天然氣管道泄漏后硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域分析

王 龍，馬貴陽(yáng)

天然氣管道泄漏后硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域分析

王 龍，馬貴陽(yáng)

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

天然氣管道泄漏擴(kuò)散是天然氣工業(yè)中最為常見的事故，根據(jù)不同的工況來(lái)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)泄漏后的危險(xiǎn)區(qū)域是事故處理中最為重要的預(yù)測(cè)項(xiàng)目之一。根據(jù)單一變量原則在考慮埋深的前提下對(duì)平坦地區(qū)和山谷地區(qū)埋地天然氣管道泄漏進(jìn)行三維數(shù)值模擬，針對(duì)兩種工況泄漏后硫化氫和甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析。結(jié)果表明：無(wú)論是平坦地區(qū)還是山谷地區(qū)低速泄漏時(shí)對(duì)比兩種氣體危險(xiǎn)區(qū)域的三維柱狀圖，可以看出硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域總是比甲烷的大很多且完全覆蓋甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域。建議事故處理以硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橹饕A(yù)測(cè)項(xiàng)目。

天然氣；泄漏；危險(xiǎn)區(qū)域；三維模型

天然氣管道泄漏擴(kuò)散是輸氣管道事故危害的根本原因，對(duì)天然氣泄漏后擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，可以預(yù)測(cè)泄漏后的危險(xiǎn)區(qū)域，為管道運(yùn)行和搶修提供安全保障，對(duì)輸氣管線的泄漏后果定量分析具有重要的意義[1,2]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)擴(kuò)散規(guī)律和危險(xiǎn)區(qū)域等諸多方面進(jìn)行研究。朱紅鈞等對(duì)平坦地區(qū)天然氣泄漏進(jìn)行二維數(shù)值模擬，從擴(kuò)散穩(wěn)定后壓力、速度和濃度分布等方面對(duì)泄漏情況進(jìn)行分析，得出了忽略埋深的情況下泄漏后 100 m范圍內(nèi)的安全區(qū)域。于洪喜[3]等考慮了自然風(fēng)速對(duì)擴(kuò)撒模式的影響，得出了泄漏2 min后爆炸危險(xiǎn)范圍和中毒范圍。Liu ZY[4]等對(duì)城市天然氣的泄漏、擴(kuò)散模擬和爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析。目前對(duì)有害氣體擴(kuò)散研究已經(jīng)給出具有工程使用價(jià)值的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式[5-7]。此外是利用現(xiàn)有的商業(yè)流動(dòng)換熱軟件對(duì)泄漏的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬[8,9]。前人對(duì)天然氣泄漏問(wèn)題的研究多集中在簡(jiǎn)單地形條件下，并且局限在二維情況，雖有對(duì)三維情況進(jìn)行數(shù)值模擬，都是在忽略了埋深的條件下進(jìn)行的。利用流體力學(xué)軟件在考慮埋深的情況下對(duì)平坦地區(qū)和山谷地區(qū)埋地天然氣泄漏進(jìn)行三維數(shù)值模擬，定性、定量的研究了泄漏后硫化氫和甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域，針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域大小進(jìn)行對(duì)比。

1 控制方程組

對(duì)于天然氣泄漏問(wèn)題，除了遵循三大守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律外，還要應(yīng)用物質(zhì)傳輸模型和物質(zhì)擴(kuò)散模型。物質(zhì)傳輸模型,研究氣體擴(kuò)散流動(dòng)問(wèn)題常采用雷諾時(shí)均方程：

式中：k，分別為湍動(dòng)能和湍流粘性系數(shù)，其數(shù)值大小隨空間的變化由湍流模型決定。

紊動(dòng)能k方程為：

紊動(dòng)耗散率ε方程為：

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型

為研究埋地天然氣管道泄漏后甲烷和硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域，分別對(duì)平坦地區(qū)和山谷地區(qū)2種工況下泄漏進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)于平坦地區(qū)：模擬區(qū)域尺寸長(zhǎng)×寬×高=40 m×40 m×40 m，采用低速泄漏，泄漏速度為5 m/s，環(huán)境風(fēng)速為0 m/s。對(duì)于山谷地區(qū)：模擬區(qū)域尺寸長(zhǎng)×寬×高=800 m×130 m×800 m，山谷高30 m，管道鋪設(shè)在山坡中上部分，漏口氣體流速為243.42 m/s，環(huán)境風(fēng)速為5 m/s。2種工況中管道外徑1 m，埋深為1.8 m，管內(nèi)和環(huán)境溫度300 K，天然氣中甲烷和硫化氫的濃度分別為93.5%和6.5%，土壤含水率9%。由于泄漏口附近速度梯度較大，為了提高計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，如圖1。

