王 健

（新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆 昌吉 831100）

埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

王 健

（新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)公司，新疆 昌吉 831100）

針對(duì)埋地天然氣管道穿孔泄漏擴(kuò)散問(wèn)題，結(jié)合有限容積法，利用Gambit2.4建立了天然氣管道不同泄漏口徑和不同環(huán)境溫度的CFD仿真模型，利用Fluent6.3分別對(duì)不同泄漏口直徑（6.35、25.4、101.6 mm）和不同環(huán)境溫度（0、10、30 ℃）泄漏工況下，氣體在土壤中和空氣中擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，隨著泄漏口直徑增加天然氣危害范圍逐漸增大，關(guān)閉泄漏管段兩端閥門以后，氣體擴(kuò)散危害范圍逐漸變小；隨著環(huán)境溫度的升高氣體危害范圍在豎直方向上有明顯增加，在地面處危險(xiǎn)區(qū)域也增加。研究結(jié)果為城市埋地天然氣管道泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)人員疏散及安全搶修提供了理論依據(jù)。

天然氣管道；泄漏；擴(kuò)散；數(shù)值模擬

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣的應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，燃?xì)庾鳛橹匾哪茉葱问街粦?yīng)用越來(lái)越廣泛。城市燃?xì)夤艿酪话悴捎寐竦胤绞戒佋O(shè)，但由于受腐蝕和人為破壞等因素的作用，天然氣管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生[1,2]。天然氣爆炸極限范圍較大，具有易燃、易爆的性質(zhì)，天然氣泄漏爆炸事故一般會(huì)造成大量人員傷亡和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，具有較大的危害性。因此，對(duì)天然氣管道泄漏后，確定其危害范圍具有重大意義。

本文針對(duì)城市埋地天然氣管道，利用C語(yǔ)言編寫(xiě)與FLUENT軟件兼容的UDF計(jì)算程序，修正風(fēng)速隨高度的變化，并且控制閥門由于人工或自動(dòng)關(guān)閉后氣體泄漏率[3]隨時(shí)間的變化。由于腐蝕、施工等不同的損傷過(guò)程，造成泄漏口的尺寸不同，根據(jù)API581-2000—基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)基礎(chǔ)資源文件（Risk-Based Inspection Base Resource Document）選取管道泄漏口直徑分別為6.35 mm、25.4 mm、 101.6mm，并且根據(jù)不同的環(huán)境溫度，建立泄漏模型來(lái)模擬計(jì)算，得出了天然氣管道泄漏后天然氣擴(kuò)散規(guī)律，為制定天然氣管道泄漏事故應(yīng)急預(yù)案及保障措施提供了理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)及物理模型

以天然氣管道泄漏為例，模擬泄漏過(guò)程及天然氣流場(chǎng)變化。天然氣為多種氣體的混合物，主要成分為甲烷(CH4)（體積分?jǐn)?shù)為99.88%），故可以用CH4代替天然氣進(jìn)行模擬計(jì)算。天然氣的傷害下限為1%，爆炸極限范圍為5%～15%[4]，故以天然氣的體積分?jǐn)?shù)為1%、5%和15%為分界線為評(píng)定泄漏氣體危害濃度區(qū)域。

天然氣泄漏過(guò)程遵循連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程[5]。綜合考慮計(jì)算條件和工程要求，采用耦合隱式求解器，其基本方程為定常Reynolds時(shí)均方程[6]。同時(shí)天然氣泄漏為湍流流動(dòng)，故選用湍流模型中的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型。

某天然氣管道運(yùn)行壓力為0.2 MPa，根據(jù)GB 50028-2006《城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》，屬于中壓輸氣管道，管道直徑325 mm，壁厚8 mm，管道埋深1.7 m，氣體溫度為20 ℃，由于所選天然氣管道在城鎮(zhèn)人口密集地區(qū)，考慮管道所處的實(shí)際位置，取建筑物高度為20 m，管道中心距建筑物距離為3 m[7]，土壤物性為：密度1 500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)1.5 W/ (m?K)，比熱2 200 J/(kg?K )，孔隙度0.43[8,9]，土壤平均直徑0.2 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[10]計(jì)算出滲透率及慣性阻力系數(shù)。用較大空間 (80 m×80 m)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，具體模型及邊界條件如圖1所示。劃分網(wǎng)格時(shí)，由于管道泄漏口附近氣體各項(xiàng)參數(shù)變化梯度較大，為滿足計(jì)算精度，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

