燃氣閘井管道泄漏封閉空間擴散特性及安全預警分析

劉瑤，譚松玲，陳濤濤，李偉，陳飛

燃氣閘井管道泄漏封閉空間擴散特性及安全預警分析

劉瑤，譚松玲，陳濤濤，李偉，陳飛

（北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035）

開展燃氣閘井管道泄漏封閉空間擴散特性研究是提升閘井安全性能和完善預警機制的重要前提，建立燃氣閘井管道泄漏擴散計算流體力學瞬態分析模型，基于不同方位小孔持續泄漏數值模擬，探討了管道上方、閥門側面法向泄漏時燃氣（甲烷）的分布特性及不同位置泄漏后監測點處的甲烷質量分數變化和泄漏監測設備的布置范圍。研究結果表明：泄漏速度對閘井內甲烷整體質量分數影響較大，且泄漏速度越大管廊內平均質量分數越高、達到爆炸范圍的平均時間越短；泄漏位置影響泄漏初期閘井內甲烷的質量分數分布，靠近泄漏孔的監測點處質量分數波動幅度較大，遠離泄漏孔處的監測點變化較為平緩、規律。

燃氣閘井；泄漏；監測點；質量分數；甲烷

隨著經濟社會的發展和人們生活水平的提高，天然氣以其清潔、高效等優點在人們的生產生活中普及開來。伴隨著城市燃氣管網覆蓋面積增加，燃氣閘井的數量也逐漸增多，燃氣閘井作為管網系統的主要組成部分發揮著不可替代的作用。燃氣閘井輸配管道一旦發生泄漏，便會在閘井封閉空間內部形成可燃氣體云，極易引發火災、爆炸等安全事故，造成環境污染、人員傷亡，嚴重威脅到人們的生命及財產安全。因此，研究燃氣閘井管道泄漏封閉空間擴散特性具有重要的現實意義[1-3]。

眾多專家學者對可燃氣體泄漏做了大量案例分析，采用模擬或實驗的方法對可燃氣體泄漏進行研究。HELENA[4]將泄漏氣體假定為理想氣體且管道內部流體絕熱流動，由此得到穩態泄漏時的計算方法，但此種方法限制了壓力過高時的計算精度。薛海強[5]等采用數值計算的方法對管道不同位置燃氣泄漏后的流場和質量分數場進行計算，得到室內燃氣的泄漏擴散特性。馬博洋[6]等對綜合管廊燃氣倉內燃氣管道泄漏進行研究，通過模擬與實驗相結合的方法分析管道泄漏后甲烷質量分數與爆炸范圍的關系及管道泄漏后修補的可行性。方自虎[7]以地下綜合管廊為研究對象，用Fluent軟件分別對向上和水平兩種不同泄漏口進行燃氣泄漏擴散過程模擬，得到距離泄漏口達到一定的距離后燃氣質量分數變化與泄漏口的開口方向無關的結論。QIAN[8]等對6種不同情況下氫氣泄漏擴散過程進行了數值分析，分別繪制氫氣體積分數隨泄漏時間的變化曲線，定量研究了泄漏末端可燃氣云的分布。錢喜玲[9]等研究了不同壓力條件下燃氣在管廊內的質量分數分布特性，并得到管道泄漏壓力與報警時間成正相關的結論。GAO[10]等對地下室空調機房制冷劑泄漏進行研究，并測試不同通風條件下泄漏的制冷劑在不同位置的質量分數，得到了通風方式對泄漏氣體質量分數的影響程度較大的結論。CHEN[11]提出標準模型下燃氣在狹長管廊內管道的泄漏擴散過程更加精準并且接近實際工況。然而，針對無機械通風且較為封閉的燃氣閘井內的管道及閥門泄漏方面的研究較少。

本文以燃氣閘井為研究對象建立二維物理模型，模擬管道上方泄漏及閥門側方位泄漏，選擇標準方程湍流模型，采用Fluent軟件對持續進行的小孔泄漏進行模擬，研究閘井內甲烷質量分數場的分布規律及爆炸范圍，對閘井監測點布置及泄漏后檢修提供有力的參考依據。

