高嵩　王茂廷

摘要：天然氣長輸管道泄漏擴散的基本理論，全面分析了影響天然氣泄漏擴散的因素；建立了天然氣長輸管道泄漏模型，對不同影響因素下天然氣泄漏的壓力場、速度場、濃度場以及危險區(qū)域進行了模擬分析，闡述了不同工況下天然氣長輸管道泄漏的規(guī)律；通過模擬對比分析了不同泄漏孔徑、不同泄漏壓力對泄漏區(qū)域的影響；模擬分析了氣體中含硫化氫和泄漏區(qū)域有建筑物時的泄漏規(guī)律。

關(guān)鍵詞：高壓管道；泄漏擴散；數(shù)值模擬；燃燒；熱輻射

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0082-04

根據(jù)燃燒傷害模型和爆炸傷害模型，分析了燃燒后的濃度場、溫度場、壓力場、密度場和速度場分布情況，對天然氣泄漏燃燒熱輻射情況和爆炸危險區(qū)域進行了計算研究，本文研究內(nèi)容對于了解高壓長輸管道天然氣泄漏擴散規(guī)律及制定相關(guān)安全事故的應(yīng)急預(yù)案具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 天然氣泄漏的數(shù)值模擬

天然氣是由小分子飽和烴類氣體和非烴類氣體組成的混合物。其中低分子飽和烴類氣體占95%以上。在飽和烴類氣體中，甲烷（CH₄）占絕大部分，乙烷（C₂H₆）、丙烷（E3H8）、丁烷（C₄H₈）和戊烷（C₅H₁₂）含量不多，庚烷以上（C+5）烷烴含量極少。常見的少量的非烴類氣體一般有二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、氮氣（N₂）、氫氣（H₂）、硫化氫（H2S）和水（H₂O）以及微量的惰性氣體氦（He）、氬（Ar）等。

采用三維模型，需要建立三維立方體模型，入口即為圓柱形入口，由于后面所討論的模擬尺寸大小及模擬精度的需求的限制，目前還無法進行大范圍精確的三維模擬。

為了更好地模擬大范圍內(nèi)的天然氣管道泄漏情況，本文采用二維網(wǎng)格模型，如圖1所示，F(xiàn)LUENT的前處理軟件GAMBIT把管道孔口的泄漏定義為狹縫擴散，而非圓孔擴散，F(xiàn)LUENT設(shè)置邊界層參數(shù)選用Turbulence Specification Method的方法中的強度和水力直徑（Intensity and Hydraulic Diameter）項來當作湍流選取。同時設(shè)置了壓力出口的當量直徑，這樣就限制了管道狹縫的縱向長度，進而保證了二維的網(wǎng)格模擬為孔口天然氣的基本知識及針對長輸管道的泄漏FLUENT模擬的GAMBIT網(wǎng)格劃分，根據(jù)需要建立合適的幾何模型、劃分網(wǎng)格及指定邊界條件為后續(xù)FLUENT模擬計算做鋪墊，然后通過幾何模型選取相應(yīng)的求解器、能量方程、確定天然氣的材料特性，最后通過工程實例來確定入口處氣流速度和馬赫數(shù)進而選取相關(guān)的泄漏速率，通過相應(yīng)的泄漏速率模型的選取來確定邊界條件，為下章節(jié)FLUENT模擬結(jié)果及分析做了良好的鋪墊。

2 不同因素對天然氣泄漏的影響

2.1 不同泄漏時間下氣體泄漏分析

2.1.1 不同泄漏時間下的壓力場分布（圖1）

在泄漏初期，泄漏1s時，在泄漏口的正上方較近處出現(xiàn)一個環(huán)狀低壓區(qū)，中間壓力最低，以此為中心形成低壓環(huán)。出現(xiàn)此種情況的主要原因是泄漏初期，泄漏口上方空氣湍流強度大，空氣相對較為稀薄，出現(xiàn)小范圍的低壓區(qū)。但隨泄漏事件的增長，壓力場分布逐漸均勻，最后成為以泄漏帶為分界線的左側(cè)壓力略高于右側(cè)壓力的壓力分布場圖。

2.1.2 不同泄漏時間下的速度場分布

（1）不同泄漏時間下的垂直速度場分布（圖2）

泄漏5s時，泄漏口略上方及偏右側(cè)出現(xiàn)較為明細的高垂直速度分布區(qū)，主要由于此時泄漏氣體的分布范圍逐漸向上、向右。隨泄漏時間的進一步延長，伴隨泄漏氣體的進一步擴大，垂直分速度也向上移動。最后形成了以泄漏帶為分界的，泄漏帶中心相對較高速度，向外速度逐漸減小的分布云圖。

（2）不同泄漏時間下的水平速度場分布圖泄漏1s時，以泄漏口正上側(cè)直線為界，左側(cè)形成水平速度低速核心區(qū)，且越遠離界線，梯度越小，右側(cè)形成高速核心區(qū)，且越遠離界線，梯度越小。隨泄漏時間的增長，水平速度分布趨于穩(wěn)定。在泄漏50s后，水平速度對整個流場的影響不大，且分布均勻，只在泄漏口附近，出現(xiàn)較為明細的湍流區(qū)（圖3）。