圖1 物理模型和網(wǎng)格模型Fig.1The physical model and the grid model

2.2 結(jié)果分析

對(duì)平坦地區(qū)以及山谷地區(qū)兩種工況，考慮埋深的天然氣管道泄漏進(jìn)行三維數(shù)值模擬并計(jì)算，得到天然氣管道泄漏后硫化氫和甲烷氣體的危險(xiǎn)區(qū)域范圍圖2及圖5。從硫化氫的中毒和甲烷的爆炸濃度方面看，1 m3空氣中硫化氫要小于210～5 kg/m3才算安全，1 m3空氣中甲烷要小于0.035 85 kg/m3才算安全，分別對(duì)平坦地區(qū)和山谷地區(qū)進(jìn)行模擬并定性、定量的對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2-圖4為平坦地區(qū)泄漏后硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域情況。其中圖 2為硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域 3D顯示。圖3為硫化氫與甲烷x、y、z方向危險(xiǎn)區(qū)域三維直方圖，其制作過(guò)程為：截取硫化氫濃度等于0.000 02，甲烷濃度等于0.035 85的等濃度邊界內(nèi)各點(diǎn)，并導(dǎo)出各點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行排序，處理成三維直方圖，由于是截取的硫化氫的中毒濃度和甲烷的爆炸濃度，所以直方住上的每一點(diǎn)都為危險(xiǎn)點(diǎn)。圖4為空氣中硫化氫和甲烷的準(zhǔn)確危險(xiǎn)邊界范圍。其制作過(guò)程為：從模擬結(jié)果中篩選出x、y、z方向上達(dá)到危險(xiǎn)濃度的各點(diǎn)，將各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)排序，取最大最小值，分別定義為危險(xiǎn)邊界1、2，并取邊界1與邊界2的差值，為了清楚顯示黃色折線上各點(diǎn)處數(shù)值，選擇不顯示邊界1、2的數(shù)值，其中黃色折線為差值即為危險(xiǎn)區(qū)域，“硫化氫，x”代表“硫化氫在x方向上的危險(xiǎn)區(qū)域”其余同理。

定性分析：由于氣體擴(kuò)散的越遠(yuǎn)其濃度會(huì)越小，從數(shù)值的角度看硫化氫的中毒濃度0.000 02比甲烷的爆炸濃度0.035 85小很多，即相同時(shí)刻硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷大。從圖2可以看出硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的大，對(duì)比圖3直方圖中可以看出x、y、z方向上硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域大。定量分析：圖4準(zhǔn)確的給出硫化氫和甲烷在x、y、z方向上的危險(xiǎn)邊界1、2及其危險(xiǎn)區(qū)域。從圖中可以計(jì)算出 x方向上硫化氫與甲烷危險(xiǎn)區(qū)域之比為13.154 849，y方向之比為6.236 722 2，z方向之比為13.588 836。得出結(jié)論硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的大。

圖2 平坦地區(qū)硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域Fig.2 Hydrogen sulfide and methane dangerous zone in flat area

圖3 平坦地區(qū)硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ菷ig.3 Hydrogen sulfide and methane dangerous zones contrast in flat area

圖4 平坦地區(qū)硫化氫和甲烷準(zhǔn)確危險(xiǎn)區(qū)域Fig.4 Accurate dangerous zones of hydrogen sulfide and methane in flat area

圖5 -圖7為山谷地區(qū)泄漏后硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域情況。圖5為硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域3D顯示。圖6為硫化氫和甲烷x、y、z方向上危險(xiǎn)區(qū)域三維直方圖，制作過(guò)程同圖3。圖7為硫化氫和甲烷準(zhǔn)確的危險(xiǎn)范圍，制作過(guò)程同圖 4。對(duì)于山谷泄漏同樣可以看出硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域大，如圖5、6。由圖7可以計(jì)算出x方向上硫化氫與甲烷危險(xiǎn)區(qū)域之比為 9.608 121 6，y方向之比3.507 398 4，z方向之比為6.981 270 7。得出結(jié)論：硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的大。綜上對(duì)平坦地區(qū)和山谷地區(qū)硫化氫和甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域定性的分析和定量的計(jì)算，結(jié)果表明同一時(shí)刻硫化氫的危險(xiǎn)區(qū)域比甲烷的大且完全覆蓋甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 山谷地區(qū)硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域Fig.5 Hydrogen sulfide and methane hazardous areas in valley

圖6 山谷地區(qū)硫化氫和甲烷危險(xiǎn)區(qū)域?qū)Ρ菷ig.6 Hydrogen sulfide and methane dangerous zones contrast in valley

