敬加強(qiáng) ，李小明，江漩濤，周怡諾

（1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500； 2. 油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731）

天然氣作為增長(zhǎng)最快的新型清潔能源，國(guó)內(nèi)外天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，隨著大量天然氣管道的敷設(shè)，輸氣管道的泄漏已成為天然氣安全系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于管網(wǎng)設(shè)施損壞、第三方損壞、自然災(zāi)害損壞［1］等原因，輸氣管道泄漏現(xiàn)象發(fā)生頻繁。管道泄漏擴(kuò)散不但能引發(fā)天然氣爆炸事故，而且能對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的災(zāi)害，同時(shí)也能引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。為預(yù)防事故的發(fā)生，深入研究天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律非常必要。國(guó)外在這方面的研究工作始于上世紀(jì)70、80年代且提出了不少擴(kuò)散的計(jì)算模型，如高斯模型（Gaussian plume/puff model）、BM（Britter and Mc Quaid）模型、Sutton模型、FEM3（3-D Finite Element Model）模型等［2］。國(guó)內(nèi)氣體擴(kuò)散研究報(bào)導(dǎo)較少，但也取得了不少成果，潘旭海［3］等人針對(duì)事故泄漏擴(kuò)散過(guò)程的復(fù)雜性，分析了描述易燃易爆及有毒有害氣體泄漏擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)學(xué)模型；張啟平［4］分析了重氣效應(yīng)的泄漏擴(kuò)散過(guò)程及泄放過(guò)程的決定因素并提供了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；唐劍鋒［5］等人結(jié)合煙羽抬升計(jì)算，分別采用SLAB穩(wěn)態(tài)煙羽模型與高斯煙羽模型，建立了LNG擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型。程猛猛［6］等人采用 CFD仿真軟件，對(duì)架空天然氣管道的穿孔泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文通過(guò)對(duì)不同硫化氫濃度條件下的天然氣進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了4種不同硫化氫濃度下泄漏天然氣的速度場(chǎng)、密度場(chǎng)和濃度危險(xiǎn)區(qū)域，為天然氣管網(wǎng)安全平穩(wěn)的運(yùn)營(yíng)提供了參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 計(jì)算流體力學(xué)基本方程

天然氣流動(dòng)要遵循物理守恒定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。對(duì)應(yīng)的控制方程如下［7］：

（1） 連續(xù)性方程

式中:r為流體密度,kg/m3；分別為 x、y、z三個(gè)方向的速度分量,m/s; t為時(shí)間,s。

（2） 動(dòng)量方程

（3） 能量方程

1.2 泄漏控制方程

泄漏天然氣同時(shí)含有甲烷和硫化氫，選用多組份輸運(yùn)模型來(lái)求解這一混合問(wèn)題。含硫天然氣泄漏時(shí)，速度很大，采用湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)k-e方程［7］。湍動(dòng)能方程（k方程）：

耗散率方程（ε方程）：

式中:Gk是平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb是浮力引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；ks、es分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特常數(shù)，sk=1.0、se=1.3。

1.3 幾何模型

圖1 物理模型Fig.1 Physical Model

天然氣中硫化氫含量分別選取為0、20 mg/L、150、300 mg/L，計(jì)算區(qū)域選取100 m×100 m的二維空間，管道直徑選取 660 mm，泄漏孔徑為 440 mm，在靜風(fēng)條件下進(jìn)行模擬；如圖1所示，其幾何模型左右兩側(cè)及上部出口均設(shè)置為壓力出口，泄漏口設(shè)置為速度進(jìn)口。

2 結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬得到了4種不同硫化氫濃度下泄漏天然氣的速度場(chǎng)、密度場(chǎng)和濃度危險(xiǎn)區(qū)域分布。

2.1 速度場(chǎng)

