城鎮(zhèn)建筑物附近天然氣管道泄漏模擬分析

徐大鵬，郭冬菲

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽 110167）

城鎮(zhèn)建筑物附近天然氣管道泄漏模擬分析

徐大鵬，郭冬菲

（中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽 110167）

城鎮(zhèn)天然氣管道往往分布在人群和建筑物集中的區(qū)域，且天然氣輸送管網(wǎng)越來越復(fù)雜，使得城鎮(zhèn)天然氣泄漏事故成為相較于其他易燃易爆氣體泄漏事故發(fā)生更頻繁、危害更嚴重的事故。不僅妨礙管道的安全運行、污染環(huán)境、造成巨大的經(jīng)濟損失，還會引起中毒、火災(zāi)、爆炸等重大人員傷亡事故。對多種泄漏情況進行了模擬分析，掌握天然氣管道泄漏擴散的規(guī)律，對城鎮(zhèn)管網(wǎng)的安全運營有著現(xiàn)實意義。

天然氣；埋地管道；泄漏；數(shù)值模擬

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和天然氣的廣泛應(yīng)用，越來越多的長輸管道和城市天然氣管道投產(chǎn)運行。由于外力因素、腐蝕因素、設(shè)計施工與材料缺陷等因素，天然氣管道泄漏事故發(fā)生的頻率逐年上升。在城市管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于監(jiān)管檢測和應(yīng)急搶險設(shè)施還不夠完善，管道內(nèi)部出現(xiàn)故障不易被發(fā)現(xiàn)，一旦天然氣發(fā)生泄漏，泄漏的有毒氣體不僅會危害我們的身體健康還會造成環(huán)境污染。更為嚴重的是，泄漏的易燃易爆危險氣體會迅速與周圍空氣混合形成新的危險氣體，當氣體濃度達到爆炸極限，遇到靜電或者火花極易發(fā)生燃燒或爆炸，從而造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等。本文以流體控制方程為基礎(chǔ)，建立了城鎮(zhèn)燃氣埋地管道泄漏擴散物理模型，分別分析與討論了非穩(wěn)態(tài)情況下，風速、泄漏速度、埋地深度和建筑物對天然氣泄漏的影響及其變化規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 三維模型

結(jié)合現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)的敷設(shè)概況，利用CFD前處理建立模型，其中包括氣體擴散區(qū)域，泄漏土壤區(qū)域。管道埋地深1.5m，且位于人行道中心位置。圖1中泄漏區(qū)域發(fā)生在土壤層中，命名土壤層為SOIL；不考慮管道內(nèi)部氣體流動狀態(tài)，建立有限元模型時忽略管道壁厚，僅建立管壁上的泄漏口即可，泄漏口命名為Gasin；土壤層上面為擴散區(qū)域(也就是大氣空間)，命名為Air；土層與空氣交界面為地表，命名為Ground。圖1為泄漏擴散模型，該模型為基礎(chǔ)模型，后文中不同運行壓力泄漏擴散模型、不同泄漏位置泄漏擴散模型以及不同風速風向下泄漏擴散模型均以此為基礎(chǔ)，除不同地形輔助一些建筑物之外，然后改變運行參數(shù)、管道自身參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)，其他參數(shù)均與該模型設(shè)置相同[1-4]。

圖1 天然氣泄漏擴散區(qū)域模型Fig.1 The model of natural gas leakage and diffusion in Urban underground

1.2 數(shù)學模型

流體流動均需受守恒定律的控制，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。若流動包含有不同組分的混合或相互作用，系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律。若流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程[5,6]。

1.3 參數(shù)設(shè)置和邊界條件

1.3.1 參數(shù)設(shè)置

管道的泄漏口（gasin）邊界定義為速度入口邊界(Velocity-inlet)；模擬計算區(qū)域左側(cè)定義為風速入口（airin），設(shè)定為速度入口邊界(Velocity-inlet)，并且風速隨著高度變化進行 UDF(User-Defined)修正；上邊界為壓力出口（top），邊界定義為壓力出口(Pressure-out)；右邊界也為壓力出口（out），邊界定義為壓力出口(Pressure-out)；上部泄漏空間（AIR）和土壤區(qū)域（SOIL）定義為 Fluid區(qū)域。

CFD基本參數(shù)設(shè)置如下(圖2)：

（1）求解器類型：選擇基于壓力法的求解器，隱式(Implicit)，2D，時間類型：穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)（Steady/Usteady），速度方程選擇計算時速度為絕對速度（Absolute），Green-Gauss Cell Based；

（2）重力設(shè)置：考慮重力影響，在Operating Conditions對話框里勾選Gravity復(fù)選框，X方向重力加速度為0，Y方向重力加速度為-9.81；

（3）能量方程：勾選Energy Equation復(fù)選框，激活能量方程；

（4）湍流模型：選擇可實現(xiàn)(Realizablek-ε)kε模型，考慮全浮力影響(Full Buoyancy Effects)；

（5）物質(zhì)材料定義：在FIUENT數(shù)據(jù)庫里選擇甲烷Ch4(methane)，參數(shù)選擇默認值；定義土壤類型，物質(zhì)類型為Solid，密度（Density）為1500 kg/m3，比熱（CP）為 2200，熱傳導系數(shù)（Thermal Conductivity）為1.5 W/(m·K)；