圖1 物理模型及局部放大圖Fig.1 Physical model and partial enlargement

1.2 參數(shù)確定及邊界條件設(shè)置

假設(shè)管道兩個(gè)閥門之間的距離為1 000 m[7]。泄漏開(kāi)始為穩(wěn)態(tài)泄漏，泄漏壓力為0.2 MPa，此壓力大于臨界壓力Pc，泄漏氣體流動(dòng)為臨界流動(dòng)[11]，泄漏氣體質(zhì)量流率Qm0按式（7）計(jì)算得Qm0=0.181 964 kg/s，G=1 077.95 kg/（m2?s）。泄漏120 s時(shí)閥門自動(dòng)關(guān)閉[11]，關(guān)閉閥門后管道內(nèi)壓力減小，當(dāng)壓力大于臨界壓力Pc時(shí)，泄漏氣體質(zhì)量流率Qm0按式（7）、（9）、（10）、（11）計(jì)算；當(dāng)壓力小于臨界壓力Pc時(shí)，泄漏氣體流動(dòng)為亞臨界流，泄漏氣體質(zhì)量流率Qm0按式（8）、（9）、（10）、（11）計(jì)算。

式中：

Qm— 質(zhì)量流量，kg/s；

k — 比熱容；

t — 關(guān)閉閥門后泄漏時(shí)間，s；

Aor— 泄漏口面積，m2；

R — 氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol?K)；

P2— 管道內(nèi)壓力，MPa；

Pa— 大氣壓，0.101 325 MPa；

G — 質(zhì)量流率，kg/（m2?s）；

T — 溫度，K；

L — 管線長(zhǎng)度，m；

ρ— 密度，kg/m3。

穩(wěn)態(tài)泄漏120 s內(nèi)質(zhì)量流量進(jìn)口設(shè)置為1 077.95 kg/（m2?s），關(guān)閉閥門后，根據(jù)質(zhì)量流量流率隨時(shí)間變化擬合出公式（14）：

將公式（14）編寫(xiě)成UDF程序并按照風(fēng)速邊界設(shè)置方法設(shè)置泄漏口邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

埋地天然氣管道發(fā)生泄漏擴(kuò)散后，由于受土壤阻力作用，泄漏氣體的動(dòng)能衰減程度較大，速度大大降低，泄漏氣體不足以沖破管道上方的埋土，氣體會(huì)在土壤中擴(kuò)散，到達(dá)地表后向大氣中擴(kuò)散[12]。

根據(jù)不同泄漏口直徑修改幾何模型，以泄漏口在天然氣管道上表面為例說(shuō)明，氣體擴(kuò)散云圖如圖2-圖4所示。

2.1 不同泄漏孔大小下中壓天然氣管道泄漏

中壓天然氣管道泄漏不同泄漏孔徑質(zhì)量流量如表1。

表1 中壓天然氣管道泄漏不同泄漏孔徑質(zhì)量流量Table 1 Medium pressure natural gas pipeline leakage mass flow of different aperture

圖2-圖4分別為泄漏口為6.35、25.4和101.6 mm下天然氣泄漏擴(kuò)散云圖(a—泄漏120 s，b—泄漏停止時(shí))，可以看出當(dāng)泄漏120 s時(shí)，泄漏孔徑為 6.35 mm，由于泄漏孔徑很小，天然氣泄漏速度和質(zhì)量流量也很小，天然氣和大氣對(duì)流擴(kuò)散比較慢，天然氣危險(xiǎn)范圍較??；當(dāng)泄漏孔徑為 25.4 mm 時(shí)，甲烷危險(xiǎn)范圍增大，傷害下限范圍和爆炸下限范圍在下風(fēng)向貼近地面處分別為36 m和22 m，擴(kuò)散高度分別為大于75 m和60 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散距離分別為38 m和20 m；當(dāng)泄漏孔徑為101.6 mm時(shí)，由于泄漏率的增加，氣體危險(xiǎn)濃度范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，傷害下限范圍已經(jīng)超過(guò)了計(jì)算區(qū)域即下風(fēng)向擴(kuò)散距離超過(guò)了38 m，而高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了計(jì)算區(qū)域的上邊界，爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處擴(kuò)散距離為22 m，高度超過(guò)了計(jì)算區(qū)域上邊界，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散距離為25 m；可見(jiàn)泄漏孔徑變大，泄漏質(zhì)量流率變大，天然氣危害范圍也較大。

