楊 志 國(guó)

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大慶市區(qū)天然氣管道泄露后果模擬及防火安全對(duì)策

楊 志 國(guó)

（大慶市公安消防支隊(duì)， 黑龍江 大慶 163000）

天然氣作為清潔能源，廣泛的應(yīng)用在城市生活及工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，但從消防安全工作方面，有必要對(duì)天然氣管道的安全運(yùn)行情況進(jìn)行研究。結(jié)合大慶天然氣運(yùn)輸管道，利用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT模擬天然氣管道在運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏后的擴(kuò)散情況，在相對(duì)理想的情況下得到一些數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)提出幾點(diǎn)合理化消防安全對(duì)策，希望有助于消防安全工作。

天然氣；數(shù)值計(jì)算；消防安全

我國(guó)天然氣儲(chǔ)量十分豐富，目前天然氣剩余可采儲(chǔ)量2萬億m3，位居世界第15位。天燃?xì)馀c石油能源和煤炭能源相比，是比較好的清潔能源，也是世界上一次性消費(fèi)能源中最重要的能源。目前天燃?xì)廨斔蛷V泛采用高壓輸氣管線，輸氣管線由于施工人員不慎、腐蝕造成穿孔、設(shè)備老化等原因，會(huì)造成高壓天然氣管道的泄漏，一旦發(fā)生泄漏，天然氣與空氣混合后遇點(diǎn)火源很容易發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故。本文基于對(duì)天然氣高壓輸氣管線泄露的數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)天然氣高壓管線泄漏之后的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行探究，并提出針對(duì)性的防火安全對(duì)策。

1 模型建立

1.1 模擬條件

大慶油田天然氣儲(chǔ)運(yùn)二隊(duì)，一條集氣管線為模擬對(duì)象，該管線位于保田村，其周圍環(huán)境為：天然氣管道兩側(cè)居民房屋在管道中心線5 m以內(nèi)；管道在穿越臥龍路40 m后轉(zhuǎn)向正東敷設(shè)約1 000 m，管道距平房區(qū)距離約5 m，距商服樓區(qū)約15 m。

1.2 物質(zhì)傳輸與擴(kuò)散模型

由于物質(zhì)擴(kuò)散過程中存在分子間粘性作用，變準(zhǔn)湍流模型忽略了這一點(diǎn)，而紊流模型中恰恰能充分補(bǔ)充這一不足，在求解平面射流和圓孔射流時(shí)精度較高，且求解高壓力梯度、分離速度等條件下的涉及旋轉(zhuǎn)、邊界層問題也有非常高的精度。因此，該條件下適用下面紊流方程：

方程：

其中：—湍流動(dòng)能，J；

—耗能率；

1ε、C2ε、3ε、1ε、1、0、σ、σ—常數(shù)；

G—因速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能源項(xiàng)；

G—因浮力產(chǎn)生湍流動(dòng)能源項(xiàng)；

M—在可壓縮中波動(dòng)擴(kuò)張引起的耗散項(xiàng)；

ν—運(yùn)動(dòng)粘度，㎡/s。

式中：—速度矢量，m/s；

—密度，kg/m3；

—合外力，N；

eff—有效湍流粘度，Pa·s；

μ—湍流粘度，Pa·s。

1.3 邊界條件和初始條件

現(xiàn)假設(shè)其管道表面由于腐蝕產(chǎn)生泄漏,小孔的直徑為5 mm；輸送介質(zhì)為干氣，管道的實(shí)際輸送能力為80×104m3/d;設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa;運(yùn)行壓力1.0 MPa,管徑為630 mm,管道內(nèi)徑為595 mm，長(zhǎng)度為100 m。其余室外常量均取大慶地區(qū)平均量，如輸氣溫度4.2 ℃，質(zhì)量流量6.375 kg/s,風(fēng)速為3.8 m/s，大氣穩(wěn)定度為F級(jí)。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬

利用數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT，選用紊流模型，進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)管道中某點(diǎn)泄漏之后擴(kuò)散情況得出如下幾個(gè)圖，1、5、10 min后，天然氣管道周圍天然氣濃度情況如圖1、2、3所示。

