埋地含硫天然氣管道泄漏問題的數值模擬

官學源

（中國石油天然氣管道工程有限公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110032）

隨著我國天然氣的高速發展，其年消耗量的不斷提高帶來了能源安全的新危機。天然氣管道泄漏事故不僅對該管道的正常傳輸產生影響，而且污染環境，其易燃，易爆的危險也會對人們的生活環境構成威脅。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[1-5]。而針對管道泄漏著火的研究相對較少。因此，本文通過FLUENT軟件，基于有限容積法，建立埋地含硫天然氣管道持續泄漏擴散和燃燒模型，對比分析埋地含硫天然氣管道泄漏時有毒氣體的擴散情況和發生燃燒后有毒氣體的擴散情況。為埋地含硫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組分在化學反應的速率，kgmol/（m3·s）；

Si—擴散相加上用戶定義的源項；

Ji—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-1；

ρ—密度，kg·m-3；

t—時間，s。

湍流中的質量擴散

式中：Sct—湍流施密特數；

Dim—混合物中第i種物質的擴散系數；

μt—湍流黏度，Pa·s。

1.2 渦耗散模型

式中：Ri,r—反應r中物質i的產生/分解速度，kgmol/（m3·s）；

Mw,i—第i種物質的質量分數，%；

—大尺度渦混合時間尺度，s；

N—系統化學物質數目；

YP，YR—某種產物的質量組分；

A,B—經驗常數，這里分別取0.4和0.5;

v'i,r—反應r中反應物i的化學計量系數。

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。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-1，泄漏方向為垂直向上，火源在泄漏口附近，天然氣中甲烷體積分數為95%，硫化氫體積分數為5%，風速為4 m·s-1。

2.2 數值模擬結果

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1。

圖1 擴散原圖

2.3 結果分析

埋地含硫天然氣管道泄漏初期，由于管道上層多孔介質對泄漏氣體的影響，使其不能形成高速射流。氣體進入土壤后，土壤的毛管壓力、土壤阻力和地表的張力對泄漏氣體的共同作用，造成泄漏的氣體的湍能的大量減少，但氣體持續泄漏，氣體的湍能不斷增大，使氣體仍會通過土壤迅速地持續不斷地涌出地表，進入大氣進行射流運動和擴散運動，在短時間內有大量的高濃度含硫天然氣聚集在泄漏口附近的地表處。

當泄漏氣體涌出地表進入大氣，在泄漏口附近遇到火源時，泄漏氣體組分中的甲烷氣體和硫化氫氣體與空氣中的氧氣接觸快速發生化學反應，生成了大量的二氧化硫，二氧化碳和水蒸氣。其中二氧化硫有毒濃度云團水平擴散距離超過4 800 m，最大濃度高達12.6%遠高于其中毒濃度下線；水蒸氣和二氧化碳最大體積分數分別超過13%和12%，其水平擴散距離超過2 000 m，雖然水蒸氣和二氧化碳氣體無毒，但是其滯留在空氣中可能發生化學反應生成酸，不僅污染大氣，當遇到金屬、建筑等時，可能對其造成腐蝕破壞。而在泄漏口下方向0～1 500 m范圍內聚集著大量高濃度的未反應的硫化氫氣體，最大體積分數為50.7%。對比二氧化硫氣體和硫化氫氣體的擴散情況可知，二氧化硫危害范圍遠高于硫化氫氣體危害區域，并且完全覆蓋其危險范圍。

3 結束語

對比兩種情況擴散情況，單一的泄漏擴散主要有毒成分為硫化氫氣體，而發生燃燒時，情況相對復雜且危害程度更高，主要有毒成分為二氧化硫氣體，同時還存在高濃度的硫化氫有毒氣體和潛在的危害組分水蒸氣和二氧化碳。應對不同情況采取相應的防范和急救措施。