1 燃氣閘井管件泄漏模型建立

1.1 物理模型的建立及基本參數

本文以某實際燃氣閘井內部為研究對象，井深4 m，土壤以下管廊部分為2 m，裸露在外部的燃氣輸送管道長5 m、直徑0.2 m，位于閘井底部，管道中央位置處有一個0.3 m×0.25 m的閥門，井蓋有兩個直徑2 cm的圓孔與大氣相通，其他壁面均接觸土壤，建立物理模型如圖1所示。

圖1 燃氣閘井二維物理模型

泄漏孔1位于圖示中管道左側的上方，泄漏孔2位于圖示閥門的右側，分別以法向速度5、10 m·s-1泄漏30 s。歐洲輸氣管道事故數據組織（EGIG）按照事故統計分類標準將氣體泄漏模型劃分為：小孔模型、大孔模型和管道模型[12]。在實際工程中，小孔泄漏事故發生概率最高，而大孔泄漏和管道泄漏事故則相對較少[13]，故本文設定4 mm直徑的泄漏孔進行模擬分析。

監測點1～9的坐標分別為（0,1.5）、（1,1.5）、（2,1.5）、（3,1.5）、（4,1.5）、（5,1.5）、（2.25,4）、（2.75,4）和（2.5,3.5）。

1.2 數學模型的建立及基本控制方程

由于天然氣的主要成分為甲烷，故本文用甲烷代替天然氣進行模擬分析。為簡化求解過程，做以下假設：泄漏的甲烷和閘井內的空氣均視為不可壓縮的理想氣體，且混合前后的氣體均滿足理想氣體狀態方程；在泄漏過程中管道壓力恒定，即泄漏孔徑和泄漏速度不隨時間變化；在甲烷泄漏擴散過程中，不與空氣發生化學反應[14]。

采用非穩態時間項并考慮重力和浮力的影響，選用PISO算法對方程進行求解[15]，燃氣泄漏的初始溫度為288 K，閘井內溫度為300 K，選用標準方程為湍流模型，采用無化學反應的組分運輸方程，設置泄漏孔為速度出口邊界條件，井蓋孔為自由出流邊界條件，其他均為壁面邊界條件，時間步長設定為0.01。

在該情況下對流擴散問題的求解方法是將擴散區域中擴散氣體的質量、動量、能量等守恒方程作為控制方程，采用離散化的數值方法求得擴散氣體的質量分數分布規律，考慮湍流的對流擴散問題的求解，除掉流體運動的基本方程組外，還要聯合對流擴散控制方程。