（6）組分輸運和反應(yīng)模型：選擇無化學反應(yīng)的組分輸運，混合物質(zhì)（Mixture Material）選擇甲烷和空氣混合（methane-air）。

1.3.2 邊界條件

（1）定義泄漏口（gasin）為速度入口（velocity-inlet），泄漏速度（Velocity-Magnitude）為80m/s，當量直徑（Hydraulic Diameter）為0.1m，甲烷體積分數(shù)為 1；

（2）定義風速入口（airin）為速度入口（velocity-inlet），風速為10m/s，當量直徑（Hydraulic Diameter）為60m；

（3）定義空氣上邊界（top）為壓力出口（pressure-outlet），設(shè)定回流當量直徑（Backflow Hydraulic Diameter）為60m；

（4）定義空氣右邊界（out）為壓力出口（pressure-outlet），設(shè)定回流當量直徑（Backflow Hydraulic Diameter）為60m；

（5）定義壁面邊界條件（wall），在熱力學（Thermal）選項中勾選溫度（Temperature）選項即可；

（6）定義土壤和空氣臨界面（ground）為多孔介質(zhì)跳躍面（porous-jump），設(shè)定面的滲透率（Face Permeability）為29，多孔介質(zhì)的厚度（Porous Medium Thickness） 為 0.0001m， 壓 強 跳 躍 系 數(shù)（Pressure-Jump Coefficient）為53948 m-1；

（7）定義土壤區(qū)域（soil）為多孔介質(zhì)區(qū)，其屬性為流體屬性（fluid），同時選定多孔介質(zhì)區(qū)（Porous Zone）、層流區(qū)（Laminal Zone），土壤孔隙度為0.43。

圖2 計算域的邊界類型Fig.2 Boundary type of calculation basin

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同風速下埋地天然氣管道泄漏

在分析泄漏周圍環(huán)境的風速對天然氣泄漏擴散范圍的影響時，分別選擇左側(cè)進口風速為4、6、8m/s三種情況進行分析對比(圖3)。

圖3 風速4、6、8m/s天然氣的泄漏擴散圖Fig.3 The concentration distribution picture of the natural gas,when the wind speed is 4，6，8m/s

通過對比在不同進口風速下的天然氣泄漏擴散濃度分布等值線圖（圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）），不難發(fā)現(xiàn)，隨著風速的逐漸增大，天然氣的濃度范圍有明顯的減小，濃度層也明顯減少。在天然氣管道泄漏擴散的初期，風速對泄漏擴散范圍的影響還不太明顯，隨著氣體不斷地向上噴射，風速越大，天然氣的擴散速度和濃度減小的越快，泄漏的射流向下的傾斜角度越大，對擴散范圍的影響越明顯。由天然氣泄漏擴散的濃度等值線圖可知，當左側(cè)進風速度為4m/s時，天然氣泄漏的最高點可達到40m高，隨著進口風速的不斷增大，泄漏氣體擴散范圍的最高點逐漸降低，在左側(cè)進風速度為8m/s時，其濃度擴散范圍的最高點高度為33m。風力加快了天然氣與周圍空氣之間的相互作用，影響了天然氣與空氣之間的傳熱介質(zhì)，加速了天然氣的擴散。且風力對泄漏氣體迎風面的影響要遠大于背風面的影響，風速越大，影響效果越明顯，泄漏的天然氣對環(huán)境的影響作用越小，越有利于泄漏氣體的擴散。

2.2 不同泄漏速度埋地天然氣管道泄漏

通過對比在不同泄漏速度下的天然氣泄漏擴散濃度分布等值線圖（圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）），

在其他影響因素不改變的情況下，天然氣的泄漏速度越大，其在空氣中的泄漏擴散范圍越大，泄漏擴散濃度越高，達到穩(wěn)定所需時間越長，對周圍環(huán)境的影響越大。

圖4 泄漏速度60、80、100m/s天然氣泄漏擴散圖Fig.4 The concentration distribution picture of the natural gas,when the leakage speed is 60,80,100m/s

2.3 不同泄漏速度埋地天然氣管道泄漏

分析天然氣管道的埋深對天然氣管道泄漏擴散的影響，模擬天然氣管道分別在埋深1.2和1.8m的條件下泄漏擴散的情況(圖5)。

圖5 1.2、1.8m埋深天然氣泄漏擴散圖Fig.5 The concentration distribution picture of the natural gas,when the pipe buried depth of 1.2 and 1.8m

