天然氣門站工藝區泄露擴散模擬分析

杜 娟, 吳 琦, 杜 強

（1. 貴州燃氣熱力設計有限責任公司，貴州 貴陽 550004； 2. 中煤科工集團重慶設計研究院， 重慶 400016）

隨著全球經濟快速發展，天然氣作為當代能源重要組成部分之一，其開發與利用已成為越來越多國家及地區的重中之重。一波又一波的以覆蓋主要天然氣應用區域為目的的天然氣基礎設施建設高潮正開展而來。天然氣門站是設在長距離輸氣管線與城市燃氣輸配系統交接處的綜合型站場，它包括燃氣凈化、調壓、計量等設備及其配套附屬設施。門站將來自長距離輸氣管線的天然氣，先經過濾器清除其中機械雜質，然后通過調壓器、流量計進入城市燃氣輸配系統。天然氣工藝設施與石油工藝設施相比，壓力更高、泄漏后危害更大，因此，更應該引起相關技術人員的重視。門站內通常有控制室、變配電室、辦公室、休息間等建筑物。天然氣工藝裝置一旦發生腐蝕破壞、開裂等情況，天然氣的泄露將對站內乃至站外的人員財產形成威脅。運用計算機及計算流體力學數值計算軟件對門站內天然氣工藝設施損壞后的擴散進行仿真能較為準確預測天然氣裝置的泄露擴散，及其對門站內部主要設施的影響。以便對門站的設計及泄露事故搶險處置方案提供有力的理論支撐。

1 研究現狀

上世紀末,國內外已經開展了對有毒有害氣體泄露方面的研究。Arnaldos[1]引用小孔泄漏率模型分析計算了氣體擴散。魏利軍[2]數值計算了泄漏的全過程，計算得到整個泄露空間的氣體分布情況和速度場。潘旭海[3]研究了不同的外界環境下的氣體擴散過程。Young[4]通過化簡，建立管道小孔泄漏率算法模型。張文艷[5]針對各種風速影響并結合現場實際計算了天然氣泄露及其分布。劉中良[6]應用熱力學和氣體動力學理論，結合理想氣體方程，研究分析天然氣的泄漏過程，給出了在臨界泄漏階段與亞臨界泄漏階段的泄漏速率計算公式。姜煥勇[7]以某天然氣分輸站場為例，采用定量風險評價軟件PHAST RISK對其工藝設施和管道發生泄漏或破裂導致的主要事故類型進行了后果模擬和定量風險評價。李白力、李勝利[8]等采用CFD軟件對天然氣泄漏擴散進行了典型地形條件的的三維數值仿真計算，考慮了風速隨高度變化的情況，并編寫自定義函數對風速進行修正。范開峰、王衛強[9]等采用 VOF模型對海底天然氣管道泄露進行數值模擬，觀察到了泄漏天然氣氣團由“半球”形、“水滴”形到“球”形的過渡過程，得到了天然氣在水中上升過程的體積分數分布特性。

2 模擬方法

在流體力學領域，純數學方法是用數學推導和解析求解的方法。但這種方法只能求解一部分比較簡單或經過大量化簡后的情況。隨著計算機及其應用技術的成熟，計算流體力學是彌補數學分析方法的不足而發展起來的。計算流體力學通過求解不同的邊界條件和初始條件下的平衡方程實現模擬真實過程中各場的分布。計算流體力學數值模擬具有應用范圍更廣、成本低廉和求解迅速的特點，是物理實驗及數學方法所不能及的。很多CFD軟件已經提供了計算流體力學的計算平臺并有了一定應用領域。

2.1 物理模型

隨著我國西部開發的不斷推進，全面加快川東北天然氣開發，給四川省達州市宣漢縣經濟社會發展帶來了前所未有的發展機遇。宣漢是川氣東送的氣源地，是達州建成天然氣化工基地的主戰場，宣漢普光經濟開發區作為宣漢縣的核心經濟區，將成為宣漢縣經濟社會發展的重要引擎。普光天然氣門站基礎設施作為工業園區氣量調度的樞紐站，承擔50×104m3的天然氣處理量，將建設過濾、計量、調壓等生產設施和相應的輔助設施。該門站占地約6畝，建筑物總面積178.2 m2，定員8人。本站包括直接生活建筑及生產配套建筑。生產建筑面積根據工藝要求確定，充分滿足生產運行、設備安裝及檢修的要求。站場布置詳細情況見圖1。本文針對四川達州普光天然氣門站工程進行工藝管道破裂泄露后的擴散情況計算分析。

圖1 門站平面布置圖Fig.1 Plot plan of gate station

依據宣漢縣普光地區風向頻率玫瑰圖，工藝裝置區與綜合用房之間風力較大。風力分布見圖2。

圖2 風向頻率玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of wind direction frequency

2.2 數值求解

流體的運動要遵循的守恒定律：質量守恒、動量守恒和能量守恒定律[10]。本課題不考慮溫度的影響，因此不啟動能量方程。

質量守恒方程又稱連續性方程，其守恒的微分形式為：

源項Sm是加入到連續相的質量。

動量方程：

其中：τij— 應力張量；

p — 靜壓力；

gi和Fi— 分向量上的重力和外力。

2.3 模擬參數

接合宣漢縣普光門站布置及其相關參數，按照天然氣裝置破裂泄露擴散分析。分別考慮不同環境及運行狀況下，甲烷擴散分布隨時間的變化情況。在模擬計算分析時，取爆炸極限的下限 5%為分析臨界點。應用上述設定，計算天然氣裝置區泄漏擴散后天然氣分布隨時間的變化情況。