圖1 1 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

圖2 5 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

由以上模擬結(jié)果我們可以總結(jié)出，在擴(kuò)散1 min中，泄漏點(diǎn)形成紊流之后，天然氣在外界的風(fēng)及氣溫作用下，形成圖1右的數(shù)據(jù)，甲烷的擴(kuò)散趨勢(shì)在管壁處向外10 m遞增，且在10 m左右濃度最大，最為危險(xiǎn)，在10 m之外濃度遞減。因此可以看出，在天然氣泄漏1 min之后，10 m處濃度最大，在5%~15%之間，最易引起爆炸。在泄漏出現(xiàn)1 min的時(shí)候，我們可以通過圖1左看出，天然氣的擴(kuò)散速率，依然在10 m左右處最大，并且應(yīng)該還會(huì)存在向更遠(yuǎn)處擴(kuò)散的趨勢(shì)。此時(shí)，危險(xiǎn)范圍近在10 m左右，如此時(shí)有適當(dāng)?shù)奶幚磙k法，損失會(huì)最小，且也較容易處理。

數(shù)值計(jì)算軟件，選用擴(kuò)散紊流模型，計(jì)算天然氣管道泄漏5 min時(shí)候，甲烷濃度及天然氣速率為圖2所示。如圖2可以看出，在風(fēng)速、室溫一由定的情況下，延續(xù)1 min時(shí)候的計(jì)算結(jié)果，甲烷濃度最大點(diǎn)還在10~20 m之間，而甲烷的擴(kuò)散范圍大大的增大到50 m。最大的濃度還是在10 m左右，但橫向傳播較快，在泄漏點(diǎn)20 m左右，這一范圍內(nèi)濃度最大，最容易出現(xiàn)爆炸及火災(zāi)。

天然氣的擴(kuò)散速率示意圖如圖2左，我們可以看出在5 min的時(shí)候，天然氣擴(kuò)散較快，其甲烷的擴(kuò)散范圍與天然氣的大體擴(kuò)散范圍不一樣的原因是由于分子量的不同造成其擴(kuò)散速率的不同，在5 min時(shí)候，天然氣在80 m范圍內(nèi)均有出現(xiàn)，并且濃度還有增加的趨勢(shì)，但其中易燃易爆的甲烷主要在30 m以內(nèi)，所以此時(shí)只要做好30 m內(nèi)的安全工作，不出現(xiàn)點(diǎn)火源，就不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)爆炸等重大危險(xiǎn)事故，而此時(shí)如果采取措施控制住泄漏，危險(xiǎn)也會(huì)馬上降低，在空氣中的甲烷含量會(huì)隨著時(shí)間慢慢得到稀釋。

由圖3左可以看出，在10 min的時(shí)候泄漏的甲烷在50 m以內(nèi)都已經(jīng)出現(xiàn)，而在40 m以內(nèi)的濃度高達(dá)20%左右，均已高出5%~15%，非常危險(xiǎn)，此時(shí)如果有明火出現(xiàn)，或者其他相應(yīng)的點(diǎn)火源，極容易引起爆炸，后果不堪設(shè)想。在圖3右我們可以看出，在泄漏累積十分鐘的時(shí)候，天然氣的高速率已經(jīng)在80 m以內(nèi)出現(xiàn)，此時(shí)的擴(kuò)散趨勢(shì)還是在向更遠(yuǎn)處擴(kuò)散。

圖3 10 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

2.2 結(jié)果分析

通過以上三圖我們可以看出，隨著時(shí)間的增加，泄漏的天然氣高速率在向更遠(yuǎn)處傳播，而甲烷的濃度還是在40 m以內(nèi)，這就告訴我們40 m以內(nèi)是10 min泄漏的安全范圍，如果40 m以內(nèi)出現(xiàn)火源、熱源等，就會(huì)發(fā)生爆炸或火災(zāi)。

3 防火安全對(duì)策

3.1 泄漏事故補(bǔ)救對(duì)策

由以上結(jié)算結(jié)果可以看出，在1 min后，10 m范圍內(nèi)如果及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄露，做出反應(yīng)，泄漏被控制，天然氣擴(kuò)散的范圍也會(huì)縮小，危險(xiǎn)范圍也僅在10 m內(nèi)。因此，基于對(duì)計(jì)算結(jié)果的預(yù)測(cè)，我們建議在管道10 m范圍內(nèi)安裝預(yù)警裝置，該裝置一旦探測(cè)出泄漏高濃度天然氣，立即向天然氣管道調(diào)度室報(bào)警，調(diào)度人員派人切斷泄露點(diǎn)的氣源，并且向消防部門報(bào)警，要求出警控制周圍環(huán)境，及時(shí)采取防范措施。

通過計(jì)算可知，在5 min鐘時(shí)候，天然氣中甲烷擴(kuò)散到50 m左右，但高濃度的甲烷還是在20 m以內(nèi)。如果按照上文提到，及時(shí)處置，且關(guān)閉天然氣管道輸氣閥門，那么20 m范圍內(nèi)不出現(xiàn)火源，等待有關(guān)人員達(dá)到處置，泄漏事故損失可以降到最低。

