天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

0 引言

天然气是一种清洁高效能源，在工业生产及生活中广泛应用。随着天然气用量的急剧增加，天然气管道建设规模也越发庞大，天然气管道泄漏导致的燃烧爆炸，会对管道周围的人员生命财产安全产生严重威胁[1-4]。因此研究天然气管道泄漏扩散规律，了解环境中天然气浓度分布情况，对减少因天然气泄漏导致的燃烧爆炸事故发生尤为重要[5]。

国内外学者利用计算流体力学方法对气体管道泄漏情况开展了大量研究。GUPT[6]采用计算流体力学方法对比分析了变泄漏速率条件下天然气管道泄漏和扩散情况。周宁[7]利用数值计算方法采用k-ε湍流模型计算了不同环境风速和初始泄漏速度下石化管道中丁烷气体的泄漏情况，得到了环境风速和泄漏速率与爆炸危险区域面积的关系。

某电站厂区周围存在天然气管线，天然气管道泄漏产生的气体云团爆炸易对电厂建筑造成一定的破坏，而天然气泄漏爆炸的实验成本极高，难以实现。因此本文采用数值模拟方法，利用ANSYS fluent软件计算研究天然气管泄漏后气体浓度分布，为制定有效的风险防控方案提供支撑。

1 模型建立

1.1 网格划分

天然气管道与某电厂区域三维空间大小为5000m×3000m×2000m，包含泄漏管道、厂区建筑以及外部大气空间。根据物理模型进行计算域网格划分，为了提高计算精度，对泄漏管道及附近区域、厂区建筑进行网格加密，网格总数为82.64万，网格划分如图1所示。

图1 计算域整体网格

1.2 计算条件

本文主要研究天然气管道完全破裂情况下天然气泄漏扩散情况，管道泄漏直径设置为DN600，天然气管道初始压力为4MPa。天然气管道及电厂所在地年平均风速为2.1m/s，气象最不利条件风速为1.5m/s。天然气管道泄漏点上游2.3km和下游9.3km分别存在一个阀室和调压站，可以在发生泄漏68秒时刻将上下游阀门关断。天然气主要成分甲烷CH4，计算域入口为速度入口，地面为wall，其他边界均为压力出口。基于纳维斯托克斯组的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程构建数学模型，采用有限体积法进行求解。

2 数值模拟结果及分析

2.1 1.5m/s风速计算结果

按管道破裂后68s时刻关断情况进行计算，1.5m/s风速下，不同时刻6号、2号建筑进风口天然气浓度随时间变化情况如图2所示，其中0s时刻表示泄漏开始时刻。

由图2可知，1.5m/s风速情况下，泄漏事故发生后119.66s时刻天然气云团到达6号建筑进风口位置。泄漏事故发生后143.16s时刻6号建筑进风口天然气达到最高浓度，其瞬时最高浓度为0.08%，低于天然气的爆炸下限4%。6号建筑进风口为距离事故点最近的进风口，2号建筑进风口由于距离较远，在上述时段计算过程中捕捉到的天然气浓度非常小。泄漏事故发生后504.16s时刻天然气云团到达2号建筑进风口位置。泄漏事故发生后583.16s时刻2号建筑进风口天然气达到最高浓度，瞬时最高浓度为0.0000171%。

图2 1.5m/s风速时建筑进风口天然气浓度变化过程

分别选取20s、40s不同时刻观察三维空间天然气云团浓度分布，如图3所示。

图3 1.5m/s风速下不同泄漏时间云团浓度分布

由1.5m/s风速下不同时刻天然气云团浓度分布图可以看出，泄漏后的天然气云团呈狭长条状。这是由于管道内4MPa压力下裂口喷出的气流速度远大于环境风速，因此裂口附近天然气云团主要呈现向前运动趋势；随着距离的增加，云团速度不断衰减，远场云团运动方式主要呈现为环境风作用下的扩散模式。由于天然气比重小于空气，随着距离的增加，云团头部逐渐呈升高趋势，30s时刻天然气云团头部前锋阵面已经接近电厂区位置。

1.5 m/s风速下不同时刻4%和10%体积浓度等值面内包含的天然气质量如表1所示。

由表1可得，1.5m/s风速下，20s时刻4%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大，为13276.38kg，随后天然气质量逐渐降低。25s时刻10%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大，为838.38kg，随后天然气质量逐渐降低。

表1 不同时刻下4%和10%浓度等值面包含天然气质量（1.5m/s风速）

2.2 2.1m/s风速计算结果

上下游管道68s关断时，2.1m/s风速下，不同时刻6号、2号建筑进风口天然气浓度随时间变化情况如图4所示。

图4 2.1m/s风速时建筑进风口天然气浓度变化过程

2.1 m/s风速情况下，泄漏事故发生后经过105.16s天然气云团到达6号建筑进风口位置。经过128.66s进风口天然气达到最高浓度，瞬时最高浓度为0.11%，低于天然气的爆炸下限4%。6号建筑进风口为距离事故点最近的进风口，2号建筑进风口在上述时段计算过程捕捉到的天然气浓度非常小。泄漏事故发生后503.16s时刻天然气云团到达2号建筑进风口位置。泄漏事故发生后600.16s时刻2号建筑进风口天然气达到最高浓度，瞬时最高浓度为0.00000351%。

分别选取20s、40s不同时刻观察三维空间天然气云团浓度分布，如图5所示。

图5 2.1m/s风速下不同泄漏时间云团浓度分布

由2.1m/s风速下不同时刻天然气云团浓度分布图与爆炸下限等值面图可以看出，泄漏后的天然气云团形状整体与1.5m/s风速相似。相同时刻2.1m/s风速下云团前进距离比1.5m/s风速情况略远，30s时刻云团前锋阵面到达电厂区边缘位置。

不同时刻4%和10%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量如表2所示。

表2 不同时刻下4%和10%体积浓度下含天然气质量（2.1m/s风速）

由表2可得，2.1m/s风速下，25s时刻4%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大，为13379.08kg，随后天然气质量逐渐降低。25s时刻10%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大，为836.42kg，随后天然气质量逐渐降低。

3 结论

本文利用ANSYS Fluent软件对天然气管道泄漏进行数值模拟，计算并分析了不同风速条件下天然气的泄漏分布情况。在1.5m/s和2.1m/s风速时，4%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大的时间分别为20s和25s，天然气质量分别为13276.38kg和838.38kg，10%体积浓度等值面内包含的可燃天然气质量最大的时间均为25s，天然气质量分别为13379.08kg和836.42kg。