埋地天然氣管道泄漏爆炸區域數值模擬

周 立 峰

（中油遼河工程有限公司，遼寧 盤錦 124010）

天然氣是一種高效清潔的能源，其主要成分為甲烷，還伴有少量硫化物和水蒸氣等。當空氣與甲烷一定比例混合時，遇明火可發生爆炸。所以泄漏不僅對周圍環境造成污染，一旦發生爆炸，對周圍建筑、人員以及國民生產造成巨大的影響。目前，許多學者從不同角度，對天然氣泄漏進行了研究。董玉華等[1]對長輸管道穩態氣體的泄漏率進行了計算；劉明禮等[2]研究了天然氣泄漏量的方法并分析了天然氣泄漏最佳檢測條件；馮文興等[3]對比分析了管道泄漏中大孔模型和小孔模型；程勇等[4]采用高斯模型分析了輸氣管道泄漏后氣體的擴散；一些學者從安全角度對輸氣管道泄漏進行了數值模擬[5-8]。本文運用有限容積法，考慮在障礙物和土壤共同條件下，對天然氣管道泄漏進行了數值模擬，對比分析了障礙物在土壤層中和地面上時，對甲烷爆炸區域的影響。本文為埋地天然氣管道的理論研究，合理設計敷設區域提供一定指導。

1 數學模型

1.1 控制方程

連續性方程：

動量守恒方程：

其中：effm為有效粘度，kg/ms；tm為湍流粘度，kg/ms；B為合外力，N； p￠為修正壓力，Pa。

能量守恒方程：

其中：ES為能量源；MS為動量源；T為溫度，K；t為粘滯力，N；toth 為總焓，kL/kg。

1.2 標準的運輸方程

式中：kG為平均速度梯度引起的湍動能產生項，bG 為浮力引起的湍動能產生項，MY 為可壓縮湍流脈動膨脹對總得耗散率的影響。經驗常數C1e=1.44，C3e=1, Cm=0.09。

1.3 物質擴散模型

式中：Si為用戶定義的第i種物質的速率，Ji為第i種物質的質量擴散速率。湍流中質量擴散：

式中：tSc為湍流施密特數。

2 數值模擬與結果分析

2.1 建立天然氣管道泄漏模型

某埋地天然氣管道，泄漏管長300 m，泄漏速度320 m/s管道外徑750 mm，埋深1.2 m，泄漏口中心在X=150，Y=-1.2 m處，半徑10 cm，土壤作為多孔介質，孔隙度0.267，密度2 600 ，導熱系數為1.51 ，泄漏氣體和環境溫度相同為300 K，無風，天然氣中甲烷含量 95%，甲烷濃爆炸濃度為5%~15%，障礙物為矩形；分為3種情況：模型1：無障礙物；模型 2：障礙物在土壤層中，障礙物寬0.5 m，高1.2 m；模型3：障礙物在地面上，寬為0.5 m，高5 m。

2.2 CFD模擬結果

無障礙物條件下，天然氣管道泄漏初期5 s，天然氣對稱擴散，土壤層中甲烷爆炸濃度呈上寬下窄的盤子狀，地上爆炸濃度水平距泄漏口 4.4~5.5 m處，最高達40.55 m（見圖1）。管道繼續泄漏至30 s時，甲烷對稱擴散量增加，甲烷云圖呈蘑菇狀，最高可達239.66 m，土壤中最遠達8.15 m，爆炸濃度水平距泄漏口5~6 m，（見圖2）。這是因為：土壤作為多孔介質，對氣體擴散具有阻礙作用，可減少氣體湍能，同時具有儲存能力，能儲存一定量的氣體。管道泄漏初期，氣體做高速射流運動，由于土壤的作用，使土壤層中聚集高濃度氣體，當氣體擴散出土壤時，又受到大氣阻力，爆炸區域較小，聚集云團外層；隨著泄漏量的增加，氣體湍能增大，爆炸濃度繼續擴散，到一定高度時，由于相對高空速度低，而在相對低空處天然氣不斷積累，致使出現渦流，爆炸濃度大量聚集在高空處。

