天然氣集氣站場(chǎng)內(nèi)輸氣管道小孔泄漏數(shù)值模擬

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（1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院四川 成都610500；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

目前天然氣的輸送普遍采用管道輸送的方式進(jìn)行。我國(guó)大部分管道已經(jīng)使用多年，我國(guó)東部的部分管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間更是有三十多年，老化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。影響管道泄漏的因素主要包括：內(nèi)外腐蝕、人為破壞、管道自身缺陷和各種自然災(zāi)害等。其中天然氣管道泄漏一般為孔口泄漏或裂縫泄漏，其中大部分為小孔泄漏［1-3］。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律方面的研究已大有進(jìn)展。M.Siddiqui等［4］使用CFD模擬來分析室內(nèi)工業(yè)環(huán)境中氯泄漏擴(kuò)散規(guī)律并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)緩解措施。Qian-xi Zhang等［5］通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （CFD）方法預(yù)測(cè)城市地區(qū)天然氣釋放后風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域在不同風(fēng)向或不同釋放速率條件下的情況，并研究了強(qiáng)風(fēng)和微風(fēng)環(huán)境下風(fēng)險(xiǎn)區(qū)隨釋放率增加的變化趨勢(shì)。李朝陽等［6］對(duì)架空和埋地天然氣管道泄漏時(shí)的氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)比了埋地天然氣管道和架空天然氣管道的泄漏爆炸范圍。

集氣站場(chǎng)內(nèi)天然氣儲(chǔ)量大，若發(fā)生泄漏，將嚴(yán)重危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究天然氣擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)于制定應(yīng)急救援預(yù)案，降低環(huán)境、安全風(fēng)險(xiǎn)和天然氣可持續(xù)開采具有重要的意義。

1 集氣站管道小孔泄漏模擬研究

1.1 模擬初始條件

通常，管道內(nèi)的天然氣是壓縮氣體，為方便建模，本文泄漏孔口采用圓孔。在假定管內(nèi)氣體屬于一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)且符合理想氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的條件下，天然氣的泄漏擴(kuò)散過程屬于絕熱過程，因此，天然氣的泄漏擴(kuò)散過程是在平面圓孔口處的絕熱膨脹過程，為定熵過程［7］且氣體泄漏速率等于起始最大泄漏速率u。

環(huán)境溫度為300K，壓力為101325Pa，天然氣管道的運(yùn)行壓力為0.7MPa。臨界壓力小于管道運(yùn)行壓力，因此泄漏為音速泄漏，氣體流動(dòng)為臨界流動(dòng)，應(yīng)使用式 （1.1）計(jì)算泄漏量。孔口泄漏量的表達(dá)式：

式中：Q表示孔口的泄漏量，kg／s；A表示泄漏孔面積，m2；CD表示孔口流量修正系數(shù)，一般為0.6-1；Pa表示泄漏口的絕對(duì)壓力，Pa；R表示氣體常數(shù)；M表示氣體摩爾質(zhì)量，kg／mol。

設(shè)置泄漏孔徑分別為：10、20、30、40 mm，在靜風(fēng)、管道壓力為0.7 MPa的條件下通過代入式（1）可以得到對(duì)應(yīng)的泄漏量：0.0932、0.384、0.839、1.492 kg／s。

1.2 集氣站管道小孔泄露模型建立

在一個(gè)長(zhǎng)為150m、寬為60m，有管架、井口、收發(fā)球器、站控室等設(shè)備的集氣站中，發(fā)生管道小孔泄漏，本文著重研究泄漏處的影響，因此，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化研究，選擇二維模型分析。在一個(gè)長(zhǎng)為150m、寬為60m的集氣站內(nèi)部有一個(gè)13m×6m的辦公區(qū)、15m×22m的輔助生產(chǎn)區(qū)和15m×50m的井架區(qū)域，管徑200mm。圖形右側(cè)為風(fēng)速進(jìn)口。

本文使用ICEM CFD15.0對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)泄漏孔周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密，管壁處設(shè)置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，泄漏孔處設(shè)置10個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分后的網(wǎng)格總數(shù)有328430，節(jié)點(diǎn)數(shù)為164801。

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

由于天然氣的小孔泄漏為非穩(wěn)態(tài)泄漏，因此需要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)各點(diǎn)的天然氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更好地去研究天然氣泄漏擴(kuò)散的規(guī)律，主要選取14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布如圖1所示。

