天然氣泄漏擴散模型研究

屈 洋，杜勝男，王 聰，王衛(wèi)強，張鐵軍

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

天然氣泄漏擴散模型研究

屈 洋，杜勝男，王 聰，王衛(wèi)強，張鐵軍

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

在天然氣集輸過程中，由于管道系統(tǒng)連接件之間的密封缺陷、腐蝕穿孔、人為管理不善等因素引起的天然氣泄漏甚至爆炸事故在國內外屢見不鮮，對于長輸天然氣管道泄漏過程研究應用，可有效減少因天然氣擴撒、爆炸等引起的人員和經(jīng)濟損失，而研究的關鍵則在于模型的建立。

天然氣集輸；天然氣泄漏；模型

21世紀以來，隨著各國對能源的需求與環(huán)境保護的矛盾日益嚴重，加之石油產量增長緩慢，天然氣以其儲量大、利用廣、燃燒熱量大和污染小等優(yōu)點，受到越來越多國家的親睞[1-3]。許多國家對天然氣及其相關產業(yè)的發(fā)展都提供大力的支持，近年來，天然氣氣田建設、接收站和集輸系統(tǒng)等基礎設施的建設，更加促進了天然氣的利用[4]。

在國內外天然氣集輸過程中，管道老化、腐蝕、自然災害、疲勞、機械損傷等因素導致的天然氣泄漏甚至爆炸事故頻頻發(fā)生[5]，如表1所示我國部分天然氣管道事故表。

表1 我國部分天然氣管道事故表Table 1 Part of the natural gas pipeline accidents table

長輸管道天然氣泄漏擴散的模擬分析過程，并計算天然氣泄漏的危害區(qū)域，可以有效的減小由于氣體擴散導致的火災及爆炸、氣體中毒等風險因素所造成的嚴重人傷亡員和巨大經(jīng)濟損失，因此預防與控制由管道氣體泄漏引起的事故，有利于管道集輸?shù)陌踩\營及減少人員傷亡、經(jīng)濟損失，泄漏研究具有重大的科研價值和經(jīng)濟意義[6-8]。長輸天然氣管道泄漏擴散模擬方法：（1）CFD模擬；（2）理論模型計算。

1 CFD軟件數(shù)值模擬

1.1 CFD軟件的模擬方法

（1）直接模擬是利用直接模擬求解三維非穩(wěn)態(tài)的N-S方程。直接模擬計算條件要求較高、計算時需采用較小的空間步長與時間步數(shù)，目前研究人員只有通過超級計算機才可以完成直接模擬的研究。

（2）大渦模擬是將氣體湍流根據(jù)渦旋學說分成若干個不同尺度的渦旋。主流為大尺度渦提供能量，其特征在于高度的非同向性；大尺度渦則為小尺度渦提供能量，并將提供的能量耗散為熱能；大渦模擬只適用于大尺度渦，近似公式化小渦旋對大渦旋的作用。大渦模型仍對計算機有較高的性能要求，但近年來對大渦模擬的研究和應用越來越廣泛。

（3）應用雷諾茲時均方程模型的CFD計算方法其基本思想是將三維非定常N-S方程的平均時間，平均物理量的控制方程。但由于未知量的個數(shù)大于控制方程的個數(shù)，因此求解該模型必須提出相應的假設條件，使建立方程組模型封閉進行求解。

雷諾茲時均方法分為兩種類型[9]：（1）應力模型；（2）渦粘系數(shù)模型。目前渦粘系數(shù)模型EVM廣泛應用于工程模擬與流體流動計算中，以標準模型為主要代表。

1.2 CFD軟件的泄漏模擬

（1）胡夏齊[10]建立了一個二維采用Fluent軟件的計算模型，該模型被用來模擬高含硫高壓天然氣管道泄漏擴散；對含硫化氫天然氣管道泄漏的多組分擴散規(guī)律進行研究，并參考國家有關安全標準指定管道泄漏時的安全搶修警戒范圍；計算分析了不同因素對氣體擴散范圍的影響，包括泄漏口大小、泄漏點壓力的變化及外界風速等因素的影響，最后歸納出天然氣危險范圍的變化規(guī)律，該模型采用了標準模型，以某天然氣管道泄漏為例，說明胡夏齊建立的CFD泄漏模型。