1）連續性方程。

式中：u、u—、兩個方向的速度分量，m·s-1；

—時間，s；

—密度，kg·m-3。

2）動量守恒方程。

式中：u、u—、兩個方向的速度分量，m·s-1；

—時間，s；

—流體微元上的壓強，Pa；

—動力黏度，Pa·s；

—密度， kg·m-3；

S、S—廣義源項，不可壓縮流體粘性為常數時取0。

3）能量守恒方程。

式中：u、u—、方向的速度分量，m·s-1；

—溫度，K；

—流體導熱系數，W·(m·K)-1；

C—定壓比熱容，kJ·( kg·K)-1；

S—黏性耗散項。

4）組分運輸方程。根據假設，本文模擬的閘井燃氣泄漏擴散過程中燃氣與空氣之間無化學反應，因此采用無化學反應的組分輸運方程：

式中：ω—組分i的質量分數；

D—組分的擴散系數。

5）湍流控制方程。

湍動能方程：

耗散率方程：

式中：G—由平均速度梯度引起的湍動能；

G—由浮力作用引起的湍動能；

Y—可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；

1ε、2ε、3ε—經驗常數；

α—湍動能有效普朗特數的倒數；

α—耗散率有效普朗特數的倒數。

1.3 變量參數及影響因素

燃氣閘井是一個較為封閉的空間，其井蓋處的兩個小孔是其內部環境與外界環境之間交換的窗口，因此外界對于閘井內燃氣管道發生泄漏后的影響甚微，可以忽略不記。

本文分別對5 m·s-1和10 m·s-1泄漏速度的泄漏孔1和泄漏孔2處持續進行的小孔泄漏過程進行模擬分析。

2 模擬結果分析

2.1 泄漏速度的影響

井蓋處設有兩個與外界相通的小孔，分別在兩個小孔處設置了監測點7和監測點8，以觀察燃氣質量分數及變化，并在井蓋正中心下方0.5 m處設置監測點9。當泄漏孔1以泄漏速度5 m·s-1泄漏且持續進行時，如圖2所示，在12 s時探及井蓋下方0.5 m處有質量分數變化，兩個井蓋孔之間有2 s的時間延時，且首先在井蓋孔2處探及質量分數變化。當氣體觸及管廊頂部受到阻擋時，改變了氣流的運動方向，使得氣體向右擴散一部分觸及豎井的右壁面，此時動能即將消耗殆盡，由于甲烷的密度低于空氣，在浮力的作用下向上方擴散，故監測點9處較早探及質量分數變化；另一部分氣體則貼右壁面擴散，所以質量分數變化較早出現在右側井蓋孔。當泄漏孔1以泄漏速度10 m·s-1泄漏且持續進行時，監測點7、8、9檢測到質量分數變化的時間均比5 m·s-1泄漏時提前4 s。

當泄漏孔2以泄漏速度5 m·s-1泄漏且持續進行時，如圖3所示，在15 s時探及井蓋下方0.5 m處有較明顯的質量分數變化，比泄漏孔1以同樣泄漏速度泄漏時延后1 s，而左側井蓋孔監測到質量分數變化的時間比右側井蓋孔略提前1 s。與泄漏孔1相比，該泄漏模型在監測點7和監測點8檢測到質量分數變化的時間分別延后2 s和4 s。

圖2 泄漏孔1泄漏時不同監測點處甲烷質量分數隨時間變化曲線

圖3 泄漏孔2泄漏時不同監測點處甲烷質量分數隨時間變化曲線

當泄漏孔2泄漏初期，氣流向右噴射的同時受到浮力的影響，故存在向上的蘑菇云，在泄漏速度為10 m·s-1泄漏時，由于初動能較大，會使氣體噴射至右側管廊的壁面，而后向上方發展，此時橫向的初動能對氣體運動的影響較大，而浮力的影響較小，在沿壁面運動的過程中動能逐漸減弱，故擴散到監測點7、監測點8、監測點9的時間有所延遲，分別比泄漏速度5 m·s-1時延遲4 s、4 s、3 s。

2.2 泄漏方向的影響

燃氣管道上方泄漏過程如圖4所示。在泄漏初始時刻，初動能較大，燃氣垂直于管道向上方噴射，形成較為明顯的氣柱。在空氣阻力與摩擦力的共同作用下燃氣形成蘑菇云狀并向四周迅速擴散，隨著射流高度的增大，當含有燃氣組分的混合氣體觸及到閘井管廊頂端時會在氣柱的兩側形成渦流，左側渦流首先形成，會影響氣柱的穩定，故氣柱發生偏移。由于管廊頂端的阻擋，隨后在泄漏孔的右側形成橫向擴散的蘑菇云，一部分燃氣在浮力作用下向豎井上方擴散，另一部分由于動能較大繼續向管廊右側遷移，隨著時間的推移動能也逐漸衰減。

圖2 泄漏孔1以5m·s-1泄漏時質量分數云圖

管道閥門側方泄漏過程如圖5所示。

圖3 泄漏孔2以5 m·s-1泄漏時質量分數云圖

在泄漏初期氣體有向右較大的初動能，加之浮力的影響，氣體向右上方噴射并形成團狀蘑菇云向周圍擴散。隨著初動能的耗散和泄漏時間的推移，射流氣柱方向發生改變，燃氣向上方擴散直至閘井管廊頂端，在到達管廊頂端后受到阻擋向兩側擴散，在此過程中，泄漏氣體的運動方向受到兩側渦流的擾動發生變化，使泄漏燃氣緊貼地面向右上方擴散。

