埋地與架空輸氣管道泄漏數(shù)值模擬對(duì)比分析

摘 要

摘要：針對(duì)目前輸氣管道泄漏研究考慮因素單一、可靠性較差的不足，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件對(duì)5種情況下的天然氣泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬。分別得到了天
摘要：針對(duì)目前輸氣管道泄漏研究考慮因素單一、可靠性較差的不足，在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件對(duì)5種情況下的天然氣泄漏進(jìn)行了數(shù)值模擬。分別得到了天然氣泄漏后的速度、濃度、爆炸范圍分布情況：①X方向(水平方向)埋地比架空速度稍大，都存在左偏的逆流區(qū)；持續(xù)泄漏速度比架空瞬間等值線向右偏移，左上和右下方存在兩個(gè)速度較大區(qū)；Y方向(豎直方向)瞬時(shí)泄漏在左側(cè)存在逆流區(qū)，持續(xù)泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區(qū)；埋地管道泄漏0速度線向左偏移；增大孔隙度時(shí)，速度等值線左偏移。②氣體濃度瞬時(shí)架空分布不規(guī)則，瞬時(shí)埋地呈圓形區(qū)域且在泄漏口有小范圍高濃度區(qū)；持續(xù)泄漏高濃度區(qū)向右下偏移；持續(xù)埋地分布呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布，存在左右兩個(gè)高濃度區(qū)；修改孔隙度近地面無爆炸危險(xiǎn)。③埋地管道泄漏爆炸范圍大且影響時(shí)間長，爆炸范圍高度呈指數(shù)增加，而后濃度隨擴(kuò)散而減低至爆炸下限外；架空管道在85s前增加且高度比埋地高，85 后降低；孔隙度越大其影響范圍越小。
關(guān)鍵詞：天然氣；埋地；架空；管道；瞬間；持續(xù)；泄漏；數(shù)值模擬
    目前對(duì)天然氣管道泄漏的研究主要集中在架空管道泄漏，考慮情況單一，結(jié)果缺乏對(duì)比性和可信度。對(duì)埋地管道泄漏的研究比較少見，而把兩者相結(jié)合，考慮土壤參數(shù)因素、瞬時(shí)和持續(xù)泄漏的更不多見。因此，本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)架空敷設(shè)和埋地敷設(shè)天然氣管道瞬時(shí)和持續(xù)泄漏下的氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，得出了泄漏氣體擴(kuò)散規(guī)律。
1 控制方程
    由于泄漏口處速度較大，計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的K-ε雙方程傳輸模型。
湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程(K方程)：
 
湍流動(dòng)能耗散方程(ε方程)：
 
湍流黏度：
 
式中ρ表示密度；k表示湍動(dòng)能；ui、uj表示時(shí)均速度；μt表示湍流黏度；xi、xj表示空間坐標(biāo)；σk、σε分別表示K方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb表示浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)對(duì)總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44、1.92、0.09、0.09.
2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析
    以某天然氣輸送管道為例：管徑750mm，泄漏口直徑為10mm，環(huán)境壓力和溫度均為標(biāo)準(zhǔn)狀況，管內(nèi)氣體泄漏初始速度為320m/s，環(huán)境風(fēng)速為2m/s，天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為94.5%，H2S體積分?jǐn)?shù)為5.5%，甲烷的爆炸范圍介于5%～15%，H2S中毒下限體積分?jǐn)?shù)為6.5×10-4。
    考慮5種情況下天然氣泄漏情況：A.架空瞬間泄漏；B.埋地瞬間泄漏；C.架空持續(xù)泄漏；D.埋地持續(xù)泄漏；E.改變土壤孔隙度瞬時(shí)泄漏。架空敷設(shè)(工況A、C)：模擬區(qū)域1.5km×1.5km；埋地敷設(shè)(工況B、D、E)：埋深1.2m，地面采用1.5km×1.5km模擬區(qū)域。
   泄漏點(diǎn)均在模擬區(qū)域底部中央?？紤]計(jì)算量和計(jì)算的精確度，利用分區(qū)的網(wǎng)格劃分方法對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，水平方向?yàn)閄方向，豎直方向?yàn)閅方向。埋地管道模擬區(qū)域劃分85627個(gè)結(jié)點(diǎn)95345個(gè)單元，架空管道模擬區(qū)域劃分85961個(gè)結(jié)點(diǎn)95695個(gè)單元。埋地管道途經(jīng)粗砂土壤帶的孔隙度為0.27，經(jīng)黏質(zhì)時(shí)土壤孔隙度修改為0.45。經(jīng)計(jì)算，初始泄漏速度為320m/s；瞬時(shí)泄漏速度V=320-4t，80s后泄漏后速度減為0。根據(jù)公式編程，并導(dǎo)入仿真軟件，作為瞬時(shí)泄漏時(shí)泄漏口的邊界條件。
2.1 泄漏80s時(shí)速度分布
   X方向(水平方向)埋地瞬間泄漏、埋地持續(xù)泄漏、修改孔隙度泄漏管道比架空瞬間和架空持續(xù)泄漏速度稍大，等值線向右偏移，在區(qū)域的上方都存在逆流區(qū)；架空瞬間與架空持續(xù)泄漏速度等值線分布相似，但速度等值線向右偏移；在增大土壤孔隙度后，速度等值線左偏移，而架空持續(xù)泄漏和埋地持續(xù)泄漏在左上和右下方兩個(gè)速度較大區(qū)。
    Y方向(豎直方向)架空和埋地瞬時(shí)泄漏速度在左側(cè)存在逆流區(qū)，架空和埋地持續(xù)泄漏0速度線向左偏移；土壤孔隙度變大，速度變大，等值線向左偏移；架空和埋地持續(xù)泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區(qū)。
2.2 泄漏80s時(shí)濃度分布
    圖1為泄漏80s后甲烷濃度等值線分布。由圖可知：架空瞬時(shí)泄漏甲烷分布高濃度區(qū)擴(kuò)散至(1450m，200m)高空，分布不規(guī)則；埋地瞬時(shí)泄漏則分布在(1000m，150m)高空，呈圓形區(qū)域，在泄漏口有小范圍高濃度區(qū)。架空持續(xù)泄漏與架空瞬時(shí)泄漏分布曲線相似，但持續(xù)泄漏高濃度區(qū)向右下偏移。埋地持續(xù)濃度分布呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，高濃度區(qū)內(nèi)存在左、右2個(gè)高濃度區(qū)，近地面存在長250m、高20m的扁長狀爆炸區(qū)。增大土壤孔隙度后近地面無爆炸危險(xiǎn)，濃度分布與埋地瞬時(shí)相似，但濃度降低。
    圖2為泄漏80s后硫化氫濃度分布。對(duì)比圖1、2可知，硫化氫濃度等值線分布形狀幾乎與甲烷濃度分布相同。這是由于甲烷和硫化氫出泄漏口時(shí)均勻混合，在擴(kuò)散過程中受到的影響因素相同，等值線分布重合。

