大慶市區天然氣管道泄露后果模擬及防火安全對策

楊 志 國

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大慶市區天然氣管道泄露后果模擬及防火安全對策

楊 志 國

（大慶市公安消防支隊， 黑龍江 大慶 163000）

天然氣作為清潔能源，廣泛的應用在城市生活及工業生產的各個領域，但從消防安全工作方面，有必要對天然氣管道的安全運行情況進行研究。結合大慶天然氣運輸管道，利用數值計算軟件FLUENT模擬天然氣管道在運行過程中發生泄漏后的擴散情況，在相對理想的情況下得到一些數據，并根據數據提出幾點合理化消防安全對策，希望有助于消防安全工作。

天然氣；數值計算；消防安全

我國天然氣儲量十分豐富，目前天然氣剩余可采儲量2萬億m3，位居世界第15位。天燃氣與石油能源和煤炭能源相比，是比較好的清潔能源，也是世界上一次性消費能源中最重要的能源。目前天燃氣輸送廣泛采用高壓輸氣管線，輸氣管線由于施工人員不慎、腐蝕造成穿孔、設備老化等原因，會造成高壓天然氣管道的泄漏，一旦發生泄漏，天然氣與空氣混合后遇點火源很容易發生爆炸、火災事故。本文基于對天然氣高壓輸氣管線泄露的數值進行模擬計算，對天然氣高壓管線泄漏之后的擴散規律進行探究，并提出針對性的防火安全對策。

1 模型建立

1.1 模擬條件

大慶油田天然氣儲運二隊，一條集氣管線為模擬對象，該管線位于保田村，其周圍環境為：天然氣管道兩側居民房屋在管道中心線5 m以內；管道在穿越臥龍路40 m后轉向正東敷設約1 000 m，管道距平房區距離約5 m，距商服樓區約15 m。

1.2 物質傳輸與擴散模型

由于物質擴散過程中存在分子間粘性作用，變準湍流模型忽略了這一點，而紊流模型中恰恰能充分補充這一不足，在求解平面射流和圓孔射流時精度較高，且求解高壓力梯度、分離速度等條件下的涉及旋轉、邊界層問題也有非常高的精度。因此，該條件下適用下面紊流方程：

方程：

其中：—湍流動能，J；

—耗能率；

1ε、C2ε、3ε、1ε、1、0、σ、σ—常數；

G—因速度梯度產生的湍流動能源項；

G—因浮力產生湍流動能源項；

M—在可壓縮中波動擴張引起的耗散項；

ν—運動粘度，㎡/s。

式中：—速度矢量，m/s；

—密度，kg/m3；

—合外力，N；

eff—有效湍流粘度，Pa·s；

μ—湍流粘度，Pa·s。

1.3 邊界條件和初始條件

現假設其管道表面由于腐蝕產生泄漏,小孔的直徑為5 mm；輸送介質為干氣，管道的實際輸送能力為80×104m3/d;設計壓力為1.6 MPa;運行壓力1.0 MPa,管徑為630 mm,管道內徑為595 mm，長度為100 m。其余室外常量均取大慶地區平均量，如輸氣溫度4.2 ℃，質量流量6.375 kg/s,風速為3.8 m/s，大氣穩定度為F級。

2 數值模擬及結果分析

2.1 數值模擬

利用數值計算軟件FLUENT，選用紊流模型，進行計算預測管道中某點泄漏之后擴散情況得出如下幾個圖，1、5、10 min后，天然氣管道周圍天然氣濃度情況如圖1、2、3所示。

圖1 1 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

圖2 5 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

由以上模擬結果我們可以總結出，在擴散1 min中，泄漏點形成紊流之后，天然氣在外界的風及氣溫作用下，形成圖1右的數據，甲烷的擴散趨勢在管壁處向外10 m遞增，且在10 m左右濃度最大，最為危險，在10 m之外濃度遞減。因此可以看出，在天然氣泄漏1 min之后，10 m處濃度最大，在5%~15%之間，最易引起爆炸。在泄漏出現1 min的時候，我們可以通過圖1左看出，天然氣的擴散速率，依然在10 m左右處最大，并且應該還會存在向更遠處擴散的趨勢。此時，危險范圍近在10 m左右，如此時有適當的處理辦法，損失會最小，且也較容易處理。

數值計算軟件，選用擴散紊流模型，計算天然氣管道泄漏5 min時候，甲烷濃度及天然氣速率為圖2所示。如圖2可以看出，在風速、室溫一由定的情況下，延續1 min時候的計算結果，甲烷濃度最大點還在10~20 m之間，而甲烷的擴散范圍大大的增大到50 m。最大的濃度還是在10 m左右，但橫向傳播較快，在泄漏點20 m左右，這一范圍內濃度最大，最容易出現爆炸及火災。

天然氣的擴散速率示意圖如圖2左，我們可以看出在5 min的時候，天然氣擴散較快，其甲烷的擴散范圍與天然氣的大體擴散范圍不一樣的原因是由于分子量的不同造成其擴散速率的不同，在5 min時候，天然氣在80 m范圍內均有出現，并且濃度還有增加的趨勢，但其中易燃易爆的甲烷主要在30 m以內，所以此時只要做好30 m內的安全工作，不出現點火源，就不會出現火災爆炸等重大危險事故，而此時如果采取措施控制住泄漏，危險也會馬上降低，在空氣中的甲烷含量會隨著時間慢慢得到稀釋。