2.3 危險區域預警分析

燃氣閘井內管道中輸送的氣體主要成分為甲烷，其爆炸極限以體積分數計通常為5%～15%，相應的質量分數是3%～9%[5]。由于Fluent中默認甲烷的數值單位為質量分數，因此取甲烷3%的質量分數為爆炸下限。

當泄漏孔1以5 m·s-1速度持續泄漏，如圖6（a）所示，監測點2的響應時間為3 s，監測點3的響應時間為4 s，除監測點1位置外，其余監測點在泄漏后30 s內大部分位于危險爆炸范圍之外，且30 s內監測點2處甲烷質量分數波動明顯，這是由于監測點2位于泄漏孔1附近，泄漏孔1泄漏時噴射出的氣流以較高速度持續擴散帶動周圍空氣與甲烷氣體摻混，造成監測點1處的值波動。當泄漏孔1以 10 m·s-1速度持續泄漏時，如圖6（b）所示，監測點2的響應時間為2 s，監測點3響應時間為3 s，在2～20 s內各監測點甲烷質量分數逐步進入爆炸范圍之內。

圖4 泄漏孔1泄漏時不同時刻各監測點處甲烷質量分數與爆炸范圍

故針對泄漏孔1泄漏的情況可在監測點2、監測點3處設置監控器，此處響應迅速、敏感，可盡早發現故障并排除安全隱患。

當泄漏孔2以5 m·s-1速度持續泄漏，如圖7（a）所示，監測點4的響應時間為3 s，監測點5的響應時間為6 s；監測點6在10 s之后始終位于爆炸區域內，且在以10 m·s-1速度泄漏時更加典型，這是由于側面泄漏時甲烷氣體初動能較大，加之浮力影響會使甲烷氣體噴射至右壁面且質量分數持續增加。在30 s內監測點4和監測點5處甲烷質量分數波動明顯。當泄漏孔2以10 m·s-1速度持續泄漏時，如圖7（b）所示，監測點5的響應時間為7 s，監測點4響應時間為9 s，在6 s后各監測點甲烷質量分數逐步進入爆炸范圍之內。故針對泄漏孔2泄漏的情況可在監測點4、監測點5處設置監控器，由于監測點6處響應后即刻超越爆炸上限，應避免在監測點6處設置監控器以節省成本。

圖5 泄漏孔2泄漏時不同時刻各監測點處甲烷質量分數與爆炸范圍

3 結 論

1）在燃氣閘井封閉空間內管道的泄漏過程中，其泄漏速度直接決定了同等時間管廊內的質量分數。管道上方泄漏時，10m·s-1泄漏速度明顯比 5m·s-1泄漏速度在同等時間內甲烷的質量分數先達到爆炸下限，且管廊內甲烷質量分數明顯高于以 5 m·s-1速度泄漏時的工況；在閥門側方位泄漏時，泄漏速度為10 m·s-1時同等時間內甲烷質量分數仍然高于泄漏速度5 m·s-1時的工況，但在豎井內部的3個監測點卻有所延遲。

2）泄漏位置對管廊內甲烷氣體分布的均勻程度影響較大，管道上方泄漏后，質量分數較大的區域為泄漏孔1至管廊左側區域，其附近監測點質量分數波動明顯；閥門側方泄漏后，管廊右壁面及閥門右側管溝貼地處質量分數較大。

3）泄漏速度為5 m·s-1和10 m·s-1時豎井內的監測點7、監測點8、監測點9在30 s內管廊內甲烷的質量分數均未達爆炸范圍的下限。為節約成本、優化工作方案、提高工作效率，針對監測點1至監測點6可根據不同泄漏孔位置設置泄漏傳感器，當泄漏孔1處泄漏時可監控監測點2、監測點3處的質量分數變化；當泄漏孔2處泄漏時可監控監測點4、監測點5處的質量分數變化，且盡量避免在監測點6處設置泄漏傳感器。

[1] 楊孟喬，白莉.天然氣泄漏檢測技術的研究現狀[J].煤氣與熱力，2014，34（10）：11-14.

