張衡，劉慶新，曹海濤，呂洪丹，徐鄖，謝學(xué)斌

西三線閩粵支干線天然氣長輸管道泄漏模擬分析

張衡，劉慶新，曹海濤，呂洪丹，徐鄖，謝學(xué)斌

（中油管道建設(shè)工程有限公司，河北 廊坊 065000）

西三線閩粵支干線（廣州-潮州）工程，一標(biāo)段線路全長122.364 km，材質(zhì)X70M，管徑813 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa, 包含廣州分輸清管站、河源分輸清管站、途徑閥室5個(gè)；隧道穿越3處。管線路由地勢起伏較大多以中低山、溝谷敷設(shè)為主。施工完畢后，上述環(huán)境因素對管道運(yùn)行的安全性帶來了極大的挑戰(zhàn)，特別是石方段，極容易造成管道上部和下部的穿孔泄漏。針對現(xiàn)場實(shí)際天然氣管道的穿孔泄漏問題，采用有限容積法，建立天然氣管道在不同位置上泄漏的CFD仿真模型，分別對天然氣管道上部、下部發(fā)生泄漏擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，上部泄漏比下部泄漏的氣體更容易擴(kuò)散，并且橫向風(fēng)險(xiǎn)半徑也比其大50 m至60 m。應(yīng)用數(shù)值方法模擬管道泄漏問題，為預(yù)測天然氣泄漏危險(xiǎn)范圍提供檢測依據(jù)。

天然氣管道； 管道穿孔； 泄漏擴(kuò)散； 數(shù)值模擬

天然氣運(yùn)輸除了液化后用專業(yè)油輪或汽車運(yùn)輸，最常采用的方式就是管道輸送[1]。但是近年來由于輸送材質(zhì)本身的問題，埋地后的管道腐蝕的問題和第三方外因影響的問題，埋地天然氣管道頻繁發(fā)生泄漏事故。天然氣的主要成分為甲烷，當(dāng)甲烷的體積分?jǐn)?shù)占到空氣的10%時(shí)左右時(shí)，必然會導(dǎo)致明火爆炸[2-4]，對人們生活環(huán)境的安全存在潛在的危害?；谝陨显颍瑢μ烊粴忾L輸管道進(jìn)行泄漏模擬及安全研究是十分必要的。

世界關(guān)于長輸天然氣管道輸送研究中，發(fā)達(dá)國家對管道泄漏的研究開展的比較早，對泄漏量的計(jì)算及其泄漏模型的分析、模型中天然氣濃度的計(jì)算有著較深刻的科研成果，模擬在不同輸送工況下，不同外界條件影響下的問題，如重氣擴(kuò)散問題、Sutton效應(yīng)問題、高斯定理問題等[5]。

近年來，天然氣管道的保障能力是天然氣行業(yè)發(fā)展的基石。目前，我國已初步形成“橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、?lián)通境外”的態(tài)勢。我國已建成西氣東輸管道一、二、三線，陜京系統(tǒng)、澀寧蘭、中貴、中緬、川氣東送、秦沈、哈沈等多條大口徑的長輸天然氣管道，以及用于大區(qū)域資源調(diào)配的中貴聯(lián)絡(luò)線和冀寧聯(lián)絡(luò)線兩大跨省聯(lián)絡(luò)線工程[6]。已經(jīng)形成了“西氣東輸、海氣登陸、就近供應(yīng)”三大供應(yīng)格局。

對埋地天然氣管道進(jìn)行相關(guān)研究也顯得尤為突出，如通過建立三維空間內(nèi)的位移量計(jì)算地理沉降對天然氣管道泄漏的影響，利用CFD模型研究了不同溫度對高壓天然氣管道泄漏的影響，利用FLUENT軟件研究了障礙物對天然管道泄漏擴(kuò)散的影響[7]。

以上主要是研究地理沉降，溫度，障礙物等因素對天然氣管道泄漏的影響，而很少對埋地管道泄漏位置問題進(jìn)行分析。本文利用FLUENT模擬軟件，對埋地天然氣管道頂部和管道底部發(fā)生泄漏問題時(shí)，作出對應(yīng)部位危險(xiǎn)范圍的研究，分析得出了泄漏部位的不同，天然氣擴(kuò)算的規(guī)律也不盡相同，為預(yù)測天然氣泄漏危險(xiǎn)范圍提供有利的檢測依據(jù)[8]。

1 天然氣管道流體模型

1.1 天然氣管道流體數(shù)學(xué)模型

天然氣管道泄漏屬于流體泄漏模型，所以該過程符合流體動力學(xué)原理，可確立質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，涉及的方程式如下[9]。

（1）流體動力學(xué)方程

u—天然氣三維空間（表示、、）速度，m/s。

（2）流體動量守恒方程

式中：—天然氣的氣體密度，kg/m3；

u—天然氣三維空間（表示、、）速度，m/s；

—天然氣泄漏時(shí)間，s；

—天然氣的速度矢量，m/s；

—天然氣體積微元壓力，Pa；

—天然氣動力黏度，Ns/m2；

—天然氣微元加速度矢量, m/s2。

（3）流體能量守恒方程

式中：—天然氣流體的總能量，J；

h—天然氣氣體組份（表示各組分）的焓，J/kg；

k—天然氣導(dǎo)熱系數(shù)；

J—天然氣各組份物質(zhì)的量擴(kuò)散矢量，mol（m2·s）；

S—天然氣體積熱源矢量，kgJ/（m3·s）。

1.2 天然氣泄漏的氣體控制方程

式中：G—平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)；

G—浮力引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)；

Y—可壓縮湍流中脈動擴(kuò)張貢獻(xiàn)；

，s—與方程的湍流普朗克常數(shù)；

1=1.44、2=1.92、3=0.09、= 0.084 5，以上為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖1 天然氣管道泄漏模型圖

