孫華 唐聰 周寧 李雪 袁雄軍

(1.上?；瘜W工業(yè)區(qū)公共管廊有限公司 上海 201507； 2.常州大學石油工程學院 江蘇常州 213164)

0 引言

地下綜合管廊天然氣管艙內管道輸送壓力各不相同，管道壓力對于泄漏擴散影響較大，安全風險各異，因此亟需開展相關研究為天然氣管艙設計和安全運行管理提供理論支撐。前人對管道壓力對泄漏擴散的影響開展了一系列研究，取得了一些成果。錢喜玲等[1]對西安市某一地下綜合管廊天然氣管道進行數值模擬研究，發(fā)現(xiàn)當泄漏壓力相同時，可燃氣體擴散距離與泄漏時間呈正相關關系。WANG X M等[2]利用CFD軟件對地下綜合管廊天然氣小孔泄漏進行數值模擬計算，分析了壓力和通風換氣次數之間的關系。鄧小嬌等[3]對綜合管廊管艙內管道壓力分別為200、400、800 kPa泄漏時的報警時間及泄漏擴散規(guī)律進行數值模擬研究，獲得相關報警時間和可燃氣云擴散規(guī)律。王雪梅等[4]對綜合管廊燃氣艙管道壓力對泄漏擴散過程的影響進行數值模擬研究，得到管道壓力與氣云擴散過程的初步規(guī)律。李靜毅等[5]開展了綜合管廊燃氣艙管道壓力對泄漏的影響研究，結果表明，泄漏孔正上方燃氣艙頂部天然氣體積分數達到5%的時間隨管道壓力的增高而減少。綜上目前雖然有不少學者對管道壓力對泄漏擴散過程和氣云濃度分布規(guī)律開展了系列研究，但在綜合管廊天然氣管艙內天然氣管道壓力不同時泄漏擴散過程管艙內的流場特性、可燃氣云濃度分布規(guī)律、報警時間等研究還不充分，未從流場特性去分析壓力對氣云擴散加速的機制，因此本文采用FLUENT軟件對天然氣管艙內管道壓力對泄漏擴散特性、流場特征等方面開展系統(tǒng)研究，以期揭示管道壓力對泄漏擴散影響的機制，并為天然氣管艙設計與安全運行提供基礎數據。

1 物理模型及初始條件

由于整個綜合管廊尺寸比較大，選擇一個防火分區(qū)作為研究內容，即管艙長200 m，建設二維模型，建模尺寸為200 m×2.6 m，2.6 m為天然氣管道泄漏口到艙頂的距離，泄漏口位于管道中心處，共設14個可燃氣體報警探測器，天然氣管艙頂部左邊為通風口，右邊為排風口，尺寸均為1 m×1 m，靠近防火墻兩端的區(qū)域為通風死角區(qū)域，長0.5 m，泄漏口孔徑為20 mm。t=0時，甲烷濃度為0。本文研究的自變量為不同管道壓力，依次為0.2、0.4、0.8、1.6 MPa。對管道壓力進行數值模擬研究時，泄漏口處邊界條件類型設為質量流量入口或壓力入口，通風換氣次數為6次/h，換算風速為1.91 m/s。管廊管艙幾何模型如圖1所示，表1為泄漏口邊界條件設置。