圖1 幾何模型中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置圖

2 集氣站管道小孔泄露天然氣擴(kuò)散的影響因素研

2.1 風(fēng)速

風(fēng)速是影響天然氣泄漏擴(kuò)散的重要因素，且風(fēng)速不斷地發(fā)生變化，本文中假設(shè)風(fēng)速是恒定的。同時(shí)，風(fēng)速的影響會(huì)加劇空氣和天然氣之間的傳熱傳質(zhì)，使得天然氣得擴(kuò)散更快。天然氣泄漏擴(kuò)散是一種非穩(wěn)態(tài)過程，本文選取連續(xù)泄漏30 s后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。根據(jù)當(dāng)?shù)匾荒晁募撅L(fēng)速的大體情況，選擇一下這四種風(fēng)速的泄漏情況，進(jìn)行模擬。主要模擬的風(fēng)速有：1.5 m／s、3 m／s、4.5 m／s共四組，風(fēng)向?yàn)閺挠抑磷螅艿赖倪\(yùn)行壓力為0.7 MPa，泄漏孔徑取20 mm，此時(shí)泄漏量為0.384 kg／s。

天然氣含有高濃度CH4，所以下面將主要模擬甲烷泄漏情況，經(jīng)過模擬，對(duì)應(yīng)的不同風(fēng)速下的甲烷濃度分布云圖如圖2所示。由圖2看出：

1）在靜風(fēng)條件下，由于周圍障礙物的存在，因此，泄漏的天然氣難以擴(kuò)散到站場(chǎng)的外圍，僅存在于站場(chǎng)內(nèi)部；2）隨著風(fēng)速的略微增大，泄漏的天然氣可以充分地?cái)U(kuò)散到處于下風(fēng)向的站場(chǎng)外圍，同時(shí)，處于上風(fēng)向的天然氣濃度降低；3）風(fēng)速越大，處于上風(fēng)向位置處的安全區(qū)域越大，同時(shí)，泄漏孔口周圍的天然氣濃度也得到了很好的疏散；4）處于兩障礙物間隙處的下風(fēng)向位置處的天然氣能夠獲得更好地疏散；5）處于障礙物下風(fēng)向的位置處的天然氣不易獲得疏散。

圖2 不同風(fēng)速下的甲烷濃度分布云圖

監(jiān)測(cè)點(diǎn)處濃度：經(jīng)過模擬，風(fēng)速為3m／s時(shí)，在風(fēng)力作用下，處于下風(fēng)向位置處的天然氣濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處于上風(fēng)向位置處的天然氣濃度，因此，我們?cè)谶x擇探測(cè)器位置的時(shí)候要優(yōu)先選擇下風(fēng)向處的位置，這樣更容易檢測(cè)到其泄漏。同時(shí)，在同一x坐標(biāo)位置處的point12和point13的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.58×10-4和0.79×10-4，兩者濃度相差很大，是因?yàn)閜oint12位于障礙物的背風(fēng)側(cè)，障礙物的出現(xiàn)阻礙了天然氣的濃度擴(kuò)散。因此我們?cè)谶x擇探測(cè)器位置的時(shí)候還應(yīng)選擇障礙物背風(fēng)側(cè)的位置。

2.2 泄漏時(shí)間

朱遠(yuǎn)星［8］在凈化站氣體報(bào)警儀優(yōu)化布點(diǎn)的研究中，檢測(cè)數(shù)量最低檢測(cè)百分率最低的情況下，需要11.3s即可進(jìn)行預(yù)警，本文考慮30s的泄漏事件作為模擬時(shí)長(zhǎng)。在風(fēng)速為3m／s，管道運(yùn)行壓力為0.7 MPa，天然氣泄漏孔徑為20 mm的條件下對(duì)天然氣的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，此時(shí)泄漏量為0.384 kg／s，同時(shí)對(duì)泄漏時(shí)間為19、25、30 s的泄漏情況進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)過模擬，可以分析出：

1）隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，天然氣逐漸向周圍擴(kuò)散，泄漏擴(kuò)散得越充分，下風(fēng)向站場(chǎng)位置處的危險(xiǎn)區(qū)域減小，總體來說，站場(chǎng)內(nèi)的安全區(qū)域增大；2）隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，位于障礙物后側(cè)難以擴(kuò)散的天然氣也逐漸得到了擴(kuò)散；3）隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，泄漏孔周圍的天然氣濃度得到了降低。

2.3 泄漏孔徑

天然氣的泄漏量與泄漏孔徑密切相關(guān)，而泄漏量與站場(chǎng)的安全緊密相連。因此，在管道運(yùn)行壓力為0.7 MPa、風(fēng)速為3 m／s、泄漏時(shí)間為30 s的條件下，選擇一組孔徑：10、20、30、40 mm，進(jìn)行模擬后對(duì)比分析泄漏孔徑對(duì)天然氣泄漏擴(kuò)散的影響。經(jīng)過模擬，可以分析得到：

1）孔徑與泄漏量呈正比關(guān)系，孔徑越大，泄漏量越大，越難以擴(kuò)散，但是這種影響比較細(xì)微；

2）在孔徑增大的情況下，泄漏孔周圍泄漏的天然氣更加的難以擴(kuò)散，更容易出現(xiàn)聚集現(xiàn)象。

2.4 小結(jié)

