架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

2016-03-18高良军吴渺渺浙江海洋学院石化与能源工程学院浙江舟山316022沈阳出入境检验检疫局辽宁沈阳110016

中国水运 2016年2期

高良军　吴渺渺（1.浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江舟山316022；2.沈阳出入境检验检疫局，辽宁沈阳110016）

架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

高良军吴渺渺
（1.浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江舟山316022；2.沈阳出入境检验检疫局，辽宁沈阳110016）

摘要：在天然气管道集输过程中，经常会因为由于管道老化、腐蚀等因素而引起的泄漏事故，从而间接地引起穿孔泄漏后的天然气扩散，以致很可能会引发火灾、中毒甚至爆炸事故。本文建立了架空管道泄漏扩散过程控制方程，并对架空管道发生穿孔时的稳定泄漏过程进行数值模拟，分析了风速对气体扩散规律的影响，得到了甲烷、硫化氢在一定风速影响下的扩散规律，以及甲烷和硫化氢的浓度分布规律，为有效预测高含硫天然气泄漏扩散的影响范围提供了依据。研究结果对于认识高含硫天然气泄漏扩散规律，以及了解相关安全事故的预警和救援知识具有一定的指导意义。

关键词：含硫天然气管道；泄漏扩散；风速；数值模拟

天然气管道发生泄漏扩散是输气管道事故危害的根本原因。管线腐蚀穿孔是天然气管道泄漏最常见的工况之一。

本文以含硫天然气管道为例，对短时稳定泄漏过程进行数值计算，利用CFD软件对架空天然气管道发生泄漏时，风速对气体扩散规律进行研究，通过相关的数值计算，得出模拟区域内天然气云团的扩散特性。对有效预测甲烷爆炸危险区及硫化氢中毒危险区域范围，提出应对方案，以及为天然气的安全输送及环境保护提供了一定的理论依据。

1　模型的建立

1.1数学模型的建立

天然气在泄漏过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。控制方程如下：

能量方程

1.2泄漏扩散控制方程

在这里，含硫天然气的扩散可认为是多组分气体相互作用而形成的湍流。通过综合考虑计算条件和工程要求，采用耦合隐式求解器，它的基本方程为定常Reynolds时均方程。鉴于高压管道泄漏初速度很大，故选用湍流模型中的可实现模型。

湍流脉动动能方程（k方程）：

式中，Gk为平均速度梯度引起的湍流动能产生项；Gb为浮力引起的湍流动能产生项；Ym为可压缩湍流中脉动扩张贡献；为湍动黏度，Pa·s。

2　风速对含硫天然气泄漏扩散的影响

2.1几何模型及边界条件设置

以某架空集输管道为例，管径610 mm，计算管长间距5 km，上游起点压力3.5 MPa，下游终点压力3.35 MPa，天然气年均输送量20×108m3，硫化氢含量较高，取为20 mg/L，设计工作天数按350天计算，外界环境平均温度16℃，天然气平均温度26℃。

取一个足够大且包含泄漏区域以及扩散区域的空间，高100m、泄漏半径为50m，研究天然气在此空间的泄漏情况。泄漏口采用二维孔口模型，口径为10cm，模拟左侧风速为0、2m/ s、5m/s和8m/s四种情况下的天然气泄漏扩散规律。

高速气流经由泄漏口喷射出，在泄漏口上方一定高度内的速度梯度较大，因此有必要将计算区域划分几块，且泄漏口上方的区域需要网格细化。

由泄漏管道的二维模型可知，整个计算区域划分为三块，具体的物理模型如下图：

图2.1　架空天然气管道泄漏物理模型

由于本例涉及到泄漏扩散问题，所以应该采用组分输运模型，模拟稳态情况下的气体泄漏过程，迭代次数1000歩，除了能量的迭代收敛标准为0.000 001外，其他各个变量的计算迭代收敛标准为0.001。边界条件：管壁为壁面，泄漏口和左侧风入口为速度入口，其他为压力出口。

泄漏口及管内气体泄漏初始速度213.42 m/s，天然气中甲烷体积分数93.5%，H2S 体积分数6.5%，甲烷的爆炸范围是5% ~15%（体积分数），H2S中毒下限体积分数6.5×10-4。

2.2数值模拟及结果分析

2.2.1不同风速下气体扩散过程模拟结果

本文通过FLUENT软件计算，利用GAMBIT建立模型、划分网格。采用FLUENT中组分输运模型，基于压力的求解器(pres⁃sure-based solver)，使用标准κ-ε模型求解定常状态下的紊流问题。