圖5（a）、圖5（b）為城鎮(zhèn)埋地天然氣管道埋深1.2m時在大氣中的泄漏擴散情況，在模型的建立上仍然選擇左側(cè)為風速入口（風速為6m/s），埋地管道泄漏口速度為80m/s,方向向上；圖5（b）為埋地天然氣管道埋深1.8m時的泄漏擴散情況，其中只改變管道埋深，其他邊界條件保持不變。從圖中可看出，當泄漏擴散達到穩(wěn)定時，在兩種不同埋深的情況下，天然氣的泄漏擴散范圍基本一致，泄漏擴散濃度也基本相同。通過觀察天然氣泄漏擴散濃度的等值線圖可知，天然氣1%泄漏濃度可達到的最高點都為36m，泄漏范圍的截面距離為6m；天然氣百分之五泄漏濃度在穩(wěn)定時可達到建筑物頂端15m處。由于圖5（a）、圖5（b）1的泄漏擴散情況差別不大可知，埋地天然氣管道的埋深對天然氣在大氣中的泄漏擴散情況影響很小。

2.4 建筑群中天然氣管道泄漏

在研究埋地天然氣管道在建筑群中的泄漏擴散情況時，可以將泄漏模型簡化為埋地管道兩側(cè)均存在建筑物二維泄漏模型進行模擬分析。模擬泄漏擴散空間為70m×50m；兩側(cè)建筑物高15m、寬10m；天然氣管道距離右側(cè)建筑物2m、埋深1.5m；管道的泄漏直徑為0.1m、泄漏速度為80m/s；左邊界為風速入口，進口風速為6m/s(圖6)。

圖6 建筑群天然氣泄漏擴散等值線圖Fig.6 The concentration distribution picture of the natural gas of building group

由于埋地管道兩側(cè)建筑物的影響，天然氣的泄漏擴散范圍及濃度將發(fā)生很大程度的改變。在相同外界環(huán)境和邊界條件下，當管道兩側(cè)均有建筑物時，建筑物會阻礙氣體的縱向擴散，這會使泄漏的天然氣在近地面附近產(chǎn)生繞流現(xiàn)象，增加近地面附近氣體的湍流程度，同時也會改變泄漏氣體的擴散方向和擴散速度，所以泄漏的天然氣氣體很容易聚集在建筑物之間，在其中間形成較為強烈的繞流，不容易擴散出來，并且在上風向一側(cè)建筑物附近天然氣的泄漏擴散濃度很大，濃度梯度也很大，不容易向高處空氣中擴散，只有少量的空氣擴散到建筑物頂端后在風力的作用下會繞過建筑物繼續(xù)向右下方擴散，且偏移的程度相較于只有單側(cè)有建筑物的情況時更加顯著，這是因為泄漏擴散到高空的天然氣氣團濃度低、速度小，更容易受到周圍環(huán)境中風力的影響。

3 結(jié)束語

本章運用FLUENT軟件模擬埋地天然氣管道泄漏擴散的穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)過程，分析環(huán)境的風速、管道的泄漏速度、埋深等因素對泄漏擴散情況的影響。得出以下結(jié)論：

（1）大氣環(huán)境的風速越大，天然氣的泄漏擴散范圍越小利于泄漏氣體的擴散。

（2）管道的泄漏速度越大，天然氣的擴散所達到的高度越高、擴散范圍越大、對周圍建筑物及空氣的影響越嚴重。

（3）管道的埋深對天然氣泄漏擴散情況的影響不大。

（4）管道兩側(cè)均存在建筑物時，天然氣將在建筑物中間聚集、擴散高度明顯降低。

［1］李勝利.復(fù)雜地表形態(tài)下天然氣泄漏擴散的三維數(shù)值模擬研究[D].中國石油大學，2010.

［2］桑博.長輸天然氣管道泄漏擴散的數(shù)值模擬[D].北京交通大學，2011.

［3］司凡.LNG氣化站氣相管道天然氣泄漏擴散的數(shù)值模擬與分析[D].華中科技大學，2013.

［4］侯慶民.天然氣管道泄漏與天然氣在大氣中擴散的模擬研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［5］Liu ZY，Zhao Y Z，Zheng J Y.Simulation and analysis on leakage and explosion of high pressure hydrogen in hydrogen refueling station[J]. Zhejiang DaxueXuebao(Gongxue Ban)/Journal of Zhejiang University (Engineering Science Edition，2015，49(7)：1389-1394.

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SimulationAnalysis of Natural Gas Pipeline Leakage in the Vicinity of Urban Buildings

XV Da-peng,GUO Dong-fei

（HQC Liaoning Company,Liaoning Shenyang 113006,China）

Urban natural gas pipeline is often distributed in regions where population and buildings are concentrated; in addition,natural gas transportation network is becoming more and more complicated,which can make the city natural gas leakage accidents become more frequent and more dangerous compared to other flammable and explosive gas leakage accidents.These accidents can not only hinder the operation safety of urban natural gas pipeline,cause environmental pollution and huge economic losses,but also cause poisoning,fire,explosion and other major casualties. In this paper,simulation analysis of various leakage situation was carried out,the rule of the natural gas pipeline leakage diffusion was determined,which had practical significance to safe operation of urban pipe network.

Natural gas;Buried pipeline;Leakage;Numerical simulation

TE 832

A

1671-0460（2017）04-0771-04

2017-03-06

徐大鵬（1980-），男，遼寧省撫順市人，工程師，2004年畢業(yè)于遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：油氣集輸及地面工程。E-mail：xudapeng@hqcec.com。