不同硫化氫濃度下的天然氣管道泄漏擴散數值模擬

敬加強 ，李小明，江漩濤，周怡諾

（1. 西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500； 2. 油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 611731）

天然氣作為增長最快的新型清潔能源，國內外天然氣產業發展迅猛，隨著大量天然氣管道的敷設，輸氣管道的泄漏已成為天然氣安全系統的關鍵問題。由于管網設施損壞、第三方損壞、自然災害損壞［1］等原因，輸氣管道泄漏現象發生頻繁。管道泄漏擴散不但能引發天然氣爆炸事故，而且能對人民的生命財產安全造成巨大的災害，同時也能引起嚴重的環境污染。為預防事故的發生，深入研究天然氣泄漏擴散規律非常必要。國外在這方面的研究工作始于上世紀70、80年代且提出了不少擴散的計算模型，如高斯模型（Gaussian plume/puff model）、BM（Britter and Mc Quaid）模型、Sutton模型、FEM3（3-D Finite Element Model）模型等［2］。國內氣體擴散研究報導較少，但也取得了不少成果，潘旭海［3］等人針對事故泄漏擴散過程的復雜性，分析了描述易燃易爆及有毒有害氣體泄漏擴散過程的數學模型；張啟平［4］分析了重氣效應的泄漏擴散過程及泄放過程的決定因素并提供了相應的數學模型；唐劍鋒［5］等人結合煙羽抬升計算，分別采用SLAB穩態煙羽模型與高斯煙羽模型，建立了LNG擴散的數學模型。程猛猛［6］等人采用 CFD仿真軟件，對架空天然氣管道的穿孔泄漏擴散進行了數值模擬。

本文通過對不同硫化氫濃度條件下的天然氣進行數值模擬，得到了4種不同硫化氫濃度下泄漏天然氣的速度場、密度場和濃度危險區域，為天然氣管網安全平穩的運營提供了參考依據。

1 數學模型

1.1 計算流體力學基本方程

天然氣流動要遵循物理守恒定律，包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。對應的控制方程如下［7］：

（1） 連續性方程

式中:r為流體密度,kg/m3；分別為 x、y、z三個方向的速度分量,m/s; t為時間,s。

（2） 動量方程

（3） 能量方程

1.2 泄漏控制方程

泄漏天然氣同時含有甲烷和硫化氫，選用多組份輸運模型來求解這一混合問題。含硫天然氣泄漏時，速度很大，采用湍流模型中的標準k-e方程［7］。湍動能方程（k方程）：

耗散率方程（ε方程）：

式中:Gk是平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb是浮力引起的湍動能產生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數，C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09；ks、es分別為湍動能和湍動耗散率對應的普朗特常數，sk=1.0、se=1.3。

1.3 幾何模型

圖1 物理模型Fig.1 Physical Model

天然氣中硫化氫含量分別選取為0、20 mg/L、150、300 mg/L，計算區域選取100 m×100 m的二維空間，管道直徑選取 660 mm，泄漏孔徑為 440 mm，在靜風條件下進行模擬；如圖1所示，其幾何模型左右兩側及上部出口均設置為壓力出口，泄漏口設置為速度進口。

2 結果分析

通過數值模擬得到了4種不同硫化氫濃度下泄漏天然氣的速度場、密度場和濃度危險區域分布。

2.1 速度場

由圖2可以看出，泄漏氣體在最大軸中心處泄漏的速度最大，離軸越遠速度降低越快。射流向上流動時，射流寬度逐漸增大，軸心處流速逐漸減小［8］。如表1所示，速度從泄漏口減小到60 m/s的徑向距離隨著硫化氫濃度的增大而減小。天然氣中甲烷占的比重最大，且甲烷密度比空氣小，當泄漏氣體由小孔噴射進入大氣后，由于受到大氣的浮力作用，氣體不斷被抬升，速度不斷的減小；天然氣中硫化氫的密度大于空氣，隨著硫化氫濃度增大，氣體向大氣中擴散時所受負浮力增大，即阻力越大，所以其速度減小為60 m/s所需的徑向距離也越小。

表1 速度從泄漏口減小至60 m/s時的徑向距離Table 1 The radial distance that the velocity reduced to 60m/s from the leaking.

2.2 濃度危險區域

泄漏的天然氣中含有一定濃度的CH4會導致爆炸，有毒氣體H2S對人體和環境的危害性也特別大。H2S的濃度要控制在 20 mg以下，即小于 2×105kg/m3才算安全。甲烷的爆炸極限為5%～15%，小于0.035 85 kg/m3的濃度為安全范圍。

圖2 不同硫化氫濃度下的速度場Fig. 2 The velocity field under different concentration of hydrogen sulfide.

圖3（a）顯示的是甲烷的危險區域，圖3（b）～（d）則是對硫化氫危險區域的呈現，由圖3對比可知，硫化氫濃度為0 mg/L（僅含甲烷）時，模擬區域內的安全空間的比例最大(白色區域為危險區域)。危險空間區域隨著硫化氫濃度的增大而增大，因為硫化氫濃度越高，危險系數就越大。泄漏氣體中僅含甲烷時其擴散的危險區域遠小于多組分天然氣泄漏擴散時的情況，這說明在其他參數一定的情況下，天然氣中硫化氫含量越高，其泄漏擴散時危險空間區域越大。

圖3 不同硫化氫濃度下的危險區域Fig.3 The hazardous area under different concentration of hydrogen sulfide.

3 結 論

（1）同一截面上氣體在泄漏噴射最大軸中心處泄漏的速度最大，離軸越遠，速度降低越快；

（2）隨著硫化氫濃度增大，氣體泄漏速度降低到大小相同時所需噴射高度將減小；

（3）泄漏氣體中僅含甲烷時其擴散的危險區域遠小于多組分天然氣擴散時的情況；

（4）在其他參數相同時，天然氣中硫化氫濃度越高，其泄漏擴散時危險區域越大。

［1］ 何文淵，劉暉，楊靈雨．加快我國天然氣工業發展的建議[J].天然氣工業，2004，24(6)：4-7.

［2］ 丁信偉，王淑蘭，徐國慶．可燃及毒性氣體泄漏擴散研究綜述[J].化學工業與工程，1999，16(2)：118-122.

［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].南京化工大學學報，2001，23(1)：19-21.

［4］ 張啟平，麻德賢．危險物泄漏擴散過程的重氣效益[J]. 北京化工大學學報，1998，25(3)：86-90.

［5］ 唐劍鋒，蔡娜，郭清．LNG垂直噴射源連續泄漏擴散的模擬[J].化工學報，2013，64(3)：1125-1130.

［6］ 程猛猛，趙玲，吳明．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)：33-34.

［7］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢．FLUENT流體分析及仿真實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010.

［8］ 平浚．射流理論基礎及應用[M]. 北京：宇航出版社，1995.