2.3 甲烷爆炸范圍
    從圖3可知：與架空管道相比，埋地管道泄漏爆炸范圍大且影響時(shí)間長。埋地管道爆炸范圍呈指數(shù)增加，當(dāng)達(dá)到一定高度后不再升高，濃度隨擴(kuò)散而減低至爆炸下限外。而架空管道爆炸范圍在85s前增加，且高度比埋地要高，而在85s后降低。這是由于埋地敷設(shè)管道泄漏后，氣體速度經(jīng)過土壤孔隙阻力、慣性阻力的作用，降低較快，甲烷爆炸范圍的起點(diǎn)較小，在一定時(shí)間內(nèi)其爆炸范圍比架空要??；隨著泄漏的持續(xù)，甲烷向周圍環(huán)境緩慢擴(kuò)散，由于受風(fēng)力影響較小，在85s后其高度均比架空要高?？紫抖仍酱笃溆绊懛秶叫?。

3 結(jié)論
    1) 氣體泄漏速度分布：X方向(水平方向)埋地管道泄漏(工況B、D、E)速度比架空管道(工況A、C)稍大，存在左偏的逆流區(qū)；持續(xù)泄漏(工況C、D)速度等值線比架空瞬間右偏；埋地持續(xù)泄漏在左上和右下方存在2個(gè)速度較大區(qū)；增大土壤孔隙度時(shí)，速度等值線左偏。Y方向(豎直方向)瞬間泄漏(工況A、B、E)速度在左側(cè)存在逆流區(qū)；埋地管道泄漏0速度線向左偏移；土壤孔隙度增大時(shí)，等值線向左偏移；持續(xù)泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區(qū)。
    2) 氣體濃度分布：架空管道瞬間泄漏氣體濃度分布不規(guī)則，埋地管道持續(xù)泄漏呈圓形區(qū)域，在泄漏口有小范圍高濃度區(qū)；架空持續(xù)泄漏和埋地持續(xù)泄漏高濃度區(qū)向右下偏移，埋地持續(xù)泄漏呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)分布且存在左右2個(gè)高濃度區(qū)；修改土壤孔隙度后近地面無爆炸危險(xiǎn)。
    3) 管道泄漏爆炸范圍：埋地管道(工況B、D、E)泄漏爆炸范圍大且影響時(shí)間長，呈指數(shù)增加達(dá)到一定高度后不再升高，隨氣體擴(kuò)散濃度減低至爆炸下限外；架空瞬間及持續(xù)泄漏爆炸范圍在85s前增加且高度比埋地管道泄漏高，85s后降低；孔隙度越大其影響范圍越小。
    目前，把架空與埋地輸氣管道瞬間和持續(xù)泄漏過程綜合考慮的研究較少，且多采用改變風(fēng)速和地形環(huán)境影響，這與實(shí)際情況有所不同。筆者認(rèn)為在對(duì)輸氣管道泄漏進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)考慮泄漏的瞬時(shí)性，使模擬結(jié)果更精確。
參考文獻(xiàn)
[1] 練章華，周兆明，王輝，等.特大井噴H2S擴(kuò)散的數(shù)值模擬分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29(11)：112-115.
[2] 李長忠，李川東，雷英全.高含硫氣井安全隱患治理技術(shù)思路與實(shí)踐[J].天然氣工業(yè)，2010，30(12)：48-52.
[3] 于洪喜，李振林，張建，等.高含硫天然氣集輸管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32(2)：119-122，131.
[4] 潘旭海，華敏，蔣軍成.環(huán)境條件對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散影響的模擬研究[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：117-119.
[5] 張甫仁，張輝，徐湃.燃?xì)夤艿廊孤┒ㄎ患帮L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].天然氣工業(yè)，2009，29(8)：101-105.
[6] 孟令雅，李玉星，宋立群，等.輸氣管道泄漏音波傳播特性及監(jiān)測定位[J].天然氣工業(yè)，2010，30(11)：74-79.
 
(本文作者：李朝陽 馬貴陽 遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院)