由圖2可以看出，泄漏氣體在最大軸中心處泄漏的速度最大，離軸越遠(yuǎn)速度降低越快。射流向上流動(dòng)時(shí)，射流寬度逐漸增大，軸心處流速逐漸減?。?］。如表1所示，速度從泄漏口減小到60 m/s的徑向距離隨著硫化氫濃度的增大而減小。天然氣中甲烷占的比重最大，且甲烷密度比空氣小，當(dāng)泄漏氣體由小孔噴射進(jìn)入大氣后，由于受到大氣的浮力作用，氣體不斷被抬升，速度不斷的減?。惶烊粴庵辛蚧瘹涞拿芏却笥诳諝?，隨著硫化氫濃度增大，氣體向大氣中擴(kuò)散時(shí)所受負(fù)浮力增大，即阻力越大，所以其速度減小為60 m/s所需的徑向距離也越小。

表1 速度從泄漏口減小至60 m/s時(shí)的徑向距離Table 1 The radial distance that the velocity reduced to 60m/s from the leaking.

2.2 濃度危險(xiǎn)區(qū)域

泄漏的天然氣中含有一定濃度的CH4會(huì)導(dǎo)致爆炸，有毒氣體H2S對(duì)人體和環(huán)境的危害性也特別大。H2S的濃度要控制在 20 mg以下，即小于 2×105kg/m3才算安全。甲烷的爆炸極限為5%～15%，小于0.035 85 kg/m3的濃度為安全范圍。

圖2 不同硫化氫濃度下的速度場(chǎng)Fig. 2 The velocity field under different concentration of hydrogen sulfide.

圖3（a）顯示的是甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域，圖3（b）～（d）則是對(duì)硫化氫危險(xiǎn)區(qū)域的呈現(xiàn)，由圖3對(duì)比可知，硫化氫濃度為0 mg/L（僅含甲烷）時(shí)，模擬區(qū)域內(nèi)的安全空間的比例最大(白色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域)。危險(xiǎn)空間區(qū)域隨著硫化氫濃度的增大而增大，因?yàn)榱蚧瘹錆舛仍礁?，危險(xiǎn)系數(shù)就越大。泄漏氣體中僅含甲烷時(shí)其擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)小于多組分天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)的情況，這說(shuō)明在其他參數(shù)一定的情況下，天然氣中硫化氫含量越高，其泄漏擴(kuò)散時(shí)危險(xiǎn)空間區(qū)域越大。

圖3 不同硫化氫濃度下的危險(xiǎn)區(qū)域Fig.3 The hazardous area under different concentration of hydrogen sulfide.

3 結(jié) 論

（1）同一截面上氣體在泄漏噴射最大軸中心處泄漏的速度最大，離軸越遠(yuǎn)，速度降低越快；

（2）隨著硫化氫濃度增大，氣體泄漏速度降低到大小相同時(shí)所需噴射高度將減小；

（3）泄漏氣體中僅含甲烷時(shí)其擴(kuò)散的危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)小于多組分天然氣擴(kuò)散時(shí)的情況；

（4）在其他參數(shù)相同時(shí)，天然氣中硫化氫濃度越高，其泄漏擴(kuò)散時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域越大。

［1］ 何文淵，劉暉，楊靈雨．加快我國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展的建議[J].天然氣工業(yè)，2004，24(6)：4-7.

［2］ 丁信偉，王淑蘭，徐國(guó)慶．可燃及毒性氣體泄漏擴(kuò)散研究綜述[J].化學(xué)工業(yè)與工程，1999，16(2)：118-122.

［3］ 潘旭海，蔣軍成．化學(xué)危險(xiǎn)性氣體泄漏擴(kuò)散模擬及其影響因素[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(1)：19-21.

［4］ 張啟平，麻德賢．危險(xiǎn)物泄漏擴(kuò)散過(guò)程的重氣效益[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25(3)：86-90.

［5］ 唐劍鋒，蔡娜，郭清．LNG垂直噴射源連續(xù)泄漏擴(kuò)散的模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2013，64(3)：1125-1130.

［6］ 程猛猛，趙玲，吳明．架空天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(3)：33-34.

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

［8］ 平浚．射流理論基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京：宇航出版社，1995.