坡面天然氣管道泄漏擴散數(shù)值模擬

李 一 慶

（中國石化廣東石油分公司, 廣東 廣州 510620）

天然氣管道由于管材缺陷、腐蝕老化、第三方破壞及施工缺陷等原因，經(jīng)常發(fā)生泄漏，極易引起人員中毒、爆炸、火災及環(huán)境污染等事故，嚴重威脅到人員安全和管道周圍環(huán)境。為此國內(nèi)外學者對城鎮(zhèn)天然氣泄漏擴散過程進行了大量研究，以期掌握規(guī)律進而降低其危害。天然氣等危險性氣體泄漏擴散過程的研究方法主要包括實驗方法[1-3]、數(shù)值模擬方法[4-6]，其中數(shù)值模擬方法因其成本低、條件設置簡便、計算速度快等優(yōu)點成為研究氣云擴散規(guī)律的重要手段。近些年，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件因其精確的環(huán)境參數(shù)、物性參數(shù)設置等，進而可以準確地模擬流場。朱紅均等人對平坦地區(qū)含硫化氫技術(shù)管道的泄露過程進行了數(shù)值模擬[7]；劉延雷和董剛等人對高壓天然氣管道的泄露擴散過程進行了數(shù)值模擬[8-9]；李朝陽則對架空高含硫天然氣管道泄露進行了數(shù)值分析，確定了硫化氫和天然氣的擴散規(guī)律[10]。基于以上，本文以中西部某天然氣管道為例，考慮山坡影響，利用CFD 軟件，采用可實現(xiàn) 模型，對天然氣管道泄漏擴散過程進行了數(shù)值模擬，綜合分析了不同風速、不同泄漏口位置對擴散過程的影響，以期總結(jié)天然氣泄漏擴散規(guī)律，為建立安全輸送體系、制定應急方案提供切實的理論指導。

1 模型建立

1.1 物理模型

天然氣泄漏擴散過程，宜受大氣溫度、風速、地形狀況、泄漏位置、輸送壓力等因素影響。根據(jù)實際工程狀況，選取一個足夠大泄漏區(qū)域及擴散區(qū)域的空間，進而研究燃氣的擴散過程。本文針對某山坡燃氣管道泄漏過程進行了數(shù)值模擬，燃氣管道布置在山坡，山坡高5 m，傾角為45°；泄漏口直徑為0.1 m，泄露速度約為314 m/s，且向上傾斜15°（可變），燃氣溫度和環(huán)境溫度均為288.15 K，大氣壓力為101.325 kPa。采用二維孔口模型進行數(shù)值模擬，模擬區(qū)域為15 m×10 m，具體模型及網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 控制方程

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

式中: u—速度矢量，m/s；

ρ—密度，kg/m3；

p＇ —修正壓力，Pa；

μeff—有效湍流粘度，Pa?s；

μt—湍流粘度，Pa?s。

能量守恒方程：

式中: htotal—總焓，kJ/kg；

T —溫度，K；

τ —粘滯力，N；

SM—動量源；

SE—能量源。

k 方程

其中：κ—湍流動能，J；

ε —耗散率；

C1ε、C2ε、C3ε、C1、A0、σε、σκ—常數(shù)；

Gκ—因速度梯度產(chǎn)生的湍流動能源項；

Gb—因浮力產(chǎn)生湍流動能源項；

YM—在可壓縮中波動擴張引起的耗散項；

ν —運動粘度，m2/s。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 泄漏擴散過程分析

通過模擬得到了天然氣泄漏后，不同時刻擴散過程甲烷的濃度值及危險區(qū)域（爆炸極限5%～15%），給出了 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 s 及 1 s 時刻泄漏擴散濃度圖，并具體分析了泄漏5s 時甲烷濃度分布圖及泄漏速度分布圖。

