杜 娟, 吳 琦, 杜 強

（1. 貴州燃氣熱力設(shè)計有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550004； 2. 中煤科工集團重慶設(shè)計研究院， 重慶 400016）

隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，天然氣作為當代能源重要組成部分之一，其開發(fā)與利用已成為越來越多國家及地區(qū)的重中之重。一波又一波的以覆蓋主要天然氣應(yīng)用區(qū)域為目的的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高潮正開展而來。天然氣門站是設(shè)在長距離輸氣管線與城市燃氣輸配系統(tǒng)交接處的綜合型站場，它包括燃氣凈化、調(diào)壓、計量等設(shè)備及其配套附屬設(shè)施。門站將來自長距離輸氣管線的天然氣，先經(jīng)過濾器清除其中機械雜質(zhì)，然后通過調(diào)壓器、流量計進入城市燃氣輸配系統(tǒng)。天然氣工藝設(shè)施與石油工藝設(shè)施相比，壓力更高、泄漏后危害更大，因此，更應(yīng)該引起相關(guān)技術(shù)人員的重視。門站內(nèi)通常有控制室、變配電室、辦公室、休息間等建筑物。天然氣工藝裝置一旦發(fā)生腐蝕破壞、開裂等情況，天然氣的泄露將對站內(nèi)乃至站外的人員財產(chǎn)形成威脅。運用計算機及計算流體力學(xué)數(shù)值計算軟件對門站內(nèi)天然氣工藝設(shè)施損壞后的擴散進行仿真能較為準確預(yù)測天然氣裝置的泄露擴散，及其對門站內(nèi)部主要設(shè)施的影響。以便對門站的設(shè)計及泄露事故搶險處置方案提供有力的理論支撐。

1 研究現(xiàn)狀

上世紀末,國內(nèi)外已經(jīng)開展了對有毒有害氣體泄露方面的研究。Arnaldos[1]引用小孔泄漏率模型分析計算了氣體擴散。魏利軍[2]數(shù)值計算了泄漏的全過程，計算得到整個泄露空間的氣體分布情況和速度場。潘旭海[3]研究了不同的外界環(huán)境下的氣體擴散過程。Young[4]通過化簡，建立管道小孔泄漏率算法模型。張文艷[5]針對各種風(fēng)速影響并結(jié)合現(xiàn)場實際計算了天然氣泄露及其分布。劉中良[6]應(yīng)用熱力學(xué)和氣體動力學(xué)理論，結(jié)合理想氣體方程，研究分析天然氣的泄漏過程，給出了在臨界泄漏階段與亞臨界泄漏階段的泄漏速率計算公式。姜煥勇[7]以某天然氣分輸站場為例，采用定量風(fēng)險評價軟件PHAST RISK對其工藝設(shè)施和管道發(fā)生泄漏或破裂導(dǎo)致的主要事故類型進行了后果模擬和定量風(fēng)險評價。李白力、李勝利[8]等采用CFD軟件對天然氣泄漏擴散進行了典型地形條件的的三維數(shù)值仿真計算，考慮了風(fēng)速隨高度變化的情況，并編寫自定義函數(shù)對風(fēng)速進行修正。范開峰、王衛(wèi)強[9]等采用 VOF模型對海底天然氣管道泄露進行數(shù)值模擬，觀察到了泄漏天然氣氣團由“半球”形、“水滴”形到“球”形的過渡過程，得到了天然氣在水中上升過程的體積分數(shù)分布特性。

2 模擬方法

在流體力學(xué)領(lǐng)域，純數(shù)學(xué)方法是用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和解析求解的方法。但這種方法只能求解一部分比較簡單或經(jīng)過大量化簡后的情況。隨著計算機及其應(yīng)用技術(shù)的成熟，計算流體力學(xué)是彌補數(shù)學(xué)分析方法的不足而發(fā)展起來的。計算流體力學(xué)通過求解不同的邊界條件和初始條件下的平衡方程實現(xiàn)模擬真實過程中各場的分布。計算流體力學(xué)數(shù)值模擬具有應(yīng)用范圍更廣、成本低廉和求解迅速的特點，是物理實驗及數(shù)學(xué)方法所不能及的。很多CFD軟件已經(jīng)提供了計算流體力學(xué)的計算平臺并有了一定應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 物理模型

隨著我國西部開發(fā)的不斷推進，全面加快川東北天然氣開發(fā)，給四川省達州市宣漢縣經(jīng)濟社會發(fā)展帶來了前所未有的發(fā)展機遇。宣漢是川氣東送的氣源地，是達州建成天然氣化工基地的主戰(zhàn)場，宣漢普光經(jīng)濟開發(fā)區(qū)作為宣漢縣的核心經(jīng)濟區(qū)，將成為宣漢縣經(jīng)濟社會發(fā)展的重要引擎。普光天然氣門站基礎(chǔ)設(shè)施作為工業(yè)園區(qū)氣量調(diào)度的樞紐站，承擔50×104m3的天然氣處理量，將建設(shè)過濾、計量、調(diào)壓等生產(chǎn)設(shè)施和相應(yīng)的輔助設(shè)施。該門站占地約6畝，建筑物總面積178.2 m2，定員8人。本站包括直接生活建筑及生產(chǎn)配套建筑。生產(chǎn)建筑面積根據(jù)工藝要求確定，充分滿足生產(chǎn)運行、設(shè)備安裝及檢修的要求。站場布置詳細情況見圖1。本文針對四川達州普光天然氣門站工程進行工藝管道破裂泄露后的擴散情況計算分析。