在泄漏10 min后，我們可以看到高濃度還是在40 m以內(nèi)，且擴(kuò)散范圍較5 min時(shí)候大很多，此時(shí)按照理想狀態(tài)下，處置人員應(yīng)及時(shí)趕到，對(duì)人員進(jìn)行疏散，控制火源，采取降低濃度等措施，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行處理，防止由于老化、腐蝕而泄漏的管道進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2 日常防火工作

以上均是以理想狀態(tài)下，安裝報(bào)警裝置后，裝置正常工作，有關(guān)處置人員在行駛路況正常，天氣正常情況下及時(shí)趕到進(jìn)行的處置措施。但在日常維護(hù)及預(yù)防的工作中，要做到以下幾點(diǎn)，力爭(zhēng)出現(xiàn)泄漏時(shí)候及時(shí)反應(yīng)，能有效控制事故的發(fā)生：

(1)對(duì)使用的設(shè)備，必須嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。管線連接盡量采用焊接,并按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在完工驗(yàn)收時(shí)候，質(zhì)監(jiān)人員要做好驗(yàn)收檢查工作。

(2)設(shè)置可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警裝置及泄漏自動(dòng)切斷氣源裝置，并設(shè)置與管道調(diào)度及應(yīng)急救援單位通信設(shè)施，做到及時(shí)反應(yīng)。

(3)嚴(yán)格控制火源。在規(guī)定范圍定期檢查火源情況，防止在泄露時(shí)候出現(xiàn)點(diǎn)火源，引起爆炸或火災(zāi)。

(4)在安全范圍內(nèi)要有一定監(jiān)控裝置，時(shí)刻監(jiān)控天然氣擴(kuò)散速度，為救災(zāi)滅火提供理論依據(jù)。天然氣流量?jī)x及信號(hào)傳輸裝置的選取，建議選用耐寒型，在距離河流湖泊較近的地方要選取防水型。

4 結(jié)束語

本文在選用紊流模型對(duì)天然氣管道泄漏進(jìn)行研究，總結(jié)出了三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的管道泄漏后，擴(kuò)散范圍及趨勢(shì)。在計(jì)算過程中選用大慶地區(qū)平均氣溫及具有代表性的風(fēng)速，該計(jì)算結(jié)果也具有代表性，可以為大慶地區(qū)天然氣管道泄漏提供理論依據(jù)。由于環(huán)境變換的復(fù)雜性，計(jì)算也存在一定的不足，借鑒以上計(jì)算結(jié)果的科研人員，可根據(jù)某些變量進(jìn)行修改計(jì)算。

在泄漏事故發(fā)生后，筆者探究在理想狀態(tài)下，如何進(jìn)行補(bǔ)救，如何控制火災(zāi)的發(fā)生，在此提出兩點(diǎn)建議：

（1）預(yù)警裝置要選用先進(jìn)的濃度監(jiān)控裝置，并能滿足與油田天然氣管道監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

（2）由于黑龍江自然環(huán)境較為惡劣，夏季炎熱，冬季寒冷，管道常年暴露在野外環(huán)境，泄漏事故很容易發(fā)生，定期對(duì)管道進(jìn)行檢查，及早發(fā)現(xiàn)管道的不安全狀態(tài)，進(jìn)行有效維護(hù)，泄漏事故可以減少發(fā)生，安全事故也會(huì)相應(yīng)減少。

［1］趙會(huì)軍.成品油管道順序輸送特性研究[D].北京:中國(guó)石油大學(xué)(北京),2001.

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［4］喬偉彪,馬貴陽,杜明俊,等.U型管內(nèi)成品油順序輸送混油數(shù)值模擬[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2011,30(10):755-760.

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Consequence Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage Accident in Daqing City and Fire Safety Countermeasures

（Daqing City Public Security Fire Control Team，Heilongjiang Daqing 163000，China）

Natural gas as a clean energy is widely used in various fields of industrial production and city life. In order to ensure the fire safety, it’s necessary to study the safety operation of natural gas pipeline. In this paper, combined with running conditions of Daqing natural gas transportation pipelines, calculation software FLUENT was used to simulate the diffusion process after the natural gas pipeline leakage, some data in relatively ideal circumstances were obtained, and some reasonable fire safety countermeasures were put forward according to the data.

Natural gas; Numerical calculation; Fire safety

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1109-03

2014-04-10

楊志國(guó)（1967-），男，黑龍江安達(dá)人，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)有機(jī)化學(xué)專業(yè)，研究方向：從事消防監(jiān)督檢查工作。E-mail：dqsgajxfc@126.com。