城市埋地天然氣管道泄漏原因分析

宮玉凱

摘? ? 要：隨著燃氣壓力管道工業的發展，天然氣、液化石油氣以及人工煤氣等燃氣已成為城鎮居民生活能源的主要來源。城市天然氣管道在集輸過程中，外力破壞、腐蝕以及管道固有因素等原因，引起天然氣管道穿孔和破裂失效。一旦發生燃氣管道泄漏事故，會妨礙天然氣管道安全生產運行、污染環境以及造成巨大的經濟損失，還會引起火災、爆炸、中毒、傷亡等惡性事故，造成人員傷亡等重大事故。基于以上，研究天然氣管道泄漏擴散過程對于減小事故危害、應急搶險方案的制定具有重要的現實意義。

關鍵詞：埋地;天然氣管道;多孔介質;泄漏擴散;數值分析

當今社會，高速發展經濟形勢，人口持續增長的現狀，加劇了中國對能源的需求，能源與環境的問題也變得日益突出。由于天然氣燃燒產物為不會造成空氣污染的 CO2 和水，在我國日益增加的環保壓力的推動下， 2013 年 11 月在成都召開的“中國天然氣汽車論壇”有專家預測，在 2021年之前我國天然氣需求量有望維持年均約20%的高速增長率。據悉，在“煤改氣”、“油改氣” 等環保項目的推動下，天然氣作為重要的潔凈能源之一，這將加劇今明兩年我國天然氣緊張的供應局勢。為了緩解國內天然氣供應的緊張局勢，中石化、中石油以及中海油等大型國有石油公司，明年將增加天然氣的供應量[1]。在未來 20 年內，從全球范圍來看，天然氣將是消費比重維持高速穩步增長的唯一一次性能源;石油和煤炭消費比重均將呈下降趨勢，可再生能源和核能等消費比重不會超過 10%。

一、研究情況

隨著天然氣工業的日益發展，越來越多的長輸和城市天然氣管道投產運行。由于腐蝕、外力破壞和管道安裝缺陷等原因，天然氣壓力管道泄漏事故頻繁發生。更為嚴重的是，泄漏的天然氣氣與空氣形成可燃混合氣， 當氣體濃度在爆炸極限范圍內，遇明火將發生燃燒或爆炸，易引發人員傷亡和財產破壞等事故。通過結合城鎮地形、管道運行工況、環境溫度等影響因素，對埋地城市天然氣管道的泄漏后天然氣在土壤和大氣中擴散過程進行仿真模擬分析， 總結歸納天然氣泄漏擴散濃度分布規律，并預測泄漏天然氣的擴散范圍，最大限度降低泄漏擴散所帶來的風險。城市天然氣管道泄漏擴散的研究，可以完善城鎮天然氣管道風險評價體系，也是泄漏擴散事故理論聯系實際的一個基礎平臺[2]。由于方便快捷、安全可靠等優點，管道運輸已成為天然氣運輸的主要方式。我國天然氣輸送管網的建設先后經歷了兩個階段：陜甘寧氣田和四川盆地天然氣外輸管線工程這一局部天然氣管網的投產標志著我國天然氣管道建設的第一階段完成。可見逐步完善國內東西部天然氣輸送管網的主干線路，實現國內多氣源聯網供氣，并與國際輸氣管網連通是我國天然氣管網建設目標。因此第二階段集中建設了西氣東輸工程，其工程主要內容建設我國東西方向天然氣輸氣干線，如綿延 4000 千米的西氣東輸一線工程、長達 9102 千米的西氣東輸二線工程（主要包括管道主干線及 8 條支干線）、中亞及中緬天然氣管道工程，緩解了沿途近 200 個城市能源需求，完善了我國輸氣管網系統。管道運輸是傳輸石油、天然氣等能源物質最為安全經濟途徑之一。[3]。

二、城鎮天然氣研究現狀

對于天然氣、液化氣等危險性氣體泄漏擴散過程的研究方法主要包括試驗研究方法和模擬計算方法。試驗研究方法主要是部分學者利用危險性液化氣體 LNG、LPG 等進行擴散流場分析研究，試驗操作不僅具有一定的危險性，具有一定的難度，并且經濟性也較差，但國外學者 D.J.Hal和 Sklavounos S在該領域仍在進行危險性氣體研究;國內學者羅音宇進行了氣田井噴 H2S 風洞模擬實驗;謝昱姝、吳宗之、呂良海等采用全尺寸氣體泄漏實驗系統，模擬真實埋地天然氣管道泄漏場景，對泄漏后的天然氣在土壤中的擴散對流過程進行實驗研究。目前國內外大多數學者采用模擬計算方法對燃氣管道泄漏擴散過程進行研究。模擬計算方法主要包括兩種：第一利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD）軟件進行數值模擬;第二種利用理論模型進行相關數值。

目前國內外氣體擴散數值模擬研究領域最有影響力的管道泄漏擴散過程數值模擬模型主要有以J.G.Bartzis為代表的ADREA-HF模型，以Peter J.Shopov 為代表的DISCO模型，以Y.RIOU為代表的MERCURE-GL模型以及W.Jacobsen 與B.F.Magnusson提出的氣體擴散的三維數值模擬模型等[40]。

經過近20年的努力，國內外學者和專家在描述管道泄漏氣體流動和燃氣泄漏擴散的控制微分方程方面達成一致，因而很多理論模型沿用了相同的控制微分方程組，通過分析這些國內外比較著名的管道泄漏擴散模型，不難發現對于高壓燃氣管道泄漏擴散數值模擬的研究，目前的主要研究方向為湍流模型的選擇，主要討論的問題包括初始及邊界條件的不同、數值處理方式的差異。

三、結論

查閱國內外關文獻，分析總結國內外燃氣泄漏擴散研究方法，確定本文的研究方法;分析總結引起埋地燃氣管道泄漏的因素和埋地天然氣管道泄漏擴散過程的特性和影響因素，并建立樹狀圖;分析了天然氣管道的理論泄漏量的計算，并利用 C 語言編寫了計算泄漏率的計算程序，闡述了氣體泄漏擴散基本方程及多孔介質理論;結合工程實際，根據流體力學和熱力學理論計算埋地天然氣管道的初始泄漏率以及管道兩端截斷閥關閉以后泄漏率隨時間的變化關系，介紹了 CFD軟件仿真原理結合湍動能 k 方程、耗散率方程以及物質擴散方程，建立了埋地燃氣管道泄漏擴散的數學模型及物理模型，并對該模型進行分析、設置符合實際工況的邊界條件;基于上述模型，采用計算流體力學仿真軟件進行模擬計算，對不同輸送壓力（高壓、次高壓、中壓）、不同泄漏孔徑大小、不同泄漏位置以及不同環境溫度下泄漏氣體的濃度場、流場進行模擬分析，并總結規律。

參考文獻：

[1]沈（王瑩）. 埋地低壓天然氣管道泄漏擴散數值模擬分析[D].北京建筑大學，2019.

[2]杜美萍. 埋地天然氣管道泄漏擴散的模擬研究[D].北京化工大學，2015.

[3]馬芝儀.試論埋深對天然氣管道泄漏及搶修的影響[J].城市建設理論研究（電子版），2018（10）：80.