圖1 門站平面布置圖Fig.1 Plot plan of gate station

依據(jù)宣漢縣普光地區(qū)風(fēng)向頻率玫瑰圖，工藝裝置區(qū)與綜合用房之間風(fēng)力較大。風(fēng)力分布見圖2。

圖2 風(fēng)向頻率玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of wind direction frequency

2.2 數(shù)值求解

流體的運動要遵循的守恒定律：質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律[10]。本課題不考慮溫度的影響，因此不啟動能量方程。

質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程，其守恒的微分形式為：

源項Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

動量方程：

其中：τij— 應(yīng)力張量；

p — 靜壓力；

gi和Fi— 分向量上的重力和外力。

2.3 模擬參數(shù)

接合宣漢縣普光門站布置及其相關(guān)參數(shù)，按照天然氣裝置破裂泄露擴散分析。分別考慮不同環(huán)境及運行狀況下，甲烷擴散分布隨時間的變化情況。在模擬計算分析時，取爆炸極限的下限 5%為分析臨界點。應(yīng)用上述設(shè)定，計算天然氣裝置區(qū)泄漏擴散后天然氣分布隨時間的變化情況。

3 結(jié)果與分析

首先，在無外界風(fēng)的環(huán)境下，模擬計算了天然氣工藝設(shè)備泄露后，氣體在空間擴散隨時間的變化情況，如圖3。

天然氣工藝管道破裂后，形成紊態(tài)噴射，開始速度很大，在阻力的影響下，形成了蘑菇狀氣云。隨著擴散范圍的擴大，擴散氣體受到浮力、阻力與重力的影響，擴散速度減慢，進而逐步達到平衡，速度場保持不變。泄露的噴射壓力隨著噴射過程的遞減。泄露氣體的密度由于在泄露擴散被稀釋，氣體的密度不斷與空氣接近，也導(dǎo)致泄露氣體擴散速度的減慢。

其次，根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T的相關(guān)資料，并以近期建設(shè)的天然氣處理規(guī)模來考慮，計算模擬了泄露 后天然氣在空氣中的擴散結(jié)果，如圖4。

圖 3 近期工況無風(fēng)情況下的泄露過程Fig.3 Leak process of short term working condition with no wind

圖 4 近期工況有風(fēng)情況下的泄露過程Fig.4 Leak process of short term condition with wind

圖 5 遠期工況下的泄露過程Fig.5 Leak process of long term working condition

有風(fēng)速影響下的甲烷濃度分布梯度在氣體出口附近較大，擴散一定距離后，分布梯度減小。泄露口處氣體動能高，風(fēng)力對泄露影響較小。隨著擴散時間的延長，泄露氣體收到風(fēng)力和站場內(nèi)的綜合影響，形成渦狀氣流，泄露氣體濃度也隨之降低。由圖可以看出，在門站近期建設(shè)規(guī)模工況下，天然氣泄露對有人值守的綜合用房影響較小，說明依據(jù)國家規(guī)范進行設(shè)計的工藝裝置區(qū)與綜合站房的間距是合理且安全的。

最后，根據(jù)氣象資料并按照遠期建設(shè)的天然氣處理規(guī)?？紤]，計算模擬了泄露后天然氣在空氣中的擴散結(jié)果，如圖5。

考慮遠期工況工藝設(shè)備處理量較大時，發(fā)生泄露擴散的氣團因動量較大的原因，擴散的高度高于近期工況天然氣泄露情況。由于遠期工況的泄露量較大，泄露后天然氣氣體對綜合用房有了一定的影響，具有一定的安全隱患。需要對天然氣工藝裝置區(qū)采取一定的安全防護措施。

圖 6中的曲線表示天然氣門站工藝裝置區(qū)發(fā)生泄漏后，泄露的天然氣濃度在同一高度上的變化情況。

圖 6 甲烷濃度變化曲線Fig.6 Methane concentrations changes curve

在風(fēng)速為零時，天然氣工藝區(qū)泄露的天然氣對相鄰區(qū)域的影響較??；在當?shù)刈畲箫L(fēng)速情況下，近期工況天然氣工藝裝置區(qū)泄出的天然氣對綜合用房影響較小，在遠期工況下天然氣工藝裝置區(qū)泄出的天然氣對靠近綜合用房一側(cè)影響較大。綜上所述，天然氣門站場區(qū)內(nèi)工藝區(qū)裝置泄漏后，危險區(qū)域受環(huán)境的影響發(fā)生了明顯的改變。在有風(fēng)影響下的情況站場內(nèi)安全已經(jīng)受到威脅。

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