（中石化石油工程設(shè)計有限公司, 山東 東營 257026）

架空天然氣管道泄漏數(shù)值模擬

高 永 強

（中石化石油工程設(shè)計有限公司, 山東 東營 257026）

以計算流體力學(xué)軟件為基礎(chǔ)，利用組分輸運模型，建立了天然氣泄漏擴(kuò)散控制方程，對高含硫架空天然氣管道泄漏數(shù)值模擬，研究穩(wěn)態(tài)泄漏和非穩(wěn)態(tài)泄漏兩種情況。分析了風(fēng)速、重力、泄漏量、工況、輸送壓力等因素對天然氣泄漏后擴(kuò)散過程的影響，得到了硫化氫在不同工況下的擴(kuò)散規(guī)律及安全區(qū)域云圖。結(jié)合模擬結(jié)果，分析了高含硫天然氣的泄漏擴(kuò)散規(guī)律，得到了不同風(fēng)速條件對架空天然氣管道泄漏的影響，且其模擬結(jié)果可以為石油天然氣行業(yè)制定相關(guān)應(yīng)急預(yù)案及制定安全規(guī)章提供指導(dǎo)意義。

天然氣；泄漏；穩(wěn)態(tài)；非穩(wěn)態(tài)；數(shù)值模擬

天然氣是重要的清潔能源，是世界一次能源的三大支柱之一，2007年天然氣占世界一次能源消費總量的23.76%。近年來，在世界石油價格不斷攀升的推動下，天然氣勘探開發(fā)的速度明顯加快，其產(chǎn)量年均增長率為3.1%～3.4%，是石油產(chǎn)量增長率的3倍[1]。目前，世界管道總長度已超過了鐵路總里程，達(dá)到230多萬公里，其中輸氣管道占近60%[2]。對于長距離輸送油氣，管輸是最經(jīng)濟(jì)最高效的方式。但考慮到油氣的易爆、易燃和有毒等特點，發(fā)生事故易引起爆炸，污染和中毒等嚴(yán)重后果，尤其發(fā)生在人口稠密區(qū)，同時還會造成惡劣的社會和政治影響[3]。所以，含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬具有現(xiàn)實意義。

1 天然氣泄漏擴(kuò)散理論及硫化氫氣體危害

1.1 天然氣泄漏量

孔口泄漏和裂縫泄漏是天然氣管道泄漏主要的兩種方式，由于氣體具有可壓縮性，致使管道泄漏口附近一定范圍之內(nèi)的較長一段時期仍處于高危險區(qū)。泄漏口大小決定了天然氣管道泄漏事故危害等級，在分析過去的事故實例中發(fā)現(xiàn)，小孔徑泄漏事故比大孔徑泄漏事故發(fā)生的概率大得多。對于裂縫等不規(guī)則開孔的微小泄漏源可將其當(dāng)量為孔口出流情況進(jìn)行分析[4]。

假設(shè)天然氣以小孔出流方式泄漏，且泄漏過程為絕熱擴(kuò)散過程，則伯努利方程和絕熱方程可得到下列計算式：

實際上由于孔口摩阻損失的存在，泄漏速度往往小于理論值，需要對流速進(jìn)行修正，故得到的泄漏速度如下：

考慮到泄漏孔形態(tài)的多樣性，這里引入流出系數(shù)，對計算公式進(jìn)行修訂：

式中：Φ—為流速系數(shù)；

k—為絕熱指數(shù)；

Q—為體積流量。

1.2 硫化氫的危害

硫化氫是一種無色、劇毒、強酸性氣體，一旦高含硫化氫氣井發(fā)生井噴失控等造成含硫天然氣泄漏，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。曾經(jīng)，某油田的一口油井，在試油作業(yè)起電纜時發(fā)生井噴時空，高濃度硫化氫氣體大量噴出，致使7人死亡，數(shù)百人中毒，22.6萬人大疏散[5]。

2 架空管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

管線腐蝕穿孔是天然氣管道泄漏最常見的工況之一。文章以含硫天然氣管道泄漏為例，對短時穩(wěn)定泄漏和非穩(wěn)定泄漏過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析了地表風(fēng)速、管內(nèi)壓力對擴(kuò)散過程影響，得出模擬區(qū)域內(nèi)天然氣云團(tuán)的擴(kuò)散特性。由于甲烷和硫化氫的云圖分布規(guī)律具有相似性，故只給出了硫化氫質(zhì)量濃度安全區(qū)域云圖。