2.2 不同泄漏孔徑下氣體泄漏的比較

不同泄漏孔徑下氣體泄漏的壓力場分布規(guī)律不同，但可看出，均是以泄漏帶的核心處為分界線，左側(cè)壓力較右側(cè)壓力高，泄漏帶兩側(cè)的壓力分布較為不規(guī)律，而遠離泄漏帶側(cè)的壓力場分布較為均勻。不同泄漏孔徑下速度場分布規(guī)律較為明顯，隨泄漏孔徑的增大，泄漏氣體的速度場越發(fā)明顯，且速度場湍流強度更強。泄漏孔徑較小時，泄漏氣體的噴射速度高度較小，且受自然風速的影響較大，明顯偏向自然風的下風向。隨孔徑增大，噴射高度逐漸增高，且受自然風速影響逐漸減小，泄漏氣體對周圍空氣的影響區(qū)域逐漸增大（圖4）。

泄漏氣體的濃度場分布隨泄漏壓力呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，濃度場的分布情況與速度場分布類似，但不完全一樣。低泄漏壓力時，泄漏氣體的濃度場在下風向分布較多，隨壓力的升高，泄漏氣體的濃度場呈現(xiàn)垂直的分布帶，距離泄漏口近處濃度較高，且隨距離的增大，濃度降低的梯度較小。

2.3 氣體中含硫?qū)μ烊粴鈹U散的影響

含硫條件下氣體泄漏的壓力場分布見圖6。

由含硫條件下的泄漏兩種氣體的濃度場分布情況可知，泄漏氣體中所含H2S的濃度場分布呈現(xiàn)以泄漏口為起點的狹窄帶狀分布，而甲烷則為較寬的分布帶。由于在預(yù)設(shè)條件中，設(shè)置H₂S含量為6.5%，故而含量低造成其濃度場分布較為狹窄。

由工程標準當H2S含量低于0.002%時，視為安全區(qū)域，圖中黑色區(qū)域為危險區(qū)域?？梢?，雖H₂S含量較低，但其危險區(qū)域影響較大，主要分布在泄漏帶的下風向。此種規(guī)律為突發(fā)泄漏工況時的安全生產(chǎn)提供參考。由工程標準當甲烷含量低于3.585%時，視為安全區(qū)域，圖中非黑色區(qū)域為安全區(qū)域?？梢?，雖甲烷含量較高，但其危險區(qū)域相對H₂S較小，主要分布在泄漏帶附近。

2.4 有建筑物對泄漏的影響

2.4.1 有建筑物時氣體泄漏的壓力場分布

當在泄漏口的附近有建筑物時，由其不同時間下的壓力場分布圖可知，泄漏初期，低壓帶在泄漏口的上方，上風向壓力較高。隨泄漏時間推移，低壓帶逐漸上移，高壓帶逐步向下風向推移。當泄漏時間為60s時，壓力分布較為均勻，只在泄漏口和建筑物附近有較低的壓力分布區(qū)存在（圖7）。

由圖7可知，有建筑物對氣體泄漏的速度場分布也有較大影響，泄漏1s時，泄漏高速主要分布在泄漏口附近及其上側(cè)，隨泄漏時間的推移，速度場分布逐步均勻，至20s時已基本穩(wěn)定，到泄漏60s時，呈現(xiàn)泄漏口附近泄漏速度較大，在建筑物上側(cè)泄漏速度較大的分布規(guī)律。

2.4.2 有建筑物時氣體泄漏的濃度場分布

有建筑物在下風向阻擋時，不同泄漏時間下的泄漏氣體濃度場分布規(guī)律不太一致。在泄漏1s時，在泄漏口上側(cè)形成一個含量相對較高的濃度核心區(qū)，而在此區(qū)域以下氣體濃度更大。在建筑物右上側(cè)，也形成了一個小的核心區(qū)，湍流強度較強。隨著泄漏時間的增長，上側(cè)核心區(qū)向下風向的右上側(cè)移動，在泄漏口的近上側(cè)，濃度再次加強。

泄漏20s時，泄漏濃度已基本穩(wěn)定，形成以泄漏帶右下側(cè)為主要分布區(qū)的濃度場。在泄漏時間達到60s時，濃度規(guī)律已經(jīng)穩(wěn)定，形成向下風向的泄漏帶，當泄漏帶收到建筑物阻隔時，便繞過建筑物繼續(xù)向下風向流動，且在泄漏口與建筑物結(jié)合處，形成一個高濃度湍流區(qū)（圖8）。

3 結(jié)論

（1）泄漏氣體的速度場和濃度場隨泄漏孔徑的增大，呈現(xiàn)泄漏噴射高度逐步增高，由最初的明顯向下風向偏移向近乎垂直轉(zhuǎn)變，噴射氣體的流速逐漸增大。

（2）泄露壓力的變化主要影響泄漏初速度的變化，隨泄漏壓力增大，泄漏氣體的初速度也逐漸增大，泄漏氣體的濃度場逐漸由偏向下風向的泄漏帶向垂直方向的泄漏帶偏轉(zhuǎn)。

（3）泄漏氣體中含有H2S對泄漏氣體的壓力、速度、濃度等流場分布影響不大，但由于H2S的較強的危險性，其低含量的有毒氣體所造成的危險區(qū)域較大。

（4）在泄漏口下風向處如存在建筑物，會對泄漏過程的壓力場、速度場、濃度場分布帶來較大影響。泄漏初期，各流場湍流強度較強，分布規(guī)律不強。在泄漏達到穩(wěn)定時，由于建筑物的阻擋作用，在泄漏口至建筑物間有較為明顯的泄漏氣體回旋，且泄漏帶遇到建筑物時，會受到其阻擋從而，從其上方飄離。