從圖2-圖4可以看出，隨著泄漏孔徑的變大，距離泄漏口相同距離處，天然氣濃度會(huì)加大，而泄漏擴(kuò)散危險(xiǎn)區(qū)域也會(huì)變大。

當(dāng)泄漏口直徑為6.35 mm時(shí)，泄漏口直徑很小可以看做穩(wěn)態(tài)泄漏，即氣體以恒定泄漏率泄漏，由于風(fēng)的擴(kuò)散作用，天然氣危害范圍變化不大。而對(duì)于泄漏口直徑分別為25.4 mm和101.6 mm時(shí)，當(dāng)關(guān)閉泄漏口管道兩端閥門后，管道內(nèi)壓力逐漸降低，從而氣體泄漏率逐漸減小，氣體擴(kuò)散危險(xiǎn)范圍逐漸減小，當(dāng)管道內(nèi)壓與大氣壓力相等時(shí)，泄漏率接近于零，如圖3(b)、4(b)所示。

當(dāng)泄漏口徑為25.4 mm時(shí)，泄漏口處氣體質(zhì)量流量逐漸減小，在434 s左右泄漏口處質(zhì)量流量接近于零，故氣體危險(xiǎn)濃度范圍也在變小，傷害下限范圍和爆炸下限范圍在下風(fēng)向貼近地面處分別為28和13 m，擴(kuò)散高度分別為大于68和52 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散距離分別為29.8和16.5 m；而泄漏口為101.6 mm時(shí)，由于泄漏口較大，氣體質(zhì)量流量很大，在19 s左右管內(nèi)氣體質(zhì)量流量已接近零，由于從關(guān)閉閥門到泄漏停止之間時(shí)間較短，氣體危險(xiǎn)濃度范圍變化不大。

圖2 泄漏口直徑d=6.35 mm CH4濃度分布圖Fig.2 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 6.35 mm

2.2 不同環(huán)境溫度下中壓天然氣管道泄漏

天然氣溫度恒定為20 ℃，泄漏口直徑取25.4 mm，泄漏口在管道上表面處，環(huán)境溫度分別選取0、10及30 ℃，在平坦地區(qū)對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖5-圖7可以得到表2。

圖3 泄漏口直徑d=25.4 mm CH4濃度分布圖Fig.3 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 25.4 mm

圖4 泄漏口直徑d=101.6 mm CH4濃度分布圖Fig.4 CH4Concentration distribution when leakage aperture is 101.6 mm

表2 中壓天然氣管道泄漏不同環(huán)境溫度下氣體危害范圍Table 2 Hazard range of medium pressure gas pipeline leakage under different ambient temperature

從圖5-7和表2中可以看出，可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度從0 ℃增加到15 ℃時(shí)，浮升力影響程度增大，氣體上升高度增加，同時(shí)在空氣中擴(kuò)散距離也增大；而當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，氣體上升進(jìn)一步增大。因此由圖5-圖7同一時(shí)刻不同溫度天然氣變化趨勢(shì)得：隨著環(huán)境溫度的升高，天然氣受到浮升力也隨著增大，上升高度亦增加。

Numerical Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage and Diffusion

WANG Jian
（PetroChina Xinjiang Oilfield Company Oil & Gas Storage & Transportation Branch，Xinjiang Changji 831100，China）

To study the diffusion of gas after piercing leakage of buried gas pipeline, combined with the finite volume method, CFD simulation model of the gas pipeline leakage under different leak caliber and different environmental temperature was established based on Gambit 2.4. By using Fluent6.3,gas diffusion rules in soil and air were respectively simulated under different leak caliber (6.35, 25.4, 101.6 mm) and different environmental temperature (0, 10, 30 ℃). The research results show that, with increasing of the leakage hole diameter, gas hazard scope gradually increases. After shutting off the valves at both ends of the leak pipeline, the gas diffusion hazard area gradually decreases. With the increase of environmental temperature, the gas hazard scope in the vertical direction significantly increases, the gas hazard scope on the ground also increases at the same time.

Gas pipeline; Different leak location; Diffusion; Numerical simulation

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）10-2494-03

2015-04-20

王健（1987-），男，遼寧錦州人，助理工程師，碩士研究生，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，主要從事石油與天然氣運(yùn)行工作。E-mail: 759439811@qq.com。