在相同的泄露情況下，風(fēng)速越大，越不利于集氣站內(nèi)可燃性氣體的聚集；隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，集氣站內(nèi)下風(fēng)向天然氣泄漏擴(kuò)散得越充分；隨著孔徑的增大，泄露口附近的可燃性氣體越難以消散。

本文在模擬過程中固定了集氣站條件，因此在模擬過程中，沒有考慮泄漏壓力、天然氣組分、溫度等條件的變化對(duì)于泄漏情況的影響。

3 蒸氣云爆炸模型

經(jīng)過模擬，我們能夠看出，站場(chǎng)內(nèi)存在著許多的障礙物，在泄漏的天然氣被點(diǎn)燃后會(huì)有一定的空間約束，導(dǎo)致形成的蒸氣云團(tuán)不能立即擴(kuò)散。因此，本文采用蒸氣云爆炸模型，由TNT當(dāng)量法來估計(jì)蒸氣云爆炸的嚴(yán)重程度，計(jì)算模型如下：

式中α表示蒸氣云爆炸的效率因子，范圍在0.03到0.05之間，本文取0.03；mTNT表示為蒸氣云爆炸中燃料的總質(zhì)量，kg；ΔH表示天然氣的燃燒熱，一般取47.321 MJ／kg；QTNT表示TNT的爆炸熱，一般取 4.52 MJ／kg。

假設(shè)死亡概率百分?jǐn)?shù)為50%，死亡半徑公式如下：

重傷半徑公式如下：

輕傷半徑公式如下：

在壓力為0.7MPa、溫度為300 K、泄漏孔徑為20 mm的條件下，泄漏量為0.384 kg／s，那么由上述公式可得不同泄漏時(shí)間下的爆炸能量和傷害半徑如圖3所示：

圖3 危險(xiǎn)半徑隨泄漏時(shí)間變化圖

由圖3表可知，當(dāng)泄漏時(shí)間越長(zhǎng)，這些危險(xiǎn)半徑越大，在天然氣發(fā)生小孔泄漏30 s后，輕傷半徑已達(dá)27.5 m。雖然小孔泄漏的泄漏量小，但隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)是不容小覷的。因此，必須采用有效的措施，在站場(chǎng)內(nèi)部建立合理的天然氣濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，做好日常的設(shè)備巡回檢查，盡可能地杜絕危險(xiǎn)的發(fā)生；同時(shí)，制定相應(yīng)的應(yīng)急救援方案，使得危險(xiǎn)盡可能地降低到最小。

4 總結(jié)

本文通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，簡(jiǎn)單介紹了天然氣泄漏擴(kuò)散的相關(guān)理論，使用FLUENT軟件對(duì)不同泄漏孔徑、風(fēng)速及泄漏時(shí)間的條件下對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，并通過計(jì)算危險(xiǎn)半徑對(duì)天然氣的泄漏擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，所得出的結(jié)果如下：

1）壓力分布規(guī)律。天然氣泄漏孔和障礙物周圍壓力較大，但在距離泄漏孔較短距離后，壓力就降到了環(huán)境壓力。風(fēng)速越大，站場(chǎng)內(nèi)的整體環(huán)境壓力越低；在有風(fēng)的情況下，隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，泄漏孔周圍壓力反而降低，下風(fēng)向的壓力隨之升高；孔徑越大，站場(chǎng)內(nèi)的整體壓力越高，泄漏孔周圍壓力越高。

2）速度分布規(guī)律。天然氣泄漏孔和障礙物周圍的速度較大。風(fēng)速越大，站場(chǎng)內(nèi)和泄漏孔周圍的氣體流速均增大；泄漏時(shí)間越長(zhǎng)，站場(chǎng)內(nèi)氣流擾動(dòng)范圍越廣；孔徑越小，站場(chǎng)內(nèi)及泄漏孔周圍的氣體流速均增大。

3）天然氣濃度分布規(guī)律。風(fēng)速越大，處于上風(fēng)向位置處的安全區(qū)域越大，處于下風(fēng)向位置處的危險(xiǎn)區(qū)域越大，障礙物背風(fēng)側(cè)的天然氣濃度越大，且隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，障礙物背風(fēng)側(cè)及泄漏孔周圍的天然氣濃度先增大后減小，站場(chǎng)內(nèi)的安全區(qū)域先減小后增大；孔徑越大，站場(chǎng)泄漏孔周圍以及整個(gè)站場(chǎng)內(nèi)部泄漏的天然氣越難以擴(kuò)散。

4）對(duì)于天然氣泄漏擴(kuò)散的探測(cè)器位置優(yōu)先選擇位于下風(fēng)向的區(qū)域和靠近障礙物背風(fēng)側(cè)的區(qū)域。