2.1 架空天然氣管道穩(wěn)態(tài)泄漏分析

2.1.1 穩(wěn)態(tài)泄漏擴(kuò)散控制方程

（1）物質(zhì)傳輸方程：

湍流脈動動能方程（K方程）

湍流動能耗散方程

湍流粘度方程：

其中：GK—平均速度梯度造成湍動能k產(chǎn)生項；

GB—浮力造成湍動能k產(chǎn)生項；

YM—可壓縮湍流脈動擴(kuò)張項；

C1ε，C3ε，Cμ—經(jīng)驗常數(shù)，分別為1.44，1，0.09。

（2）物質(zhì)擴(kuò)散方程：

其中：Si—第i種物質(zhì)速率；

Ji—第i種物質(zhì)質(zhì)量擴(kuò)散速率。

湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散：

其中：Sct—湍流施密特數(shù)。

2.1.2 邊界條件

天然氣入口邊界：velocity-inlet(速度入口)；

左側(cè)為風(fēng)速入口邊界:velocity-inlet(速度入口)；上側(cè)和右側(cè)邊界：pressure-outlet(壓力出口)。

2.1.3 穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

以某架空管道為例，該管道管外徑610 mm，計算段管道長間距5 km，起始壓力3.5 MPa，終端壓力3.35 MPa，輸量20×108m3/a，硫化氫含量20mg/L，外界環(huán)境溫度15 ℃，天然氣溫度26 ℃，泄漏口直徑10 cm，泄漏處位于管段中心，泄漏點處于人口稠密區(qū)。模擬區(qū)域定為100 m×100 m。經(jīng)折算，天然氣泄漏速度為213.42 m/s。

2.1.4 結(jié)果分析

由圖1分析可知：在泄漏口流速不變的情況下，隨著地表風(fēng)速的不斷增大，周圍硫化氫分布規(guī)律不同。一旦發(fā)生泄漏后，高含硫天然氣會以高壓射流的方式射向高空，近地面除泄漏口附近氣體濃度較高外，一定范圍內(nèi)非危險區(qū)。隨著風(fēng)速的增大，泄漏口處硫化氫不斷向順風(fēng)側(cè)飄移，氣體射出高度降低，受空氣阻力、重力和氣體濃度影響，導(dǎo)致泄漏氣體在下風(fēng)側(cè)一定位置處形成高濃云團(tuán)，近地面處危險區(qū)域增大。因此，在建立應(yīng)急預(yù)案時，應(yīng)予以考慮，提供相應(yīng)的解決方案。

圖1 天然氣以213.42 m/s速度泄漏，H2S質(zhì)量濃度安全區(qū)域云圖Fig.1 H2S concentration cloud security area during gas leak at 213.42 m/s speed

2.2 架空天然氣管道非穩(wěn)定泄漏分析

2.2.1 非穩(wěn)態(tài)泄漏擴(kuò)散控制方程

（1）物質(zhì)傳輸方程：

湍流脈動動能方程（K方程）

湍流動能耗散方程

湍流粘度：

其中：GK——平均速度梯度造成湍動能k產(chǎn)生項；

GB——浮力造成湍動能k產(chǎn)生項；

YM——可壓縮湍流脈動擴(kuò)張項；

C1ε，C3ε，Cμ—經(jīng)驗常數(shù)，分別為1.44，1，0.09。

（2）物質(zhì)擴(kuò)散方程：

其中： Si—第i種物質(zhì)擴(kuò)散速率；

Ji—第i種物質(zhì)質(zhì)量擴(kuò)散速率。

湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散：

式中：Sct為湍流施密特數(shù)。

2.2.2 邊界條件

天然氣入口邊界：velocity-inlet(速度入口)；左側(cè)為風(fēng)速入口邊界：velocity-inlet(速度入口)；上側(cè)和右側(cè)邊界：pressure-outlet(壓力出口)。

2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

本小節(jié)所研究的天然氣管道泄漏過程為管道穿孔后兩端氣源沒有截斷，管道繼續(xù)輸送天然氣。由于輸送壓力大，天然氣泄漏湍動能大，且實際中輸送會有壓力脈動，認(rèn)為泄漏時為非穩(wěn)態(tài)泄漏。研究含硫天然氣隨時間推移的泄漏規(guī)律。并分析了風(fēng)速對天然氣管道非穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散過程影響。泄漏速速仍為213.42 m/s。

