107mg/s时，天然气最高容许接触浓度沿下风向分布的距离分别为45.50，65.99，82.16，96.06，108.51 m.根据数据可以得出，当泄漏量增大，天然气的扩散距离也随之增大，危险区域面积也增大，H2S的扩散距离和危险面积同样增大；

3)当大气稳定度的分别取A，B，C，D，E(A，B，C，D，E分别代表不同的大气稳定度)时，天然气最高容许接触浓度沿下风向分布的距离分别为35.92，53.57，75.59，82.16，132.21 m.根据数值模拟结果，当天然气发生泄漏之后，避免在爆炸浓度区域进行动火作业，及时将人员疏散至安全区域；

4)当地面粗糙度分别取0.2，0.5，1，2，3时，天然气最高容许接触浓度沿下风向分布的距离分别为96.44，78.62，66.71，53.54，45.62 m.通过数据分析，天然气的扩散距离随着地面粗糙度的增大而减小，故在天然气输送管线周围种植树木或者构筑高墙，可以减小危险气体的扩散面积。

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Researchondiffussionregularityofcontinousleakageofsoufurnaturalgaspipeline

CHENXiao-kun1，2，LUKun-lun1，2，XIAOYang1，2，WANGCai-ping1，2

(1.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to predict the diffusion distance and hazard area of sulfur natural gas leakage diffusion，taking China Petroleum Changqing Oilfield fifth gas field gas pipeline as an example and combining the actual local conditions，according to the Gaussian plume model,we select suitable control parameters for a continuous leak of sulfur gas.Research on numerical simulation of continuous leak of sulfur natural gas on the different leakage，atmosphere and surface roughness conditions，and obtain the diffusion distance and hazard area in correspnding down wind direction.Results show that under different conditions，the distance and area of the natural gas diffusion are different.Hazard area of natural gas and H2S increases with increase of the leakage，the greater the stability of the atmosphere，the greater the diffusion dtistance and the hazard area will be，but the diffusion distance and hazard area tend to decrease with increase of the surface roughness．The simulation results can provide theoretical basis and technical guidance for formulation of the evacuation plan and emergency rescue plan.

sulfur natural gas；leakage；diffusion distance；hazard area；numerical simulation

2015-04-10 责任编辑：刘 洁

国家自然科学基金重点资助项目(51134019)；国家自然科学青年基金(51204136)；陕西省自然科学基金(2014JM7276)

陈晓坤(1961-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，教授，博士生导师，E-mail:chengxk@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0402

1672-9315(2015)04-0403-06

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