1.3 天然氣管道泄漏模型的邊界條件

西三線閩粵支干線天然氣長輸管道，管道直徑?為0.813 m，管頂埋深為1.2 m，泄漏口半徑為0.002 5 mm，天然氣輸送管道壓力為10 MPa，管內(nèi)溫度為300 K，其中天然氣含量為96%，氣體雜質(zhì)含量為4%。環(huán)境溫度為285 K，壓力為101.325 kPa，環(huán)境空氣速度為1.5 m/s。泄漏模擬區(qū)域?yàn)樾孤┛跒橹悬c(diǎn)的500 m×500 m平面范圍，天然氣泄漏模型及區(qū)域圖如圖1所示，底部管道為泄漏氣體入口，圖面左部空氣入口，頂部為壓力釋放出口，右部也為壓力釋放出口，埋地管道上方土層為邊界面。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

通過FLUENT進(jìn)行氣體湍流模擬得到了管道頂部、底部泄漏天然氣的濃度圖。以及在管道泄漏20s時(shí)天然氣氣體擴(kuò)散范圍。

圖2 管道頂部泄漏20s時(shí)天然氣氣體濃度圖

圖3 管道底部泄漏20s時(shí)天然氣氣體濃度圖

由圖2，管道頂部發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣氣體通過土層向上噴出，并且是高速氣體氣流，天然氣與空氣融合時(shí)，受到環(huán)境空氣的阻礙，天然氣動量隨著氣體流動而逐級遞減，空氣阻力對天然氣擴(kuò)散的影響也逐漸增大，天然氣流體將隨空氣的下風(fēng)口運(yùn)動。

由圖3，管道底部發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣氣體向地下噴噴出，受管底土層的阻礙，氣體向管道兩側(cè)擴(kuò)散，當(dāng)氣體通過土層接觸到地面空氣時(shí)，天然氣受環(huán)境空氣的阻礙，泄漏的天然氣在沿順風(fēng)向擴(kuò)散的范圍遠(yuǎn)大于沿逆風(fēng)向擴(kuò)散范圍。

圖4 管道頂部、底部泄漏時(shí)甲烷爆炸臨界點(diǎn)對比圖

從圖4得出：在埋地管道上方，管頂發(fā)生天然氣泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域比管底泄漏的范圍大，并且運(yùn)算得出的數(shù)值解果顯示危險(xiǎn)范圍大40 m左右。而從埋地管道的縱向分析，管頂泄漏危險(xiǎn)區(qū)域比管底泄漏的范圍小，數(shù)值結(jié)果顯示，大約小50~60 m，并且管道下部泄漏的天然氣積聚在地面附近不易擴(kuò)散，從施工安全的角度分析，下部泄漏比上部泄漏危險(xiǎn)系數(shù)更大。

3 結(jié) 論

埋地天然氣管道穿孔泄漏的初期為氣體高速射流模型，管道頂部泄漏時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)域主要分布在泄漏口上方的半空中，并且在高空處受風(fēng)的影響，危險(xiǎn)區(qū)域向下游擴(kuò)散。當(dāng)管道底部發(fā)生泄漏時(shí)，氣體先向下噴出，再慢慢滲透出地面，最后聚集在地面表層，并且底部泄漏在管道水平面上的可能發(fā)生爆炸的范圍要比管頂泄漏的爆炸范圍大50~ 60 m。主要是天然氣在地面表層擴(kuò)散時(shí)，氣體的擴(kuò)散系數(shù)比較小，然而危險(xiǎn)系數(shù)要比上部泄漏大得多。因此，在管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測時(shí)，應(yīng)以管道下部穿孔泄漏時(shí)的天然氣危險(xiǎn)范圍作為檢測依據(jù)。

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Simulation Analysis on Natural Gas Pipeline Leakage of Fujian to Guangdong Branch Line in the West-to-East Gas Pipeline Ⅲ

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（China Petroleum Pipeline Construction Engineering Co., Ltd., Hebei Langfang 065000, China）

In Fujian to Guangdong branch line of the west-to-east gas pipeline Ⅲ,the length of Guangzhou to Chaozhou line is 122.364km, the material is X70M, the pipe diameter is 813mm, the design pressure is 10MPa,including Guangzhou & Heyuan pigging stations,5 valves & 3 tunnels in the way. The pipeline line is mainly laid in mountains and valleys. After the completion of the construction, the above mentioned environmental factors have brought great challenges to the safety of the pipeline operation, especially the stone section, which is very easy to cause perforation and leakage of the upper and lower part of the pipeline. Aiming at the problem , CFD simulation models of natural gas pipeline leakage at different positions were established by using finite volume method, and the leakage and diffusion at the upper and lower parts of natural gas pipelines were numerically simulated, respectively. The results show that the upper leakage is easier to diffuse than the lower leakage, and its transverse risk radius is also larger 50~60m.The application of numerical method in simulating the problem of gas leakage from pipeline perforation can provide the test basis for predicting the danger range of natural gas leakage.

natural gas pipeline; pipe perforation; leakage and diffusion; numerical simulation

2019-12-04

張衡（1986-），男，黑龍江省哈爾濱市人，中級職稱，碩士學(xué)位，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：油氣管道失效后果與風(fēng)險(xiǎn)評估

TE88

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1004-0935（2020）03-0261-03