由圖3左可以看出，在10 min的時候泄漏的甲烷在50 m以內都已經出現，而在40 m以內的濃度高達20%左右，均已高出5%~15%，非常危險，此時如果有明火出現，或者其他相應的點火源，極容易引起爆炸，后果不堪設想。在圖3右我們可以看出，在泄漏累積十分鐘的時候，天然氣的高速率已經在80 m以內出現，此時的擴散趨勢還是在向更遠處擴散。

圖3 10 min后管道周圍天然氣速率（左）及甲烷含量（右）

2.2 結果分析

通過以上三圖我們可以看出，隨著時間的增加，泄漏的天然氣高速率在向更遠處傳播，而甲烷的濃度還是在40 m以內，這就告訴我們40 m以內是10 min泄漏的安全范圍，如果40 m以內出現火源、熱源等，就會發生爆炸或火災。

3 防火安全對策

3.1 泄漏事故補救對策

由以上結算結果可以看出，在1 min后，10 m范圍內如果及時發現泄露，做出反應，泄漏被控制，天然氣擴散的范圍也會縮小，危險范圍也僅在10 m內。因此，基于對計算結果的預測，我們建議在管道10 m范圍內安裝預警裝置，該裝置一旦探測出泄漏高濃度天然氣，立即向天然氣管道調度室報警，調度人員派人切斷泄露點的氣源，并且向消防部門報警，要求出警控制周圍環境，及時采取防范措施。

通過計算可知，在5 min鐘時候，天然氣中甲烷擴散到50 m左右，但高濃度的甲烷還是在20 m以內。如果按照上文提到，及時處置，且關閉天然氣管道輸氣閥門，那么20 m范圍內不出現火源，等待有關人員達到處置，泄漏事故損失可以降到最低。

在泄漏10 min后，我們可以看到高濃度還是在40 m以內，且擴散范圍較5 min時候大很多，此時按照理想狀態下，處置人員應及時趕到，對人員進行疏散，控制火源，采取降低濃度等措施，對泄漏點進行處理，防止由于老化、腐蝕而泄漏的管道進一步擴大。

3.2 日常防火工作

以上均是以理想狀態下，安裝報警裝置后，裝置正常工作，有關處置人員在行駛路況正常，天氣正常情況下及時趕到進行的處置措施。但在日常維護及預防的工作中，要做到以下幾點，力爭出現泄漏時候及時反應，能有效控制事故的發生：

(1)對使用的設備，必須嚴把質量關。管線連接盡量采用焊接,并按有關標準和規定進行監測，在完工驗收時候，質監人員要做好驗收檢查工作。

(2)設置可燃氣體濃度檢測報警裝置及泄漏自動切斷氣源裝置，并設置與管道調度及應急救援單位通信設施，做到及時反應。

(3)嚴格控制火源。在規定范圍定期檢查火源情況，防止在泄露時候出現點火源，引起爆炸或火災。

(4)在安全范圍內要有一定監控裝置，時刻監控天然氣擴散速度，為救災滅火提供理論依據。天然氣流量儀及信號傳輸裝置的選取，建議選用耐寒型，在距離河流湖泊較近的地方要選取防水型。

4 結束語

本文在選用紊流模型對天然氣管道泄漏進行研究，總結出了三個時間點的管道泄漏后，擴散范圍及趨勢。在計算過程中選用大慶地區平均氣溫及具有代表性的風速，該計算結果也具有代表性，可以為大慶地區天然氣管道泄漏提供理論依據。由于環境變換的復雜性，計算也存在一定的不足，借鑒以上計算結果的科研人員，可根據某些變量進行修改計算。

在泄漏事故發生后，筆者探究在理想狀態下，如何進行補救，如何控制火災的發生，在此提出兩點建議：

（1）預警裝置要選用先進的濃度監控裝置，并能滿足與油田天然氣管道監控中心聯網，進行實時監測；

（2）由于黑龍江自然環境較為惡劣，夏季炎熱，冬季寒冷，管道常年暴露在野外環境，泄漏事故很容易發生，定期對管道進行檢查，及早發現管道的不安全狀態，進行有效維護，泄漏事故可以減少發生，安全事故也會相應減少。

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Consequence Simulation of Natural Gas Pipeline Leakage Accident in Daqing City and Fire Safety Countermeasures

（Daqing City Public Security Fire Control Team，Heilongjiang Daqing 163000，China）

Natural gas as a clean energy is widely used in various fields of industrial production and city life. In order to ensure the fire safety, it’s necessary to study the safety operation of natural gas pipeline. In this paper, combined with running conditions of Daqing natural gas transportation pipelines, calculation software FLUENT was used to simulate the diffusion process after the natural gas pipeline leakage, some data in relatively ideal circumstances were obtained, and some reasonable fire safety countermeasures were put forward according to the data.

Natural gas; Numerical calculation; Fire safety

TE 624

A

1671-0460（2014）06-1109-03

2014-04-10

楊志國（1967-），男，黑龍江安達人，高級工程師，1991年畢業于黑龍江大學有機化學專業，研究方向：從事消防監督檢查工作。E-mail：dqsgajxfc@126.com。