埋地天然氣管道持續泄漏數值模擬

官 學 源

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

埋地天然氣管道持續泄漏數值模擬

官 學 源

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

針對埋地天然氣管道泄漏擴散問題，采用有限體積法，建立埋地天然氣管道泄漏擴散模型，在1～7級風場條件下，考慮土壤和大氣穩定度對泄漏氣體擴散的影響，從安全的角度出發，分析埋地天然氣管道泄漏持續擴散情況，得出甲烷爆炸濃度云團在不同風場條件下的擴散規律。為埋地天然氣管道的風險評估、安全運行和管理，事故分析，工程設計以及泄漏后應急措施等提供了參考理論。

數值模擬；泄漏；埋地管道；甲烷

隨著我國天然氣工業的高速發展，其需求量的不斷攀升帶來了能源安全的新危機。像其他的工程設備一樣，管道也可能發生事故。目前我國大多數在役管道已經處于老年化，這些陳舊管道有著相對較高的泄漏事故發生率。近年來，輸氣管道安全事故曾發生很多起，尤其是埋地天然氣管道。容易發生泄漏，而且不容易被發現，這種特點的管道泄漏會造成更大的意外風險，導致輸氣管道日常工作更難以管理。

針對管道泄漏擴散問題，我國學者考慮各種條件的影響因素下對天然氣的泄漏問題進行了大量的數值研究[1-3]。

本文通過FLUENT軟件，基于有限容積法，建立埋地天然氣管道持續泄漏擴散模型，在1～7級風場條件下，考慮土壤和大氣穩定度對泄漏氣體擴散的影響，分析埋地天然氣管道泄漏擴散的特點和規律。為埋地天然氣管道的風險評估、安全運行和管理，事故分析，工程設計以及泄漏后應急措施等提供了參考理論。

1 數學模型

1.1 組分輸運守恒方程

式中：Ri— 第i種組分在化學反應種的速率，kgmol/（m3·s）；

Si— 擴散相加上用戶定義的源項；

Jj—組分j的擴散通量，mol/（m2·s）；

Yi—第i 種物質的質量分數，%；

u —流體流速，m/s；

ρ —密度，kg/m3；

t —時間，s。

湍流中的質量擴散

式中：SCt— 湍流施密特數；

Di，m— 混合物中第i種物質的擴散系數；

μt— 湍流粘度，Pa·s。

1.2 標準k-ε模型的運輸方程

式中：Gk— 平均速度梯度引起的湍動能產生項；

Gb— 浮力引起的湍動能產生項；

YM— 可壓縮湍流脈動膨脹對總得耗散率的影響；

經驗常數C1ε=1.44，C3ε=1, Cμ=0.09;

μ — 動力粘度，Pa·s；

ε — 耗散項；

Sk, Sε—對應源項。

2 數值模擬與結果分析

2.1 問題描述

某埋地含硫天然氣管道，計算管長間距為 5 km， 管道外徑650 mm，埋深1.5 m。管道上層土壤作為多孔介質，孔隙度為0.267，密度2 650 kg/m3，導熱系數1.512 W/(m·K)。埋地高含硫天然氣的持續泄漏著火的模擬區域范圍為5 000×1 001.5 m：泄漏口中心在x=0、y=-1.5處，泄漏口直徑為0.05 m，泄漏速度為252 m/s，泄漏方向為垂直向上，天然氣中甲烷含量為 95%，甲烷的爆炸體積濃度區間為5%～15%，環境溫度與天然氣溫度相同為300 K，大氣壓力為101 325 Pa，風的等級見表1，選取表中參考風速，物理模型圖見圖1。

表1 風的等級劃分標準[4]Table 1 Grading standards of the wind

圖1 天然氣管道泄漏物理模型圖Fig.1 The physical model diagram of gas pipeline leak

2.2 FLUENT軟件模擬結果

本文采用二維單精度SILPLE方法進行隱式耦合求解，采用矩形網格在泄漏口處網格加密，模擬結果圖2-3。

圖2 0.1 s時，甲烷爆炸濃度云圖Fig.2 Explosive concentration of methane cloud at 0.1 s

圖3 低空處甲烷爆炸范圍圖Fig.3 Methane explosion range diagram at low altitude

埋地天然氣管道泄漏初期，由于管道上層存在土壤的影響，不能形成如架空管道泄漏時的高速射流，氣體泄漏進入多孔介質，由于毛管的壓力、土壤阻力以及地表的張力的共同作用，造成泄漏的氣體的湍能的減少，由于氣體持續泄漏，氣體的湍能不斷增大，氣體仍然會通過土壤多孔介質快速的持續不斷的涌出地表，進行相對低速的射流運動和擴散運動。土壤作為多孔介質，具有一定的孔隙度和獨特的儲存能力等特性。一定面積的土壤飽和后，氣體將會繼續向土壤橫向擴散，造成更大面積的土壤污染，同時縱向方面氣體將滲出土壤外地表，消耗氣體動能。因此，在短時間內有大量的高濃度天然氣聚集在泄漏口附近的地表處（見圖2）。