當泄漏口右側土壤中存在障礙物時，在泄漏初期 5 s時，云團不對稱，土壤層甲烷向左擴散到X=132.4處，地面上空在障礙物上出現渦，土壤層中甲烷危險濃度最遠達左邊22.75 m，而地面上層，渦出現在距障礙物8 m處，地上左端爆炸濃度水平距泄漏口13~20 m處，地上右端爆炸濃度水平距泄漏口0.3~0.5 m處（見圖3）。繼續擴散到30 s時，地面上空云團呈向右傾斜的蘑菇狀，最高達172 m，地上左端爆炸濃度水平距泄漏口9.8~12.9 m處，地上右端爆炸濃度水平距泄漏口0.3~0.54 m處（見圖4）。，此模型天然氣擴散不對稱，左端爆炸濃度范圍遠大于右端。對比無障礙物模型，甲烷擴散在高空中出現了渦，云圖高度較低，左端爆炸濃度范圍大于無障礙時泄漏模型，而右端爆炸濃度范圍小于無障礙時泄漏模型，這是因為：土壤層泄漏口右端障礙物對擴散具有阻礙作用，可使甲烷在左側不斷的聚集，難以擴散，提高了泄漏口左端爆炸危險性，天然氣擴散受土壤、大氣和障礙物的影響，使泄漏初期障礙物上空出現渦，而不斷泄漏可提高氣體湍能，使渦流高度上升。

當泄漏口右側地面上存在障礙物時，擴散初期，土壤層中氣體近似對稱擴散，土壤層爆炸區域上窄下寬，地面上空泄漏口左側擴散濃度略大于右側，地上左端爆炸濃度水平距泄漏口4.42~5.15 m處，地上右端爆炸濃度水平距泄漏口4.5~5 m處，地面上泄漏口左右兩端爆炸區域近似相等（見圖5）。持續泄漏到30 s，地面上空云團，泄漏左側高129 m處出現渦，泄漏口右側高144 m高處出現渦，甲烷云圖最高達180 m，地上左端爆炸濃度水平距泄漏口5.1~6.7 m處，地上右端爆炸濃度水平距泄漏口5.2~6.7 m處，地面上泄漏口左右兩端爆炸區域近似相等（見圖6）。此模型在土壤層中天然氣近似層對稱擴散，地面上泄漏口左右兩端爆炸區域近似相等，這是因為：地面上空障礙物對氣體向上和向右擴散具有阻礙作用，使氣體聚集在土壤層和障礙物左側，由于土壤層作為多孔介質，具有一定的孔隙度，使氣體透過土壤繞過障礙物在右端擴散。

對比3個模型，同一時刻，甲烷在高空中擴散高度上，模型1高度最高，而模型3略高于模型2；甲烷在地面水平方向上，在泄漏口左端，模型2爆炸范圍最大，模型1略大于模型3的爆炸范圍，而在泄漏口右端，模型2爆炸范圍最小，模型1略大于模型3的范圍。

3 結論及建議

通過對多孔介質條件下天然氣管道泄漏的數值模擬，得出結論：障礙物對氣體的擴散具有阻礙作用，使氣體在障礙物相對來源方向聚集，并且爆炸區域在相對來源方向擴大；當泄漏口右側土壤層存在障礙物時，障礙物可完全阻礙天然氣向土壤右側擴散，使氣體大量聚集在障礙物左側，左側爆炸范圍不斷擴大，對爆炸范圍影響較大，而在右側爆炸范圍則相對較小；當障礙物在泄漏口右側地面上時，土壤層爆炸濃度呈上窄下寬，而在地面上空，雖然障礙物對氣體擴散起到一定的阻礙作用，但由于多孔介質存在，使氣體透過多孔介質繞過障礙物擴散，對氣體擴散影響相對較小。對比分析了3個模型在同一時刻，對天然氣爆炸范圍的影響，得出結論：在高空中，土壤層存在障礙物時，甲烷爆炸范圍最小；在地面水平方向上，土壤層中存在障礙物時，甲烷爆炸范圍影響最大，可有效阻礙氣體向障礙物方向擴散，使障礙物方向爆炸范圍降低，但在另一端，甲烷爆炸范圍將大大提高。

本文為了方便計算，本文采用二維數值模擬，與實際情況有一定的誤差。建議學者今后對天然氣管道泄漏模擬采用三維模擬，使結果更接近實際。

圖1 無障礙物5 s云圖Fig.1 No obstacle of 5 s images

圖2無障礙物30 s云圖Fig.2 No obstacle of 30 s images

圖3 土壤層中5 s云圖Fig.3 The soil of 5 s images

圖4 土壤層中30 s云圖Fig.4 The soil of 5 s images

圖5 地面5 s云圖Fig.5 The ground 5 s images

圖6 地面30 s云圖Fig.6 The ground 5 s images

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［2］劉明禮，向啟貴，戴忠.管輸系統天然氣泄漏量計算模式及泄漏檢測最佳條件的確定[J].石油與天然氣化工，2001,31（1）：47-51.

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［4］程勇，于林，姚安林.采用高斯模型分析輸氣管道泄漏后氣體的擴散[J]. 內蒙古石油化工，2010（14）：49-51.

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