付吉強，熊新強，王 蕓，楊志超，程 磊

（1. 中國石油工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062552; 2. 中石化勝利石油有限公司現(xiàn)河采油廠采油二礦王崗聯(lián)合站，山東 東營 257000）

架空含硫天然氣管道泄漏擴散數(shù)值模擬研究

付吉強1，熊新強1，王 蕓1，楊志超1，程 磊2

（1. 中國石油工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062552; 2. 中石化勝利石油有限公司現(xiàn)河采油廠采油二礦王崗聯(lián)合站，山東 東營 257000）

建立了架空管道泄漏擴散過程控制方程，并對架空管道發(fā)生穿孔時的穩(wěn)定泄漏和非穩(wěn)定泄漏過程進行數(shù)值模擬，分析了泄漏口流速，及風速對氣體擴散規(guī)律的影響，并給出了不同工況下甲烷的爆炸極限范圍及硫化氫中毒范圍，確定了實施營救的最佳時間。

天然氣；管道；泄漏；數(shù)值模擬

管線腐蝕穿孔是天然氣管道泄漏最常見的工況之一。原因在于管線外部常使用多孔易吸水的保溫材料，致使水分與鋼管進行長期電化學作用，表面出現(xiàn)銹蝕。加之天然氣成分中含有少量的硫化氫和水蒸氣，造成管道內壁化學腐蝕。長期的內外腐蝕使管壁變薄不能承受管內的高壓作用而出現(xiàn)穿孔泄漏[1-5]。

本章主要以含硫天然氣管道為例，對短時穩(wěn)定泄漏及切斷氣源的非穩(wěn)定泄漏過程進行數(shù)值計算，分析了地表風速，管內壓力對擴散過程的影響，通過數(shù)值計算，得出模擬區(qū)域內天然氣云團的擴散特性。對有效預測出甲烷爆炸危險區(qū)及硫化氫中毒危險區(qū)域范圍應對方案提出了理論依據(jù)。

1 架空輸氣管道穩(wěn)定泄漏數(shù)學模型

輸氣管道泄漏后，天然氣的擴散可認為是多組分氣體相互作用的湍流[6,7]。綜合考慮計算條件和工程要求，采用耦合隱式求解器，基本方程為定常Reynolds時均方程 ，湍流模型為標準 模型 。其控制方程可以給出一個統(tǒng)一的表達式：

其中：φ—變通變量;

?！獢U散系數(shù)；

u—速度矢量；

S—源項。

（注意這里的Γ和S是對應特定的變量Φ來說的）在通用的上面公式中，從左到右的4項分別是時間項、對流項、擴散項和源項。將Φ取為不同的變量，并取擴散系數(shù)和源項為適當?shù)谋磉_式，就可以得到，對應著連續(xù)方程、X方向動量方程、Y方向動量方程、湍流脈動動能方程、湍流能量耗散率方程、能量方程和組分方程，具體如表1[8]。

表中：F x，F(xiàn) v—x，y方向上的質量力分量；

μ—動力粘性系數(shù)；

p—壓力；

ρ—密度；

P—湍動能生成項；

μt—渦粘性系數(shù)；

T—溫度；

Cu，σk，σε，C1和C2—湍流模型經(jīng)驗系數(shù)。需要補充氣體狀態(tài)方程封閉方程組p=p（ρ，T）聯(lián)立求解。

表1 統(tǒng)一方程分量形式對應參數(shù)Table 1 Weight forms corresponding to the parameters of a unified equation

2 數(shù)值模擬及結果分析

以某架空集輸管道為例，管徑610 mm，計算管長間距5 km，上游起點壓力3.5 MPa，下游終點壓力3.35 MPa，天然氣年均輸送量20×108m3，硫化氫含量較高，為20 mg/L，外界環(huán)境平均溫度16 ℃，天然氣平均溫度26 ℃，泄漏口直徑10 cm，泄漏發(fā)生在管段中心位置，模擬區(qū)域為100 m×100 m。所研究的天然氣管道泄漏過程為管道穿孔后兩端氣源立即截斷，管內氣壓在10 s后與外界大氣壓平衡的非穩(wěn)定泄漏過程，并分析了風速對天然氣穩(wěn)定與非穩(wěn)定泄漏擴散過程的影響。

2.1 數(shù)值模擬及結果分析

2.1.1 泄漏口流速及地表風速對天然氣穩(wěn)定擴散的影響

圖1 硫化氫體積濃度分布云圖Fig.1 Contours of the H2S Volume concentration

由圖1、2分析可知：在泄漏口流速不變的情況下，隨著地表風速的不斷增大，硫化氫和甲烷在大氣中的分布規(guī)律不同，由于架空管道無土壤孔隙的束縛，發(fā)生泄漏后，天然氣會以高壓射流的形式射向高空，近地面除泄漏口附近氣體濃度較高外，一定范圍內無危險區(qū)。受空氣阻力和氣體濃度的影響，使天然氣湍動能減低，從而導致高壓氣體在距地表一定位置處開始形成高濃云團，且高濃云團的位置隨風速的增大而不斷偏轉和上移，當風速達到5 m/s時，云團位置已經(jīng)超過了100 m×100 m的計算區(qū)域；在其他條件不變的情況下，隨著泄漏口流速的增大，高壓氣體湍動能增強，射流距離增大，風速在改變氣體擴散方向時明顯減弱。此時的高濃度云團位置更高。從硫化氫和甲烷的濃度分布來看，硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。