圖1 管廊管艙幾何模型

表1 泄漏口處邊界條件設置

2 管道壓力對管艙內天然氣濃度擴散的影響

首先根據擴散云圖和速度矢量圖來分析云圖的運動軌跡。圖2是以管道壓力0.8 MPa為例的天然氣擴散濃度云圖，圖3為相同情況下的速度矢量圖(x為管艙長度，y為管艙高度，單位均為m)。從圖中可以看出，天然氣一旦發(fā)生泄漏，泄漏口正上方管艙頂部就會有很密的速度流線，促使氣體向管艙頂部射流，該射流過程主要經歷了自由擴張、有限擴張以及收縮回流3個階段。泄漏前期(10～50 s)，速度矢量大，主要體現(xiàn)為向管艙頂部擴散；泄漏中期(100～150 s)，由于受艙頂的限制，速度矢量流線開始向管艙兩側密布，再加上通風風速的影響，導致迎風區(qū)速度矢量大于逆風區(qū)，迎風區(qū)偏移擴散距離增大；泄漏后期(200～250 s)，由于動量不守恒導致的速度梯度和密度梯度，促使迎風區(qū)天然氣橫向擴散距離在不斷增長的基礎上又增強了預混氣體的卷吸作用，縱向擴散距離也發(fā)生了變化，逆風區(qū)和迎風區(qū)的擴散距離都增大，但迎風區(qū)甲烷擴散濃度比逆風區(qū)高。隨著泄漏時間的推移，迎風區(qū)大約7 m左右的地方出現(xiàn)“二次反射”現(xiàn)象，主要是因為迎風區(qū)泄漏量大，卷吸作用強，擾動性增強，湍流不穩(wěn)定性加劇，渦團加速運動，擴散速度快。

圖2 0.8 MPa時泄漏口附近濃度擴散云圖

圖3 0.8MPa時泄漏口附近速度矢量圖

分析管道壓力分別為0.2、0.4、0.8、1.6 MPa時各監(jiān)測點甲烷濃度隨時間的變化關系。結果表明，無論哪種壓力情況，泄漏口附近的監(jiān)測點(x=±22.5 m，y=2.3 m)甲烷濃度先達到峰值，對稱監(jiān)測點甲烷濃度成對稱分布情況。管道壓力為0.2 MPa時，各監(jiān)測點濃度變化不明顯。故低壓時，氣體射流較弱，泄漏量較少，參與湍流擴散的氣體量較少；管道壓力為0.4 MPa時，各監(jiān)測點甲烷濃度變化比0.2 MPa時起伏大，越靠近泄漏口體積分數變化越大，監(jiān)測點(x=±22.5m，y=2.3 m)同一時間達到濃度峰值。150～250 s期間，各監(jiān)測點峰值呈波峰波谷變化，振蕩波形紊亂；管道壓力為0.8 MPa時，迎風區(qū)和逆風區(qū)甲烷濃度開始出現(xiàn)分層變化，迎風區(qū)監(jiān)測點濃度波動變化較大，尤其是靠近泄漏口附近的監(jiān)測點8，逆風向監(jiān)測點濃度變化緩慢，這說明管道壓力為0.8 MPa時，迎風向受卷吸作用和湍流干擾強；管道壓力為1.6 MPa時，迎風區(qū)和逆風區(qū)甲烷濃度變化分層現(xiàn)象明顯，迎風區(qū)甲烷濃度變化趨勢較0.8 MPa時穩(wěn)定，隨泄漏進程的加快，振蕩變化幅值逐漸趨于零，而逆風區(qū)甲烷濃度剛開始只有微小波動后迅速趨于一條直線，迎風區(qū)和逆風區(qū)濃度峰值最大振幅差約為0.16，迎風區(qū)濃度波動變化情況：0.8 MPa>0.4 MPa>0.2 MPa>1.6 MPa，而逆風區(qū)0.4 MPa>0.2 MPa>0.8 MPa>1.6 MPa。