2.2.4 結(jié)果分析

圖2 風(fēng)速0 m/s，泄漏1 s、5 s、10 s，H2S質(zhì)量濃度分布安全云圖Fig.2 H2S concentration distribution security cloud when wind speed 0 m/s, leak 1 s, 5 s, 10 s

圖3 風(fēng)速2 m/s，泄漏1 s、5 s、10 s，H2S質(zhì)量濃度分布安全云圖Fig.3 H2S concentration distribution security cloud when wind speed 2 m/s, leak 1 s, 5 s, 10 s

圖4 風(fēng)速5 m/s，泄漏1 s、5 s、10 s，H2S質(zhì)量濃度分布安全云圖Fig.4 H2S concentration distribution security cloud when wind speed 5 m/s, leak 1 s, 5 s, 10 s

由云圖2-4分析可知：天然氣管道泄漏后，如果沒有及時關(guān)閉閥門，天然氣繼續(xù)流動，則天然氣的非穩(wěn)態(tài)泄漏過程受風(fēng)速影響較大。當(dāng)?shù)乇頍o風(fēng)時，泄漏的天然氣會由泄漏口向上擴(kuò)散，泄漏1 s時，天然氣氣團(tuán)達(dá)到20 m左右高度；泄漏5 s時，天然氣氣團(tuán)達(dá)到65 m左右高度；泄漏10 s時，氣團(tuán)已經(jīng)超過了100 m高度范圍。隨著時間的推移，擴(kuò)散范圍不斷擴(kuò)大，而地面附近除了泄漏口附近一定區(qū)域范圍，沒有危險區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2 m/s時，泄漏1 s時，天然氣氣團(tuán)高度達(dá)到將近20 m，向下風(fēng)側(cè)有一個小角度的傾斜；泄漏時間達(dá)到5 s時，氣團(tuán)高度達(dá)到30 m左右，向下風(fēng)側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)散、傾斜；當(dāng)時間達(dá)到10 s時，氣團(tuán)高度已經(jīng)沒有明顯的增大了，泄漏天然氣進(jìn)一步向下風(fēng)側(cè)擴(kuò)散、傾斜，范圍已經(jīng)超過了50 m。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s時，泄漏時間為1 s時，天然氣氣團(tuán)擴(kuò)散高度將近20 m，傾斜程度相對于風(fēng)速2 m/s時幅度變大；當(dāng)泄漏時間為5 s時，泄漏氣團(tuán)達(dá)到25 m左右高度，天然氣在下風(fēng)側(cè)進(jìn)一步擴(kuò)散、傾斜，已經(jīng)超出了50 m的區(qū)域；當(dāng)泄漏時間為10 s時，氣團(tuán)高度已經(jīng)沒有進(jìn)一步上升了，而是繼續(xù)向下風(fēng)側(cè)飄移、擴(kuò)散。有風(fēng)速時，危險區(qū)域主要集中在近地面下風(fēng)側(cè)區(qū)域。針對模擬結(jié)果，可以看到，若要采取救援，在無風(fēng)時，應(yīng)帶好防毒面具，實施近地救援；當(dāng)有風(fēng)速時，應(yīng)在上風(fēng)側(cè)進(jìn)行救援，以降低危險隱患。

3 結(jié)論與建議

3.1 總結(jié)

針對架空含硫天然氣管道發(fā)生穿孔泄漏后的擴(kuò)散過程進(jìn)行系統(tǒng)分析[6]，建立了泄漏擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，并借助計算流體力學(xué)軟件進(jìn)行求解模擬計算，分析了不同工況下天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，主要結(jié)論如下:

（1）系統(tǒng)分析了風(fēng)速對天然氣泄漏擴(kuò)散的影響規(guī)律，結(jié)合多相流體力學(xué)、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)等相關(guān)理論知識，建立了架空天然氣管道泄漏后擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用有限體積法對模型偏微分方程組離散、轉(zhuǎn)化為總體有限元方程，同時加上邊界條件進(jìn)行求解方程。

（2）利用計算流體力學(xué)軟件對架空天然氣管道泄漏過程模擬計算，給出了硫化氫質(zhì)量濃度安全區(qū)域云圖，計算結(jié)果符合擴(kuò)散、著火爆炸理論，進(jìn)一步驗證了所建立的泄漏擴(kuò)散模型是正確的。

（3）架空天然氣管道泄漏后形成高壓射流，進(jìn)入大氣中開始迅速膨脹，濃度和速度逐漸減小，為高速噴射擴(kuò)散過程，且天然氣擴(kuò)散規(guī)律受到氣候條件因素的影響較大。

