不同硫化氢浓度下的天然气管道泄漏扩散数值模拟

敬加强 ，李小明，江漩涛，周怡诺

（1. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500； 2. 油气消防四川省重点实验室，四川 成都 611731）

天然气作为增长最快的新型清洁能源，国内外天然气产业发展迅猛，随着大量天然气管道的敷设，输气管道的泄漏已成为天然气安全系统的关键问题。由于管网设施损坏、第三方损坏、自然灾害损坏［1］等原因，输气管道泄漏现象发生频繁。管道泄漏扩散不但能引发天然气爆炸事故，而且能对人民的生命财产安全造成巨大的灾害，同时也能引起严重的环境污染。为预防事故的发生，深入研究天然气泄漏扩散规律非常必要。国外在这方面的研究工作始于上世纪70、80年代且提出了不少扩散的计算模型，如高斯模型（Gaussian plume/puff model）、BM（Britter and Mc Quaid）模型、Sutton模型、FEM3（3-D Finite Element Model）模型等［2］。国内气体扩散研究报导较少，但也取得了不少成果，潘旭海［3］等人针对事故泄漏扩散过程的复杂性，分析了描述易燃易爆及有毒有害气体泄漏扩散过程的数学模型；张启平［4］分析了重气效应的泄漏扩散过程及泄放过程的决定因素并提供了相应的数学模型；唐剑锋［5］等人结合烟羽抬升计算，分别采用SLAB稳态烟羽模型与高斯烟羽模型，建立了LNG扩散的数学模型。程猛猛［6］等人采用 CFD仿真软件，对架空天然气管道的穿孔泄漏扩散进行了数值模拟。

本文通过对不同硫化氢浓度条件下的天然气进行数值模拟，得到了4种不同硫化氢浓度下泄漏天然气的速度场、密度场和浓度危险区域，为天然气管网安全平稳的运营提供了参考依据。

1 数学模型

1.1 计算流体力学基本方程

天然气流动要遵循物理守恒定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。对应的控制方程如下［7］：

（1） 连续性方程

式中:r为流体密度,kg/m3；分别为 x、y、z三个方向的速度分量,m/s; t为时间,s。

（2） 动量方程

（3） 能量方程

1.2 泄漏控制方程

泄漏天然气同时含有甲烷和硫化氢，选用多组份输运模型来求解这一混合问题。含硫天然气泄漏时，速度很大，采用湍流模型中的标准k-e方程［7］。湍动能方程（k方程）：

耗散率方程（ε方程）：

式中:Gk是平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是浮力引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；ks、es分别为湍动能和湍动耗散率对应的普朗特常数，sk=1.0、se=1.3。

1.3 几何模型

图1 物理模型Fig.1 Physical Model

天然气中硫化氢含量分别选取为0、20 mg/L、150、300 mg/L，计算区域选取100 m×100 m的二维空间，管道直径选取 660 mm，泄漏孔径为 440 mm，在静风条件下进行模拟；如图1所示，其几何模型左右两侧及上部出口均设置为压力出口，泄漏口设置为速度进口。

2 结果分析

通过数值模拟得到了4种不同硫化氢浓度下泄漏天然气的速度场、密度场和浓度危险区域分布。

2.1 速度场

由图2可以看出，泄漏气体在最大轴中心处泄漏的速度最大，离轴越远速度降低越快。射流向上流动时，射流宽度逐渐增大，轴心处流速逐渐减小［8］。如表1所示，速度从泄漏口减小到60 m/s的径向距离随着硫化氢浓度的增大而减小。天然气中甲烷占的比重最大，且甲烷密度比空气小，当泄漏气体由小孔喷射进入大气后，由于受到大气的浮力作用，气体不断被抬升，速度不断的减小；天然气中硫化氢的密度大于空气，随着硫化氢浓度增大，气体向大气中扩散时所受负浮力增大，即阻力越大，所以其速度减小为60 m/s所需的径向距离也越小。

表1 速度从泄漏口减小至60 m/s时的径向距离Table 1 The radial distance that the velocity reduced to 60m/s from the leaking.

2.2 浓度危险区域

泄漏的天然气中含有一定浓度的CH4会导致爆炸，有毒气体H2S对人体和环境的危害性也特别大。H2S的浓度要控制在 20 mg以下，即小于 2×105kg/m3才算安全。甲烷的爆炸极限为5%～15%，小于0.035 85 kg/m3的浓度为安全范围。

图2 不同硫化氢浓度下的速度场Fig. 2 The velocity field under different concentration of hydrogen sulfide.

图3（a）显示的是甲烷的危险区域，图3（b）～（d）则是对硫化氢危险区域的呈现，由图3对比可知，硫化氢浓度为0 mg/L（仅含甲烷）时，模拟区域内的安全空间的比例最大(白色区域为危险区域)。危险空间区域随着硫化氢浓度的增大而增大，因为硫化氢浓度越高，危险系数就越大。泄漏气体中仅含甲烷时其扩散的危险区域远小于多组分天然气泄漏扩散时的情况，这说明在其他参数一定的情况下，天然气中硫化氢含量越高，其泄漏扩散时危险空间区域越大。

图3 不同硫化氢浓度下的危险区域Fig.3 The hazardous area under different concentration of hydrogen sulfide.

3 结 论

（1）同一截面上气体在泄漏喷射最大轴中心处泄漏的速度最大，离轴越远，速度降低越快；

（2）随着硫化氢浓度增大，气体泄漏速度降低到大小相同时所需喷射高度将减小；

（3）泄漏气体中仅含甲烷时其扩散的危险区域远小于多组分天然气扩散时的情况；

（4）在其他参数相同时，天然气中硫化氢浓度越高，其泄漏扩散时危险区域越大。

［1］ 何文渊，刘晖，杨灵雨．加快我国天然气工业发展的建议[J].天然气工业，2004，24(6)：4-7.

［2］ 丁信伟，王淑兰，徐国庆．可燃及毒性气体泄漏扩散研究综述[J].化学工业与工程，1999，16(2)：118-122.

［3］ 潘旭海，蒋军成．化学危险性气体泄漏扩散模拟及其影响因素[J].南京化工大学学报，2001，23(1)：19-21.

［4］ 张启平，麻德贤．危险物泄漏扩散过程的重气效益[J]. 北京化工大学学报，1998，25(3)：86-90.

［5］ 唐剑锋，蔡娜，郭清．LNG垂直喷射源连续泄漏扩散的模拟[J].化工学报，2013，64(3)：1125-1130.

［6］ 程猛猛，赵玲，吴明．架空天然气管道泄漏扩散数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2013，33(3)：33-34.

［7］ 朱红钧，林元华，谢龙汉．FLUENT流体分析及仿真实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.

［8］ 平浚．射流理论基础及应用[M]. 北京：宇航出版社，1995.