因为喷射出来的天然气与周围大气环境之间存在着很大的压差，所以压力将在很短的距离里就与环境达到平衡，并且这个过程所需要的时间很短，对整个计算域影响不大，这也就可以将重点放在分析天然气泄漏扩散时甲烷和硫化氢的浓度场分布情况上。本文利用等值线图显示天然气中各组分的浓度场分布情况如图2.2-2.9所示。

甲烷在不同风速情况下的浓度场分布情况如下图：

图2.2　无风条件下甲烷扩散情况　

图2.3　风速为2m/s时甲烷扩散情况

图2.4　风速为5m/s时甲烷扩散情况　

图2.5　风速为8m/s时甲烷扩散情况

硫化氢在不同风速情况下的浓度场分布情况如下图：

图2.6　无风条件下硫化氢扩散情况

图2.7　风速为2m/s时硫化氢扩散情况

图2.8　风速为5m/s时硫化氢扩散情况

图2.9　风速为8m/s时硫化氢扩散情况

2.2.2不同风速下气体扩散规律分析

由图2.2、2.6分析可知无风的情况下：

由于架空管道无土壤空隙的束缚，发生泄漏后，天然气会以高压射流的形式射向高空，浓度等值线在气体出口附近比较密集，运动到一定高度后，变得较为稀疏。泄漏口附近甲烷和硫化氢浓度非常大，但扩散分布的范围较小，近地面除泄漏口附近气体浓度较高外，一定范围内无危险区。由于天然气与空气存在密度差，天然气很快扩散开，随着扩散的向前推进，使天然气湍动能减低，天然气的分布区域逐渐变大，浓度衰减很快，从而导致高压气体在距地表一定位置处开始形成云团。

在射流轴心线上距离泄漏口45m的地方甲烷体积分数衰减到5%，距离泄漏口55m的地方硫化氢体积分数衰减到0.065%。这不仅仅是初速度的原因所致，天然气的扩散还受到粘性力、浮力、甲烷本身重力等因素的影响。

对比图2.3、2.7和图2.2、2.6分析，当有v=2m/s风速时，天然气的泄漏流向发生变化，且高空的云团也显著缩小，并且在距离泄漏口20m的空中，甲烷和硫化氢的浓度都显著增到，体积分数分别达到了15%和1.14%，在此浓度范围也形成了一片云团。

分析图2.4、2.5，当有v=5m/s和v=8m/s风速时，天然气的泄漏流向发生明显变化，高空的云团也消失，并且随着风速的增大，甲烷和硫化氢的浓度扩散越不显著，烟云高度降低，即风速越大，高空中的甲烷和硫化氢浓度越小；风速为8m/s时，距离泄漏口60m的空中，甲烷和硫化氢的浓度变得非常小，对大气环境和人体的影响也很小。

由图2.2-2.9还可分析出架空天然气管道稳定泄漏扩散过程中甲烷、硫化氢爆炸及中毒危险区域。由于甲烷爆炸范围是5% ~15%（体积分数），当甲烷浓度低于5%的时候，达不到爆炸极限，而且在大气中很快就被稀释到更低的浓度，对大气环境和人体的影响很小，危险性也很小。当硫化氢的浓度达到0.065%时，人呼吸到就会中毒。云图中用等值线分别标示出了甲烷体积分数为0.05-0.15以及硫化氢体积分数大于0.00065的区域。从硫化氢和甲烷的浓度分布来看，硫化氢中毒范围要大于甲烷气体的爆炸范围。

3　结论

天然气泄漏扩散是一个复杂过程，这个过程受风速、地表、泄漏源位置及泄漏气体压力、密度等多因素共同作用，所以这种扩散是一个综合效应。本文利用模拟方法，得到了下列结果：在天然气扩散时，甲烷受正浮力作用，它总能到达计算区域的顶部；受重气扩散时沉积卷积效应的影响，高含硫天然气泄漏扩散时近地面的横向污染距离加大，烟云高度降低，增加了抢险救灾的难度；高含硫天然气在有风作用时，低空由于泄漏口附近射流速度和梯度都很大，扩散受风速影响很小，随着高度增加，受风速影响加大；并且硫化氢中毒范围要大于甲烷气体的爆炸范围。

鉴于本文是基于架空天然气管道泄漏扩散的CFD二维数值模拟，所以要想得到实效性更强，更为精确可靠的模拟结论，建议：①对于网格的划分上做的更细致；②采用三维数值模拟；③运用更为精确的运算模型进行迭代；④迭代收敛精度的设定可设定的更小些。

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