3 結果與分析

首先，在無外界風的環境下，模擬計算了天然氣工藝設備泄露后，氣體在空間擴散隨時間的變化情況，如圖3。

天然氣工藝管道破裂后，形成紊態噴射，開始速度很大，在阻力的影響下，形成了蘑菇狀氣云。隨著擴散范圍的擴大，擴散氣體受到浮力、阻力與重力的影響，擴散速度減慢，進而逐步達到平衡，速度場保持不變。泄露的噴射壓力隨著噴射過程的遞減。泄露氣體的密度由于在泄露擴散被稀釋，氣體的密度不斷與空氣接近，也導致泄露氣體擴散速度的減慢。

其次，根據當地氣象部門的相關資料，并以近期建設的天然氣處理規模來考慮，計算模擬了泄露 后天然氣在空氣中的擴散結果，如圖4。

圖 3 近期工況無風情況下的泄露過程Fig.3 Leak process of short term working condition with no wind

圖 4 近期工況有風情況下的泄露過程Fig.4 Leak process of short term condition with wind

圖 5 遠期工況下的泄露過程Fig.5 Leak process of long term working condition

有風速影響下的甲烷濃度分布梯度在氣體出口附近較大，擴散一定距離后，分布梯度減小。泄露口處氣體動能高，風力對泄露影響較小。隨著擴散時間的延長，泄露氣體收到風力和站場內的綜合影響，形成渦狀氣流，泄露氣體濃度也隨之降低。由圖可以看出，在門站近期建設規模工況下，天然氣泄露對有人值守的綜合用房影響較小，說明依據國家規范進行設計的工藝裝置區與綜合站房的間距是合理且安全的。

最后，根據氣象資料并按照遠期建設的天然氣處理規?？紤]，計算模擬了泄露后天然氣在空氣中的擴散結果，如圖5。

考慮遠期工況工藝設備處理量較大時，發生泄露擴散的氣團因動量較大的原因，擴散的高度高于近期工況天然氣泄露情況。由于遠期工況的泄露量較大，泄露后天然氣氣體對綜合用房有了一定的影響，具有一定的安全隱患。需要對天然氣工藝裝置區采取一定的安全防護措施。

圖 6中的曲線表示天然氣門站工藝裝置區發生泄漏后，泄露的天然氣濃度在同一高度上的變化情況。

圖 6 甲烷濃度變化曲線Fig.6 Methane concentrations changes curve

在風速為零時，天然氣工藝區泄露的天然氣對相鄰區域的影響較??；在當地最大風速情況下，近期工況天然氣工藝裝置區泄出的天然氣對綜合用房影響較小，在遠期工況下天然氣工藝裝置區泄出的天然氣對靠近綜合用房一側影響較大。綜上所述，天然氣門站場區內工藝區裝置泄漏后，危險區域受環境的影響發生了明顯的改變。在有風影響下的情況站場內安全已經受到威脅。

［1］J.Arnaldos，J.Casal,H.Montiel，et al.Design of a computer tool for the evaluation the consequences of accidental natural gas releases in distribution pipes[J].Journal loss prevention in the process industries,1998,11(2):135-148.

［2］魏利軍.重氣擴散的數值模擬[J].中國安全科學學報，2000,10(2):26-34.

［3］潘旭海,蔣軍成.化學危險性氣體泄漏擴散模擬及其影響因素[J].南京化工大學報,2001,23(1): 19～22.

［4］J.D.Young,B.J.Ahn.Analysis of hazard areas sociated with high-pressure natural-gas pipelines[J].Journal of prevention in the process industries 2002,15(3):179-198.

［5］張文艷.風力對天然氣管道泄漏后擴散過程的影響研究[J].天然氣工業,2006,26，(12)：150-152.

［6］劉中良,羅志云,王皆騰. 天然氣管道泄漏速率的確定[J]. 化工學報,2008(8):2121-2126.

［7］姜煥勇,韓 麗,邵 勇,王學軍,等. 輸氣站場泄漏事故后果模擬與定量風險評價[J].油氣儲運,2009,28(9):23-26.

［8］李白力,李勝利, 李長勝.天然氣泄漏擴散的三維數值模擬[J].油氣儲運,2010,29(4):266-271.

［9］范開峰,王衛強,衣照秋,劉人瑋,于爽.海底天然氣管道泄漏數值模擬[J].當代化工,2013,42(4):503-506.

［10］郝安佳,吳琦,等.街道峽谷內燃氣管道泄露擴散模擬分析[J].當代化工,2012,41(7):756-759.

［11］程猛猛，趙玲，吳明，等.架空天然氣管道泄漏擴散數值模擬［J］.遼寧石油化工大學學報，2013,33（3）：32.

［12］付俊濤，李玉星，夢令雅，等.輸氣管道泄漏音波與干擾信號特征提取［J］.石油化工高等學校學報，2012,25（2）：53.