圖7 山谷地區(qū)硫化氫和甲烷準(zhǔn)確危險(xiǎn)區(qū)域Fig.7 Accurate dangerous zones of hydrogen sulfide and methane in valley

3 結(jié)論及建議

考慮埋深的情況下，建立三維天然氣管道泄漏模型，針對(duì)兩種不同工況模擬天然氣管道泄漏后硫化氫和甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域，得到以下結(jié)論：

（1）在考慮埋深的情況下平坦地區(qū)和山谷地區(qū)的天然氣管道泄漏進(jìn)行模擬分析，對(duì)比所得結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制硫化氫和甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域，甲烷的危險(xiǎn)區(qū)域總是包含在硫化氫危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)。

（2）建立三維泄漏模型，管道建立在土壤中，根據(jù)所得數(shù)據(jù)構(gòu)建三維危險(xiǎn)區(qū)域模型以及三維柱狀圖，柱狀圖上的每一點(diǎn)都是危險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)比圖形可得，管道在山谷地區(qū)泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域要比在平坦地區(qū)泄漏的危險(xiǎn)區(qū)域大。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線及三維柱狀圖，同一工況相同時(shí)刻硫化氫泄漏造成的危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)大于且完全覆蓋甲烷危險(xiǎn)區(qū)域。建議泄漏后首先對(duì)硫化氫進(jìn)行考慮，在硫化氫和甲烷共同影響區(qū)域，采取防爆防毒措施。

［1］ 王大慶，高慧臨.天然氣管線泄漏擴(kuò)散及危害區(qū)域分析[J].天然氣工業(yè)，2006,26(7):120-122.

［2］ 朱紅鈞，林元華，馬成學(xué)，等.平坦地區(qū)含硫化氫集輸管道的泄漏擴(kuò)散模擬[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009,31(6):156-157.

［3］ 于洪喜，李振林，張建等.高含硫天然氣集輸管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,32(7).

［4］ Liu ZY, Qian XM, Liu M. Discharging and diffusion simulation and explosion risk analysis of urban nature gas pipeline. International Symposium on Safety Science and Technology, Date SEP 24-27,2008 ，Beijing Peoples R China. Progress in safety science and technology, Vol.ⅶ, pts A AND B 7344-348[R]. 2008.

［5］ BERKOWICZR. Modelling street canyon pollution: model requirements and expectations[J]. Journal of Environment and Pollution, 1997, 8(3): 609-619.

［6］ 肖建蘭,呂保和,王明賢,等.氣體管道泄漏模型研究進(jìn)展[J].煤氣與熱力, 2006, 26(2): 7-9.

［7］ 李又綠,姚安林,李永杰.天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型研究[J].天然氣工業(yè), 2004, 24(8): 102-104.

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［9］ PATRICK Ramband. Numerical and experimental modeling of pollutant dispersion in a street canyon[J]. Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2002, 90: 321-339.

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Analysis on Hydrogen Sulfide and Methane Gas Hazardous Area After Pipeline Leak

WANG Long，MA GUI-yang
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Gas pipeline leakage and diffusion are the most common gas industry accidents. To accurately predict the danger zone after the leak based on different conditions is one of the most important prediction projects. In this paper, based on the principle of a single variable, under the premise of considering the depth, three-dimensional numerical simulation of buried natural gas pipeline leak in flat areas and valleys was carried out to analyze the dangerous zone of hydrogen sulfide and methane. The results show that, for either flat regions or valleys, comparing hazardous area three-dimensional bar graphs of the two gases when low-leakage, the dangerous zone of hydrogen sulfide is always much larger than that of methane, so hazardous area of hydrogen sulfide in accident treatment should be recommended as the primary item of project.

Natural gas; Leakage; Dangerous area; Three dimensional model

TE 832

： A

： 1671-0460（2015）04-0760-03

2014-11-14

王龍（1988-），男，遼寧大連人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向:從事油氣管道輸送技術(shù)研究。E-mail：466121223@qq.com。

馬貴陽(yáng)（1965-），男，1987年本科畢業(yè)于東北大學(xué)流體與動(dòng)力工程專業(yè)，教授，大連理工大學(xué)博士，中科院工程熱物理研究所博士后，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院院長(zhǎng)，研究方向: 現(xiàn)主要從事多孔介質(zhì)傳熱理論及計(jì)算流體力學(xué)的研究，計(jì)算流體力學(xué)、埋地管道水力和熱力問(wèn)題、高效換熱設(shè)備等方面的研究。E-mail：guiyangma1@163.com。