3 管道壓力對管艙內流場分布的影響

流場變化最能反映天然氣擴散運動的規(guī)律。圖4為不同壓力情況下管艙內流場分布情況，可以看出，管道壓力為0.2 MPa時，泄漏量較小，只有泄漏口附近出現(xiàn)射流，形成小尺寸渦團，擴散過程中預混氣體卷吸作用不強，迎風向和逆風向湍流變化不明顯，渦團變化較穩(wěn)定，新渦團主要為壁面約束形成的壁面渦團；管道壓力為0.4 MPa時，除了逆風向回流區(qū)出現(xiàn)不規(guī)則渦團后，逆風向渦團變化穩(wěn)定，迎風向區(qū)域不斷有新渦團產生，加速擴散進程；管道壓力為0.8 MPa時，逆風向區(qū)域泄漏口附近渦團尺寸逐漸變小，迎風向區(qū)域渦團尺寸逐漸變大，這是因為迎風向動態(tài)擴散氣體與逆風向靜態(tài)空氣相比壓差變大，速度梯度較大，湍流擴散主要向迎風向區(qū)域運動，逆風向區(qū)域只有少量低濃度氣體偏移擴散；管道壓力為1.6 MPa時，泄漏量大，射流現(xiàn)象明顯，迎風向區(qū)域擴散距離增大的同時，逆風向收縮回流區(qū)也增大，故泄漏口附近迎風區(qū)和逆風區(qū)都由于湍流運動誘導了渦團的形成，迎風區(qū)渦團尺寸較大。綜上，隨著管道壓力增大，泄漏量增大，射流噴射加速，動態(tài)天然氣和靜態(tài)空氣密度梯度、速度梯度及壓力梯度相差越大，受到重力慣性力和浮力的影響越大，出現(xiàn)強迫卷吸現(xiàn)象越明顯，加速渦團形成與運動，促進天然氣擴散。

(a)0.2 MPa

(b)0.4 MPa

(c)0.8 MPa

(d)1.6 MPa

4 管道壓力對報警響應時間的影響

報警時間與報警濃度直接相關，天然氣報警濃度是指天然氣爆炸下限的20%，(20%LEL)爆炸極限為體積分數的5%～15%(LEL～UEL)。表2、表3、圖5表示的是不同壓力情況下各監(jiān)測點報警時間的變化關系，可以看出通風死角處監(jiān)測不到報警時間，最短報警時間出現(xiàn)在迎風向區(qū)域靠近泄漏口位置，最長報警時間出現(xiàn)在逆風向遠離泄漏口位置，即通風死角處。管道壓力越高，動量交換越快，渦團運動越劇烈，監(jiān)測點濃度分層現(xiàn)象越明顯，天然氣擴散越快，迎風區(qū)濃度分布變化波動越大，最大波動出現(xiàn)在管道壓力為0.8 MPa的情況下，而逆風區(qū)濃度分布逐漸穩(wěn)定。且管道壓力越高，同一位置處的報警時間逐漸減小，變化幅度最大值位于x=80.5 m、y=2.3 m處，說明管道壓力與報警時間成反比關系。為了能更好的表示出報警時間和監(jiān)測點位置變化的關系，根據1stOpt對報警時間(t)和監(jiān)測點位置(x)進行擬合，擬合度均達到0.999，得到如下函數關系式：

表2 逆風區(qū)報警時間和監(jiān)測點位置的關系

P=0.2 MPa時，t= 27.39-0.23x+0.05x2+8.09×10-5x3-9.58×10-6x4-1.49×10-8x5+8.06×10-10x6

P=0.4 MPa時，t= 23.67-0.19x+0.04x2-3.18×10-6x3-4.37×10-6x4+2.72×10-11x5+2.24×10-10x6

P=0.8 MPa時，t=18.21-0.22x+0.03x2+2.16×10-6x3-3.95×10-6x4-2.02×10-10x5+2.02×10-10x6

P=1.6 MPa時，t= 15.11-0.25x+0.03x2-9.48×10-6x3-3.65×10-6x4+6.74×10-10x5+1.85×10-10x6

圖5 報警時間隨監(jiān)測點位置的變化關系

5 結論

本文通過數值模擬深入研究綜合管廊管艙內天然氣管道壓力對管艙天然氣管道泄漏擴散特性的影響，主要得到以下結論：

(1) 隨著管道壓力逐漸增大，監(jiān)測點濃度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，迎風區(qū)濃度變化波動較大，最大波動出現(xiàn)在0.8 MPa壓力情況下，而逆風區(qū)濃度變化逐漸穩(wěn)定。

(2)隨著管道壓力增大，泄漏量增大，射流噴射加速，動態(tài)天然氣和靜態(tài)空氣密度梯度、速度梯度及壓力梯度相差越大，受到重力慣性力和浮力的影響越大，強迫卷吸現(xiàn)象越明顯，加速渦團的形成與運動，促進天然氣擴散。

(3)管道壓力越高，報警時間越短，管道壓力與報警時間成反比。