某天然氣集輸管線，管徑為0.6 m，泄漏口形成半徑為100 mm的圓孔，重力加速度為9.81 m/s2，大氣壓力為0.1 MPa，風速為4 m/s，氣溫為16 ℃，泄漏口速度為213 m/s。

根據(jù)圖1、2中硫化氫和甲烷的濃度分布，參考國家有關安全標準，規(guī)劃出天然氣安全搶修范圍。

（2）羅志云[11]利用大氣污染控制理論，考慮到天然氣管道野外泄漏的硫化氫氣體擴散問題，成功采用Fortran語言進行編程開發(fā)出了PuGdiff軟件，該軟件可以實現(xiàn)對以下泄漏事故進行模擬：①復雜地形的考察；②模擬風場的預測；③硫化氫氣體擴散變化規(guī)律；④預測模擬氣體動態(tài)擴散。

小蟲收起鑰匙，騎上摩托車，去了姑媽家。姑媽家住豪華小區(qū)，高層，要坐電梯。出了電梯，小蟲開了姑媽家的門。茶幾上果然有個紙條，寫著楊律師的手機號碼。小蟲拿了紙條，出了門，跨上摩托車，快到姑媽那兒時，小蟲忽然改變了方向，拐進一條巷子里。巷子深處，有個老者擺了個攤，上書：電子配匙。小蟲配了兩把鑰匙后，才去找姑媽。想和姑媽嘮兩句，姑媽正忙著洗牌，沒空搭理他。

2 理論計算模型

如表2所示5種泄漏模型比較[12-14]。

2.1 高斯模型

高斯模型最初的開發(fā)目的是用于氣體擴散模型的求解，該模型是用來解決擴散源為小孔擴散，利用統(tǒng)計學方法求解，主要計算氣體擴散的濃度分布規(guī)律。高斯模型分為：（1）高斯煙團模式，（2）高斯煙羽模型。

圖1 硫化氫濃度分布云圖Fig.1 Hydrogen sulfide concentration contours

圖2 甲烷濃度分布云圖Fig.2 Methane concentration contours

表2 氣體擴散模型的比較Table 2 Compare Gas Diffusion Model

高斯模型的缺點：模擬精度較較差、未考慮重力對氣體擴撒的影響；

高斯模型的優(yōu)點：該模擬適用于兩種泄漏情況：瞬態(tài)泄漏擴散和連續(xù)性泄漏擴散，模型開發(fā)較早，較成熟的技術，實驗數(shù)據(jù)多，模型求解簡便，廣泛應用于污染物擴散領域。

2.2 Sutton模型

該模型通過統(tǒng)計理論中湍流擴散模型，對氣體泄漏擴散過程進行求解的，與高斯模型一樣對于氣體擴散過程的研究，必須滿足兩種相同壓力氣體的且兩種氣體間存在較低的相對速度兩個條件。Sutton模型在計算可燃氣體泄漏是計算誤差較大，計算條件相對苛刻。

BM模型(唯象模型)屬于經(jīng)驗模型是由瞬態(tài)泄漏的實驗數(shù)據(jù)和重氣體連續(xù)泄漏實驗數(shù)據(jù)組成的一系列計算圖表，延伸性較差。Hanna等對BM模型進行無量綱處理，并將無量綱BM模型擬合成解析表達式，發(fā)現(xiàn)解析方程組求解的結果與實驗結果曲線有較好的吻合性。

2.4 FEM3模型

1979年建立的由Galerkin法改進推導而來的FEM3模型的原型。模型所采用的是有限元解法，將該模型應用于有限元法，可求解非定常動量方程，連續(xù)性方程，能量方程，理想氣體狀態(tài)方程和擴散方程，該模型采用K理論來解決湍流擴散問題。該模型用于解決有限時間的連續(xù)泄漏擴散問題，方程求解過程中計算工作量比較大，且不能用于輕氣和中性氣體的擴散。