由圖3和表2可知，在低空處，隨著風的等級的不同，甲烷的爆炸濃度范圍成不同規律的變化。1～2級風（即軟風和輕風）時，大氣穩定度為A～C，泄漏氣體主要向高空擴散，同時由于其風場作用力小，使大氣對泄漏氣體的稀釋程度不高，甲烷爆炸濃度主要聚集在泄漏口下風向高空處，而在低空處擴散范圍有限，危險程度最低。在2～12 min時，軟風條件下，下風向低空處甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離逐漸減小至飽和，12 min時刻，最遠距離為29 m；輕風條件下，下風向低空處甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離呈先擴大再減小的趨勢，12 min時刻，最遠距離為98 m。對比輕風和軟風條件下泄漏氣體危險濃度的擴散，輕風風場危險程度高于軟風風場。6～7級風（即強風和疾風）時，大氣穩定度為C～D，泄漏氣體主要貼近地面擴散，同時由于其風場作用力大，使大氣對泄漏氣體濃度大量稀釋，低于 5%體積濃度的甲烷氣體擴散范圍較遠，而爆炸濃度的甲烷擴散范圍有限，危險程度中。在2～12 min時，強風條件下，下風向甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離先擴大再減小至飽和，12 min時刻，最遠距離為283 m；疾風條件下，下風向甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離呈逐漸減小趨勢，12 min時刻，最遠距離為208 m。對比疾風和強風條件下泄漏氣體危險濃度的擴散，強風風場危險程度高于疾風風場。3～5級風（即勁風、微風和和風）時，大氣穩定度為B～D，泄漏氣體危險濃度云團與地面呈一定角度向大氣擴散，部分云團將擴散到高空，同時由于其風場作用力相對1～2級和6～7級風場適中，大氣對泄漏氣體的稀釋作用可使甲烷的爆炸濃度區域有效的擴大，危險程度強。在2～12 min時，微風條件下，下風向甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離呈逐漸擴大趨勢，12 min時刻，最遠距離為528 m；和風條件下，下風向甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離呈逐漸擴大趨勢，12 min時刻，最遠距離為517 m；勁風條件下，下風向甲烷的爆炸濃度的水平最遠距離先擴大在減小至飽和，12 min時刻，最遠距離為413 m。對比微風、和風和勁風條件下泄漏氣體危險濃度的擴散，微風風場危險程度最高，和風次之，勁風最低。

表2 大氣穩定度的因素[5]Table 2 Atmospheric stability factor

3 結 論

在7個等級的風場影響下，埋地天然氣管道泄漏擴散甲烷的爆炸濃度云團隨著風速的增大呈先擴大再減小的規律，微風情況下的泄漏問題最為嚴重。對于甲烷的防范，可分為3個等級，對其采取不同等級的安全措施。1～2級風（即無風、軟風和輕風）采取低級別防范措施；6～7級風（即強風和疾風）采取中級別防范措施；3～5級風（即勁風、微風和和風）采取高級別防范措施。

［1］孫宏新，張丹.天然氣管道泄漏數值模擬[J]. 中國科技博覽，2010（4）：89-90.

［2］程浩力,劉德俊,劉倩倩,等.城燃管道街道峽谷泄漏擴散CFD數值模擬[J].石油化工高等學校學報，2011（4）:60-63.

［3］程浩力,劉德俊.城鎮燃氣管道泄漏擴散模型及數值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2011,2（31）：27-31.

［4］Daniel A Crowl, Joseph F Louvar. Chemical Proeesssafety-fundamentals with applieation[M].New Jersey:Prentice-Hall，1990:121-15.

［5］王鵬飛.評唐代李淳風化“占風情”方法[J] . 自然科學史研究，2010,29（4）：389-403.

Numerical Simulation on Continuous Leakage of Buried Natural Gas Pipelines

GUAN Xue-yuan
（Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjing Karamay 8340001，China）

Aiming at the problem of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, the finite volume method was adopted to establish the numerical model of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, under 1～7 grade wind field, considering effect of the soil and atmospheric stability on the gas leakage and diffusion, from the viewpoint of safety, leakage and diffusion conditions of natural gas of buried pipelines were analyzed, the diffusion rule of the explosive concentration cloud of methane was obtained, which could provide theory reference for risk assessment, safe operation and management of buried natural gas pipelines.

Numerical simulation; Leakage; Buried pipeline; Methane

TE 832

A

1671-0460（2015）08-1974-03

2015-02-06

官學源（1987-），男，遼寧沈陽市人，助理工程師，碩士，2013年畢業于遼寧石油化工大學業，從事地面工程工作。E-mail：guanxueyuan00@126.com。