[2] 曹海燕，張廷顯，黃秉潤.燃氣泄漏監測系統的研究和應用[J].煤氣與熱力，2015，35（7）：24-26.

[3] 陸景慧，楊永慧，趙德春，等.地下綜合管廊設置燃氣管艙的風險分析與應對[J].煤氣與熱力，2016，36（8）：1-3.

[4]MONTIEL H, VI?LCHEZ J A, CASAL J, et al. Mathematical modelling of accidental gas releases[J]., 1998, 59(2-3):211-233.

[5] 薛海強，張增剛,，田貫三，等.可燃氣體泄漏擴散影響因素的數值分析[J].山東建筑大學學報，2009，24（6）：558-563.

[6] 馬博洋，許淑惠，李磊，等.綜合管廊燃氣艙燃氣泄漏安全響應研究[J].消防科學與技術，2020，39（6）：852-856.

[7] 方自虎，藺宏，黃鵠，等.管廊內燃氣泄漏擴散的模型試驗與數值仿真[J].工程力學，2006（9）：189-192.

[8] QIAN J Y, LI X J, GAO Z X,et al. A numerical study of hydrogen leakage and diffusion in a hydrogen refueling station[J].,2020,45(28):14428-14439.

[9] 錢喜玲，閆小燕，趙江平.地下綜合管廊天然氣管道泄漏擴散模擬研究[J].中國安全生產科學技術，2017，13（11）：85-89.

[10]GAO Z M, GAO Y, CHOW W K, et al. Experimental scale model study on explosion of clean refrigerant leaked in an underground plant room[J]., 2018, 78:35-46.

[11] CHEN Q. Comparison of differentmodels for indoor air flow computations[J]., 1995, 28(3): 353-369.

[12] 馮文興，王兆芹，程五一.高壓輸氣管道小孔與大孔泄漏模型的比較分析[J].安全與環境工程，2009，16（4）：108-110.

[13]DONG Y h,GAO H L, ZHOU J E, et al. Evaluation of gas release rate through holes in pipelines [J]., 2002, 15(6): 423-428.

[14] LU H F, HUANG K, FU L D,et al. Study on leakage and ventilation scheme of gas pipeline in tunnel[J].,2018,53:347-358.

[15] 王迪，劉延雷，王明吉，等.泄漏方向對制冷壓縮機吸排氣管道氨氣擴散的影響[J].中國安全生產科學技術，2018，14（4）：140-146.

Diffusion Characteristics and Safety Early Warning Analysis of Gas Well Pipeline Leakage in Closed Space

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（Beijing Gas Group Co., Ltd., Beijing 100035, China）

Carrying out research on the diffusion characteristics of gas well pipeline leakage in closed space is an important prerequisite for improving the safety performance of wells and improving the early warning mechanism. In this paper, taking a gas well in a certain area as the research object, a two-dimensional model of gas well pipeline leakage was established, the CFD software FLUENT was used to simulate the continuous leakage of holes in different directions, the distribution characteristics of gas (methane) when normal leakage occurred above the pipeline and on the side of the valve were studied, as well as the methane mass fraction change at the monitoring point after leakage at different positions and the installation range of the monitor. The results showed that the leakage rate had a great influence on the overall mass fraction of methane in the gate wells, and the higher the leakage rate was, the shorter the average time to reach the explosion range was. Leakage position affected the mass fraction distribution of methane in the gate wells at the initial stage of leakage. The mass fraction fluctuation at the monitoring point close to the leak hole was large, and the change at the monitoring point far from the leak hole was gentle and regular.

Gas well; Leak; Monitoring points; Mass fraction; Methane

2021-06-17

劉瑤（1974-），女，高級工程師，研究方向：高壓力級制燃氣管網輸配技術。

陳濤濤（1983-），男，高級工程師，博士，研究方向：高壓力級制燃氣管網輸配技術。

TQ021.4

A

1004-0935（2022）01-0116-06