3 結 論

總的說來，對于氣體泄漏擴散的研究還處于欠完善階段。對于管道穩(wěn)態(tài)泄漏速度計算和管道非穩(wěn)態(tài)泄漏速度計算，各國學者都進行了一定的研究，但是尚無公認的泄漏理論，各學者所建立的泄漏模型仍然存在某些不足：

（1）各種泄漏模型在建立過程和求解過程基本上都建立在很多的理論假設之上，只能求解某一些因素對泄漏擴撒的影響，對于某一階段所有因素對泄漏的影響尚不能完整的描述，以及未能解決各影響因素之間的優(yōu)先級。

（2）當前的模型中沒有一種能夠將泄漏速度、擴散及爆炸過程這三個完整的計算出來，沒有一個模型能夠將擴散及爆炸過程統(tǒng)一起來。當前的擴散模型仍停留在泄漏和擴散過程有機結合階段。

（3）當今各類擴散模型都假設泄露點處于地面之上，即便對于埋地管道泄漏的研究，仍考慮開挖后管道發(fā)生泄漏時為研究條件。至今對于發(fā)生在地下的管道發(fā)生泄漏模型的建立仍處于研究階段。

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［2］李振林，姚孝庭，張永學．基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣儲運，2008，27(5)：38-41.

［3］于洪喜，李振林，張建．高含硫天然氣集輸管道泄漏擴散數(shù)值模擬[J]．中國石油大學學報(自然科學版)，2008(2)：119-122+131.

［4］葉峰，廖開貴，張亞明．天然氣管道泄漏數(shù)值模擬研究[J]．油氣田地面工程，2008，27(6)：19-20.

［5］楊昭，賴建波，韓金麗．天然氣管道氣體泄漏擴散過程研究[J]．天然氣工業(yè)，2007，27(7)：97-99.

［6］孟志鵬，王淑蘭，丁信偉．可爆性氣體泄漏擴散時均湍流場的數(shù)值模擬[J]．安全與環(huán)境學報，2003，3(3)：25-28．

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［8］潘旭海，薦軍成．危險性物質泄漏事故擴散過程模擬分析[J]．化學工業(yè)安全技術，2001，3:44-46．

［9］陶文全．數(shù)值傳熱學 [M]．第二版.西安：西安交通大學出版社，2001，332-352．

［10］胡夏琦．含硫化氫高壓天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬[D]．中國石油大學(華東) 碩士學位論文，2006.

［11］羅志云．天然氣管道泄漏H2S擴散及影響區(qū)域的數(shù)值模擬與分析[D].北京：北京工業(yè)大學，2008.

［12］李建華，黃鄭華．易燃有毒氣體泄漏擴散及其危險范圍預測[J]．消防技術與產品信息，2002(08)：53-57．

［13］魏軍甫．城市燃氣管道泄漏的原因分析與對策[J]．煤氣與熱力，2004，24(2): 105-107．

［14］閻鐘山．天然氣長輸管道泄漏的搶修與維護[J]．天然氣與石油，2002，20(2)：13-15．

Study on Natural Gas Leak Diffusion Model

QU Yang，DU Sheng-nan，WANG Cong，WANG Wei-qiang, ZHANG Tie-jun
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

In natural gas gathering and transportation process, natural gas leak and explosion accidents caused by sealing defects of the connection between the pipe system, corrosion perforation, human mismanagement and other factors are common at home and abroad. Studies on long-distance gas pipeline leakage process can effectively reduce human and economic losses caused by natural gas leak diffusion, explosion and other reasons. The key of the studies lies in the establishment of the research model.

Natural gas gathering and transportation; Natural gas leak; Model

TQ 018

A

1671-0460（2015）10-2483-03

2015-05-07

屈洋（1986-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學油石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：長輸天然氣管道泄漏擴散模型研究。E-mail：3061738862@qq.com。