埋地含硫天然氣管道泄漏問(wèn)題的數(shù)值模擬

官學(xué)源

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司沈陽(yáng)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110032）

隨著我國(guó)天然氣的高速發(fā)展，其年消耗量的不斷提高帶來(lái)了能源安全的新危機(jī)。天然氣管道泄漏事故不僅對(duì)該管道的正常傳輸產(chǎn)生影響，而且污染環(huán)境，其易燃，易爆的危險(xiǎn)也會(huì)對(duì)人們的生活環(huán)境構(gòu)成威脅。針對(duì)管道泄漏擴(kuò)散問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者考慮各種條件的影響因素下對(duì)天然氣的泄漏問(wèn)題進(jìn)行了大量的數(shù)值研究[1-5]。而針對(duì)管道泄漏著火的研究相對(duì)較少。因此，本文通過(guò)FLUENT軟件，基于有限容積法，建立埋地含硫天然氣管道持續(xù)泄漏擴(kuò)散和燃燒模型，對(duì)比分析埋地含硫天然氣管道泄漏時(shí)有毒氣體的擴(kuò)散情況和發(fā)生燃燒后有毒氣體的擴(kuò)散情況。為埋地含硫天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全運(yùn)行和管理，事故分析，工程設(shè)計(jì)以及泄漏后應(yīng)急措施等提供了參考理論。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 組分輸運(yùn)守恒方程

式中：Ri—第i組分在化學(xué)反應(yīng)的速率，kgmol/（m3·s）；

Si—擴(kuò)散相加上用戶定義的源項(xiàng)；

Ji—組分j的擴(kuò)散通量，mol/（m2·s）；

Yi—第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ；

u—流體流速，m·s-1；

ρ—密度，kg·m-3；

t—時(shí)間，s。

湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散

式中：Sct—湍流施密特?cái)?shù)；

Dim—混合物中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)；

μt—湍流黏度，Pa·s。

1.2 渦耗散模型

式中：Ri,r—反應(yīng)r中物質(zhì)i的產(chǎn)生/分解速度，kgmol/（m3·s）；

Mw,i—第i種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

—大尺度渦混合時(shí)間尺度，s；

N—系統(tǒng)化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；

YP，YR—某種產(chǎn)物的質(zhì)量組分；

A,B—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，這里分別取0.4和0.5;

v'i,r—反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 問(wèn)題描述

某埋地含硫天然氣管道，計(jì)算管長(zhǎng)間距為5 km，管道外徑650 mm，埋深1.5 m。模擬區(qū)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?yàn)榇怪毕蛏希鹪丛谛孤┛诟浇烊粴庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)為95%，硫化氫體積分?jǐn)?shù)為5%，風(fēng)速為4 m·s-1。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

本文采用二維單精度SILPLE方法進(jìn)行隱式耦合求解，采用矩形網(wǎng)格在泄漏口處網(wǎng)格加密，模擬結(jié)果圖1。

圖1 擴(kuò)散原圖

2.3 結(jié)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(zhì)對(duì)泄漏氣體的影響，使其不能形成高速射流。氣體進(jìn)入土壤后，土壤的毛管壓力、土壤阻力和地表的張力對(duì)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(xù)泄漏，氣體的湍能不斷增大，使氣體仍會(huì)通過(guò)土壤迅速地持續(xù)不斷地涌出地表，進(jìn)入大氣進(jìn)行射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)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(dāng)泄漏氣體涌出地表進(jìn)入大氣，在泄漏口附近遇到火源時(shí)，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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(tuán)水平擴(kuò)散距離超過(guò)4 800 m，最大濃度高達(dá)12.6%遠(yuǎn)高于其中毒濃度下線；水蒸氣和二氧化碳最大體積分?jǐn)?shù)分別超過(guò)13%和12%，其水平擴(kuò)散距離超過(guò)2 000 m，雖然水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w無(wú)毒，但是其滯留在空氣中可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成酸，不僅污染大氣，當(dāng)遇到金屬、建筑等時(shí)，可能對(duì)其造成腐蝕破壞。而在泄漏口下方向0～1 500 m范圍內(nèi)聚集著大量高濃度的未反應(yīng)的硫化氫氣體，最大體積分?jǐn)?shù)為50.7%。對(duì)比二氧化硫氣體和硫化氫氣體的擴(kuò)散情況可知，二氧化硫危害范圍遠(yuǎn)高于硫化氫氣體危害區(qū)域，并且完全覆蓋其危險(xiǎn)范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比兩種情況擴(kuò)散情況，單一的泄漏擴(kuò)散主要有毒成分為硫化氫氣體，而發(fā)生燃燒時(shí)，情況相對(duì)復(fù)雜且危害程度更高，主要有毒成分為二氧化硫氣體，同時(shí)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(yīng)對(duì)不同情況采取相應(yīng)的防范和急救措施。