0 引言

天然氣是一種清潔高效能源，在工業(yè)生產(chǎn)及生活中廣泛應(yīng)用。隨著天然氣用量的急劇增加，天然氣管道建設(shè)規(guī)模也越發(fā)龐大，天然氣管道泄漏導(dǎo)致的燃燒爆炸，會對管道周圍的人員生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴重威脅[1-4]。因此研究天然氣管道泄漏擴散規(guī)律，了解環(huán)境中天然氣濃度分布情況，對減少因天然氣泄漏導(dǎo)致的燃燒爆炸事故發(fā)生尤為重要[5]。

國內(nèi)外學(xué)者利用計算流體力學(xué)方法對氣體管道泄漏情況開展了大量研究。GUPT[6]采用計算流體力學(xué)方法對比分析了變泄漏速率條件下天然氣管道泄漏和擴散情況。周寧[7]利用數(shù)值計算方法采用k-ε湍流模型計算了不同環(huán)境風速和初始泄漏速度下石化管道中丁烷氣體的泄漏情況，得到了環(huán)境風速和泄漏速率與爆炸危險區(qū)域面積的關(guān)系。

某電站廠區(qū)周圍存在天然氣管線，天然氣管道泄漏產(chǎn)生的氣體云團爆炸易對電廠建筑造成一定的破壞，而天然氣泄漏爆炸的實驗成本極高，難以實現(xiàn)。因此本文采用數(shù)值模擬方法，利用ANSYS fluent軟件計算研究天然氣管泄漏后氣體濃度分布，為制定有效的風險防控方案提供支撐。

1 模型建立

1.1 網(wǎng)格劃分

天然氣管道與某電廠區(qū)域三維空間大小為5000m×3000m×2000m，包含泄漏管道、廠區(qū)建筑以及外部大氣空間。根據(jù)物理模型進行計算域網(wǎng)格劃分，為了提高計算精度，對泄漏管道及附近區(qū)域、廠區(qū)建筑進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為82.64萬，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計算域整體網(wǎng)格

1.2 計算條件

本文主要研究天然氣管道完全破裂情況下天然氣泄漏擴散情況，管道泄漏直徑設(shè)置為DN600，天然氣管道初始壓力為4MPa。天然氣管道及電廠所在地年平均風速為2.1m/s，氣象最不利條件風速為1.5m/s。天然氣管道泄漏點上游2.3km和下游9.3km分別存在一個閥室和調(diào)壓站，可以在發(fā)生泄漏68秒時刻將上下游閥門關(guān)斷。天然氣主要成分甲烷CH4，計算域入口為速度入口，地面為wall，其他邊界均為壓力出口。基于納維斯托克斯組的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，采用有限體積法進行求解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 1.5m/s風速計算結(jié)果

按管道破裂后68s時刻關(guān)斷情況進行計算，1.5m/s風速下，不同時刻6號、2號建筑進風口天然氣濃度隨時間變化情況如圖2所示，其中0s時刻表示泄漏開始時刻。

由圖2可知，1.5m/s風速情況下，泄漏事故發(fā)生后119.66s時刻天然氣云團到達6號建筑進風口位置。泄漏事故發(fā)生后143.16s時刻6號建筑進風口天然氣達到最高濃度，其瞬時最高濃度為0.08%，低于天然氣的爆炸下限4%。6號建筑進風口為距離事故點最近的進風口，2號建筑進風口由于距離較遠，在上述時段計算過程中捕捉到的天然氣濃度非常小。泄漏事故發(fā)生后504.16s時刻天然氣云團到達2號建筑進風口位置。泄漏事故發(fā)生后583.16s時刻2號建筑進風口天然氣達到最高濃度，瞬時最高濃度為0.0000171%。

圖2 1.5m/s風速時建筑進風口天然氣濃度變化過程

分別選取20s、40s不同時刻觀察三維空間天然氣云團濃度分布，如圖3所示。

圖3 1.5m/s風速下不同泄漏時間云團濃度分布

由1.5m/s風速下不同時刻天然氣云團濃度分布圖可以看出，泄漏后的天然氣云團呈狹長條狀。這是由于管道內(nèi)4MPa壓力下裂口噴出的氣流速度遠大于環(huán)境風速，因此裂口附近天然氣云團主要呈現(xiàn)向前運動趨勢；隨著距離的增加，云團速度不斷衰減，遠場云團運動方式主要呈現(xiàn)為環(huán)境風作用下的擴散模式。由于天然氣比重小于空氣，隨著距離的增加，云團頭部逐漸呈升高趨勢，30s時刻天然氣云團頭部前鋒陣面已經(jīng)接近電廠區(qū)位置。

1.5 m/s風速下不同時刻4%和10%體積濃度等值面內(nèi)包含的天然氣質(zhì)量如表1所示。

由表1可得，1.5m/s風速下，20s時刻4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為13276.38kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。25s時刻10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為838.38kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。

表1 不同時刻下4%和10%濃度等值面包含天然氣質(zhì)量（1.5m/s風速）

2.2 2.1m/s風速計算結(jié)果

上下游管道68s關(guān)斷時，2.1m/s風速下，不同時刻6號、2號建筑進風口天然氣濃度隨時間變化情況如圖4所示。

圖4 2.1m/s風速時建筑進風口天然氣濃度變化過程

2.1 m/s風速情況下，泄漏事故發(fā)生后經(jīng)過105.16s天然氣云團到達6號建筑進風口位置。經(jīng)過128.66s進風口天然氣達到最高濃度，瞬時最高濃度為0.11%，低于天然氣的爆炸下限4%。6號建筑進風口為距離事故點最近的進風口，2號建筑進風口在上述時段計算過程捕捉到的天然氣濃度非常小。泄漏事故發(fā)生后503.16s時刻天然氣云團到達2號建筑進風口位置。泄漏事故發(fā)生后600.16s時刻2號建筑進風口天然氣達到最高濃度，瞬時最高濃度為0.00000351%。

分別選取20s、40s不同時刻觀察三維空間天然氣云團濃度分布，如圖5所示。

圖5 2.1m/s風速下不同泄漏時間云團濃度分布

由2.1m/s風速下不同時刻天然氣云團濃度分布圖與爆炸下限等值面圖可以看出，泄漏后的天然氣云團形狀整體與1.5m/s風速相似。相同時刻2.1m/s風速下云團前進距離比1.5m/s風速情況略遠，30s時刻云團前鋒陣面到達電廠區(qū)邊緣位置。

不同時刻4%和10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量如表2所示。

表2 不同時刻下4%和10%體積濃度下含天然氣質(zhì)量（2.1m/s風速）

由表2可得，2.1m/s風速下，25s時刻4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為13379.08kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。25s時刻10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為836.42kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Fluent軟件對天然氣管道泄漏進行數(shù)值模擬，計算并分析了不同風速條件下天然氣的泄漏分布情況。在1.5m/s和2.1m/s風速時，4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大的時間分別為20s和25s，天然氣質(zhì)量分別為13276.38kg和838.38kg，10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大的時間均為25s，天然氣質(zhì)量分別為13379.08kg和836.42kg。