由圖2 可知，0.1 s 時甲烷從泄漏口高速射出，泄漏傾角為15°，此時受風影響，甲烷僅向斜上方擴散了一小段距離，大量氣體聚集在坡面附近，形成氣團；隨著時間的增加，該氣團沿著坡面逐漸向下擴散，水平方向擴散緩慢；到0.3 s 時，接近地表，0.4 s 時完全到達地表，0.5 s 時沿地表向水平方向擴散開來，并有回流趨勢，1 s 時甲烷已經(jīng)擴散到整個地表，但大量氣體仍在坡面附近。

圖2 泄漏1s 內(nèi)甲烷擴散濃度圖Fig.2 Concentration diagram of methane diffusion in 1 s

圖3 泄漏5 s 時甲烷濃度擴散圖Fig.3 Concentration diagram of methane diffusion in 5 s

由圖3 可知，當泄漏5 s 時，大量氣體由坡面擴散到地表，在水平距離5～6 m 時，爆炸下限5%濃度最高達到7.81 m，在坡面向下至10 m 內(nèi)是甲烷高濃度區(qū)域，易發(fā)生爆炸及中毒現(xiàn)象。圖4 給出了5 s 時甲烷的水平速度及垂直速度分布，由于傾角為15°，所以水平方向速度大于豎直方向速度。由圖4（a）可以看出大量氣體向x 正方向擴散，但在地表附近部分氣體沿地表向x 負方向擴散，形成了渦流，這是因為氣體由泄漏口高速射流，帶動坡面附近的空氣，形成卷吸效應，進而形成了渦流；而在豎直方向亦如此，如圖4（b）所示。

2.2 風速及泄漏傾角對泄漏擴散的影響

筆者選取泄漏速度為314 m/s，泄漏傾角為15°，風速分別選取2, 5, 10 m/s，以此來分析風速對泄漏擴散的影響。模擬結(jié)果如圖 5 所示，風速為 2 m/s時對泄漏擴散影響較小，在水平距離5～6 m 時達到最高區(qū)域為7.9 m，此后逐漸下降，曲線圖呈拋物線狀；隨著風速增加，爆炸下限濃度曲線逐漸下移，當水平距離為5～6 m 時，爆炸濃度曲線最高區(qū)域分別為7.84 m 和7.81 m ，同比風速2 m/s 變化不明顯。

圖4 泄漏5 s 時甲烷速度分布圖Fig.4 Concentration diagram of methane velocity in 5 s

圖5 風速對甲烷爆炸下限影響Fig.5 The effect of wind speed on methane explosive lower limit

對于泄漏傾角的影響，筆者選取泄漏傾角分別為10°、15°和20°，風速10 m/s，以此來分析泄漏傾角對泄漏擴散的影響。模擬結(jié)果如圖6 所示，當泄漏傾角為15°時，爆炸下限濃度曲線呈拋物線型，上升最高區(qū)域為7.81 m；當泄漏傾角為20°時，爆炸下限濃度曲線上升最高至8.88 m，危險區(qū)域大大增加，爆炸下限濃度曲線也呈拋物線型；當泄漏傾角為10°時，此時爆炸下限濃度曲線與地表形狀類似，先沿著坡面下降，后沿著地表呈緩慢上升趨勢，危險區(qū)域主要集中在地表。

圖6 泄漏傾角對甲烷爆炸下限影響Fig.6 Effect of leakage inclination on methane explosive lower limit

3 結(jié) 論

（1）泄漏1 s 內(nèi)，甲烷主要沿著坡面擴散，大部分集中在坡面附近；泄漏5 s 時，甲烷已經(jīng)擴散到整個區(qū)域，且濃度爆炸下限最高達到7.81 m；在地表及坡面形成了渦流，危險區(qū)域大大增加；

（2）當泄漏傾角為 15°時，風速對爆炸濃度下限影響較小，且濃度曲線呈拋物線型；隨著傾角的增加，爆炸下限濃度曲線上升，危險區(qū)域增大，最高區(qū)域達到8.88 m；當傾角減小到10°時，風速影響較大，使得氣體主要沿著地表進行擴散，爆炸下限濃度曲線也沿著地表呈先減小后增大型。

（3）天然氣管道泄漏在運行中不可避免，為天然氣安全輸送機緊急預案的制定提供一定的理論依據(jù)。

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