天然气管道泄漏扩散模型及危害分析

同济大学　周伟国　郑晨光　王　海

天然气管道泄漏扩散模型及危害分析

同济大学周伟国郑晨光王海

城市高压天然气管线泄漏事故对周围人员健康及生命安全产生了严重威胁。文章通过建立泄漏扩散模型，计算不同压力及风速状态下天然气泄漏的危害区域。

Fluent模拟天然气扩散危害区域

0　引言

随着上海市近郊和郊区新城的建设，城市建设用地正在逐渐向高压天然气管线靠近。当高压天然气管线受到外力破坏或因自身原因发生泄漏后，天然气泄漏到大气中与空气混合将会引发火灾或者爆炸，这将对周围人员及环境产生严重危害。国内一些学者对管道泄漏危害范围进行了计算。

目前通过仿真软件对天然气管道泄漏危害区域的详细研究还比较少，因此，本文使用Fluent对管道小孔泄漏进行模拟，使用Tecplot软件处理计算结果，进行管道泄漏后果分析；确定出特定情况下的危害区域，从而在管道及建筑规范中进行应用。

1　高压天然气管道泄漏模型

1.1高压天然气管道泄漏量的计算

本文讨论的是城市高压天然气管道，小孔径泄漏事故发生概率偏大并且考虑隐蔽泄漏模式，故采用小孔泄漏模型。

管道小孔泄漏见图1。

图1　管道小孔泄漏示意

图1中：1为管道起点，2为泄漏点入口，3为泄漏点出口截面上的点，d为泄漏孔直径。

孔口泄漏流量qm计算公式如下：

式中：pa——管道外大气的压力，Pa；

qm——泄漏质量流量，kg/s；

μ——流量系数，可以取0.90～0.98；

d——泄漏孔口直径，m；

p2——点2处的燃气绝对压力，Pa；

Rcon——CH4的气体常数，517.1 J/(kg·K)；

T2——点2处的燃气温度，K；

k——燃气的等熵指数，取1.3；

p3——点3处的燃气绝对压力，Pa。

2　高压天然气管道泄漏扩散Fluent模拟

2.1模拟区域划定

建立如图2的二维模型。

图2　天然气管道二维模型

选取水平长度为2 000 m，垂直高度为1 000 m的区域进行模拟，此区域足够大，足以使流体到达边界时达到稳态。

设定孔口直径为60 mm，为了简化起见，模型建立在平坦的地面上，保证模拟结果准确性的同时为建模和划分网格提供了方便。

2.2计算模型设置

选取单精度耦合解算器。湍流模型均采用标准κ-ε模型进行模拟。组分输运模型选用了无反应多组份输运模型来求解这种无反应的物质混合问题，混合气体选定methane-air模型，气体条件选取可压缩气体(ideal-gas)作为气体特性条件。

2.3泄漏模拟计算

先选取某一初始条件进行计算：某燃气公司输送高压燃气，发生管道失效而连续泄漏燃气，燃气的成分认为是纯甲烷(CH4)，燃气管道内燃气压力1.6 MPa，管道直径600 mm，当地温度20 ℃，由公式(1)计算可得泄漏质量流量为4.65 kg/s。

2.4模拟结果及分析

通过以上的分析和条件设定，将数据输入Fluent软件中进行迭代模拟，使用Tecplot软件处理结果。在计算CH4危害区域时需同时考虑爆炸及有毒气体对人体危害两种危害区域。

CH4与空气混合体积浓度比5%～15%为爆炸极限范围；CH4在空气中含量高于10%时，会导致人体中毒。因此，对达到稳态时CH4的浓度分布进行处理，仅显示5%～15%的CH4体积分数范围，得到图3：

图3　1.6 MPa时CH4浓度为5%～15%的扩散范围

考虑到建筑物一般在100 m以下，因选取高度在100 m以下的水平范围作为人们日常活动区域。从图中可以看出，CH4的爆炸极限大概距离泄漏孔口90 m远的范围之内。综合考虑CH4的爆炸及毒性两个因素，选取甲烷浓度大于5%的范围为其危害区域，从图中可以得出，是以泄漏孔口为圆心的90 m以内。因此选定距离管道泄漏点90 m以内为危害区域。

2.5不同参数条件对天然气扩散范围的影响

2.5.1管道压力对天然气泄漏影响

选取未来城市燃气管道规划1.6 MPa、2.5 MPa、4 MPa和6 MPa四种高压分别计算扩散范围，探究管道压力不同对于天然气扩散范围的影响。

表1　不同管道压力的孔口射流流量

考虑到CH4爆炸、中毒因素对人们的危害，使用Tecplot软件处理结果，仅显示出在爆炸极限内的CH4分布，见图4～图7。

图4　1.6MPa时CH4的扩散范围

图5　2.5MPa时CH4的扩散范围

图6　4 MPa时CH4的扩散范围

图7　6MPa时CH4的扩散范围

由图4～图7可以看出，随着管道输气压力的增大，CH4在垂直高度和水平宽度范围内扩散范围更广。在6 MPa压力下，CH4体积分数大于5%的泄漏危害区域由1.6 MPa时的半径90 m增加到半径120 m范围内，从而增大了CH4爆炸的危险性。

2.5.2风速对天然气泄漏影响

为探究不同风速对天然气扩散范围的影响，选定风速为1 m/s、3 m/s和5 m/s进行模拟计算，计算结果见图8～图10。

图8　风速为1 m/s时CH4的扩散范围

图9　风速为3 m/s时CH4的扩散范围

图10　风速为5 m/s时CH4的扩散范围

从图8～图10中可以看出，随着风速的增加，CH4的扩散范围随风向增大，并明显贴近地面。风速出口产生的偏转和涡流随着风速的增大而加剧，当风速增加到5 m/s时，CH4的爆炸范围反而减小，说明风速的增大，有利于有害物的分散。

综上所述，管道压力的增大会使天然气射流出口流量增加，速度增大，天然气的扩散区域增大；风速的影响会使天然气发生明显的偏转，风速越大天然气的偏转角度越大，在空气中扩散的越快。因此，若是天然气发生泄漏，良好的通风条件有利于有害物质的扩散。

3　结语

主要的研究成果如下：

(1)本文模拟了1.6 MPa，风速为1 m/s情况下天然气的泄漏情况，综合考虑爆炸极限范围及中毒浓度范围，可以将90 m作为城市低压天然气管网的安全距离。

(2)管道压力增加，泄漏流量增大，影响区域也随之扩大，建议城市高压天然气管道的安全距离设置在200 m以上。

(3)风速对天然气扩散的影响主要体现在下风口，随着风速的增加，天然气的扩散越快，当未发生引燃时，良好的通风有利于有害物质的扩散。

(4)本文将天然气理想化为CH4，下一步需考虑其他有害成分，如H2S对危害区域的影响，建立更完善的扩散模型及危害分析。

Analysis of the Hazard and Diffusion Model on the Leakage of Natural Gas Pipeline

Tongji UniversityZhou WeiguoZheng ChenguangWang hai

The leakage of high pressure natural gas pipeline can endanger residents’ health and lives. The model for leakage and diffusion of natural gas was applied to calculate the hazard area of natural gas leakage under different pressure and different wind speed as well.

Fluent simulation, natural gas diffusion, hazard area