（4）影響天然氣擴(kuò)散規(guī)律的因素主要包括輸送壓力、泄漏速度、風(fēng)速、周圍環(huán)境大氣溫度、管道沿線地形、泄漏處位置等，不同因素對含硫天然氣擴(kuò)散影響程度不同。

（5）在重力作用下，各個組分會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，原因是多組分天然氣發(fā)生泄漏而擴(kuò)散時，重組分會發(fā)生下沉，含硫天然氣泄漏后，硫化氫氣體會在低洼地區(qū)發(fā)生沉積，造成人員中毒傷亡，使得危險性增大。

（6）為了有效防止天然氣泄漏后引起中毒、爆炸事故的發(fā)生，可以通過控制或人為改變某些因素，例如從擴(kuò)散和爆炸的影響因素著手，從而降低其危險性。

3.2 建議

天然氣管道泄漏擴(kuò)散和爆炸影響因素眾多，機(jī)理復(fù)雜，實驗研究還尚存一定的困難，為了進(jìn)一步的研究其擴(kuò)散規(guī)律和爆炸機(jī)理，提出以下幾點建議：

（1）本文所建立的天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型與實際工況下的泄漏擴(kuò)散過程有一定的差距，因為它是在一定的假設(shè)條件下建立的，為了進(jìn)一步提高模型的普遍適用性，則需要結(jié)合大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和實驗做進(jìn)一步的分析和研究，。

（2）由于天然氣是一種多組分混合物，其泄漏后與一般的工業(yè)氣體有較大的區(qū)別。天然氣管道發(fā)生泄漏后，各種因素疊加，錯綜復(fù)雜，受到氣候和地形等條件的綜合影響。雖然可以借助計算流體軟件進(jìn)行計算，但是受到物理模型抽象和假定一些因素不變所約束，還不能完全分析天然氣管道的實際狀況及多種因素綜合作用下的擴(kuò)散規(guī)律。

（3）可以根據(jù)本文的基礎(chǔ)條件，建立三維模型，進(jìn)一步對天然氣管道泄漏過程進(jìn)行模擬，在實踐中，還需要多多觀察、記錄，確定影響泄漏擴(kuò)散的主要因素，忽略次要因素，進(jìn)一步完善天然氣的泄漏擴(kuò)散模擬，要想完美的模擬出實際的擴(kuò)散情況，還有很多的工作需要做。

［1］賀永德．天然氣應(yīng)用技術(shù)手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］張其敏，孟江．油氣管道輸送技術(shù)[M]．北京：中國石化出版社，2008.

［3］楊莜蘅.油氣管道安全工程[M]．北京：中國石化出版社，2005.

［4］胡棟，龍屬川，吳傳謙．可爆性氣體爆炸極限和爆燃轉(zhuǎn)變成爆轟的研究[J]．爆炸與沖擊，1959，9(3)：266-275.

［5］易俊，王以朗，朱俊，謝代安．天然氣采輸作業(yè)硫化氫防護(hù)[M]．重慶：西南師范大學(xué)出版社，2010.

［6］朱紅鈞，林元華，謝龍漢．FLUENT流體分析及仿真實用教程[M]．北京：人民郵電出版社，2010.

Numerical Simulation on Leakage of Overhead Natural Gas Pipeline

GAO Yong-qiang
（Sinopec Petroleum Engineering Design Co., Ltd., Shandong Dongying 257026，China）

Based on the CFD software, making use of components transport models, the control equation of leakage and diffusion of natural gas was established, numerical simulation for leakage of overhead high sulfur natural gas pipeline was carried out, two conditions including steady-state leakage and unsteady-state leakage were studied. Effect of wind speed, gravity, leakage amount, working conditions, transport pressure and other factors on the diffusion process of natural gas after the leakage was analyzed, diffusion law and safe regional cloud of hydrogen sulfide in different working conditions were obtained. Combined with the simulation results, the diffusion law of high sulfur natural gas was analyzed, and effect of different wind speed on the leakage of natural gas was obtained, the simulation results can provide guidance on formulating related emergency plan and safe practice for oil and natural gas industry.

Natural gas; Leakage; Steady state; Unsteady state；Numerical simulation

TQ 018

： A

： 1671-0460（2014）04-0655-04

2013-10-14

高永強（1981-），男，河北石家莊人，研究方向：油氣儲運設(shè)計相關(guān)工作。E-mail：gaoyongqiang77@163.com。