圖2 甲烷體積濃度分布云圖Fig.2 Contours of the CH4 Volume concentration

2.1.2 地表風速對天然氣非穩(wěn)定擴散的影響

圖3-6分別給出了架空天然氣管道非穩(wěn)定泄漏擴散過程甲烷、硫化氫爆炸及中毒危險區(qū)域云圖。分析可知：當天然氣管道泄漏后，由于發(fā)現(xiàn)及時，泄漏段兩端氣源迅速切斷，形成了非穩(wěn)定泄漏過程，在此期間，管內壓力不斷降低，當內外壓力相同時，泄漏停滯，本文研究的天然氣泄漏時間為10 s,泄漏速度呈線性變化。

由圖3、4可知：當?shù)乇頍o風時，短時泄漏，地表聚集大量的燃氣，隨著泄漏時間的增加，泄漏速度不斷降低，湍動能減弱，致使高濃燃氣主要聚集在地表，且在地表氣體不斷上升的過程形成了一個小的云團，云圖在濃度梯度的作用下，不斷擴散，10 s之后，泄漏停滯，此后氣體主要以擴散方式進行輸運，泄漏25 s后，硫化氫危險區(qū)域主要分布在左側地表附近位置，而甲烷此時最大體積含量0.36%，低于爆炸極限以下，可以實施救援。

圖3 不同時刻硫化氫體積濃度分布云圖（地表無風）Fig.3 Volume concentration of H2S at different time contours（No wind）

圖4 不同時刻甲烷體積濃度分布云圖（地表無風）Fig.4 Volume concentration of CH4 at different time contours（No wind）

圖5 不同時刻硫化氫體積濃度分布云圖（地表風速5 m/s）Fig.5 Volume concentration of H2S at different time contours(Wind speed 5 m/s)

圖6 不同時刻甲烷體積濃度分布云圖（地表風速5 m/s）Fig.6 Volume concentration of CH4 at different time contours(Wind speed 5m/s)

如圖5、6而對于有風的情況，天然氣泄漏擴散過程差異較大，泄漏初期，由于泄漏口流速較快，加之速速較大，整個計算區(qū)域壓力波動加大，且風速較大區(qū)域壓強小，致使初期左側形成高濃區(qū)，隨著泄漏時間的延長，泄漏速度迅速降低，湍動能減弱很快，受風速的影響，高濃云團開始右移，并被風分割為兩個較小的高濃區(qū)，泄漏10 s后，地表已經(jīng)無燃氣供給，輸運方式主要以擴散為主，25 s后地表已經(jīng)無任何有害氣體，此時，硫化氫的中毒區(qū)域分布在高空40~80 m處，甲烷濃度已低于爆炸極限。從硫化氫和甲烷的分布規(guī)律來看，硫化氫的危險區(qū)域明顯大于甲烷的危險區(qū)，故此，對于含硫天然氣而言，一定要考慮硫化氫不同時刻的分布狀態(tài)。

4 結 論

本文采用CFD方法對架空天然氣管道發(fā)生泄漏擴散進行了數(shù)值模擬，得出一下幾點結論：

（1）從穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)泄漏硫化氫和甲烷的體積濃度分布云圖來看，硫化氫的危險區(qū)域明顯大于甲烷的危險區(qū)，故此，對于含硫天然氣而言，一定要考慮硫化氫不同時刻的分布狀態(tài)。

（2）架空天然氣管道非穩(wěn)定泄漏擴散，當?shù)乇頍o風時，短時泄漏，地表聚集大量的燃氣，隨著泄漏時間的增加，泄漏速度不斷降低，10 s之后，氣源切斷泄漏停滯，此后氣體主要以擴散方式進行輸運，泄漏25 s后，硫化氫危險區(qū)域主要分布在左側地表附近位置，而甲烷此時最大體積含量0.36%，低于爆炸極限以下，可以實施救援。

（3）在考慮風速的影響下，架空天然氣管道發(fā)生泄漏10 s后，由于氣源切斷地表已經(jīng)無燃氣供給，由于大氣浮力的作用，泄漏的天然氣向大氣上空擴散，25 s后地表已經(jīng)無任何有害氣體，此時，硫化氫的中毒區(qū)域分布在高空40~80 m處，甲烷濃度已低于爆炸極限?？梢詫嵤┚仍?/p>

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Numerical Simulation of Leakage and Diffusion of Overhead Sour Gas Pipelines

FU Ji-qiang1，XIONG Xin-qiang1，WANG Yun1，YANG Zhi-chao1，CHENG Lei2
（1. China Pertoleum Engineering North China Company, Hebei Renqiu 062552，China; 2. Sinopec Shengli Oilfield Limited Company Xianhe Oil Production Plant, Shandong Dongying 257000，China）

A leakage and diffusion equation of overhead pipelines was established, and stable and unstable leakage processes when gas pipeline perforated were simulated. The flow rate of leakage was analyzed as well as effect of wind speed on the gas diffusion. The explosion limit of methane and poison range of hydrogen sulfide under different conditions were given, which is beneficial to determine the optimal time to implement rescue.

Natural gas; Pipe; Leakage; Numerical simulation

TQ 019

A

1671-0460（2011）10-1079-05

2011-08-17

付吉強（1987-），男，黑龍江牡丹江人，助理工程師，碩士研究生，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：天然氣管道泄漏數(shù)值模擬。E-mail：fjq127@126.com。