城市埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

程猛猛 吳 明 趙 玲 劉 柯 邵大偉 楊明悅

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院)(2.沈陽市特種設(shè)備檢測研究院)

安全與環(huán)保

城市埋地天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

程猛猛1吳 明1趙 玲1劉 柯2邵大偉2楊明悅1

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院)(2.沈陽市特種設(shè)備檢測研究院)

針對城市埋地天然氣管道穿孔泄漏擴(kuò)散問題，結(jié)合有限容積法，利用Gambit 2.4建立了天然氣管道不同泄漏位置的CFD仿真模型，利用Fluent 6.3分別對天然氣管道上部、下部及背風(fēng)側(cè)3種泄漏工況下，氣體在土壤中和空氣中的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，下部泄漏在土壤和空氣中的危險(xiǎn)范圍最大，關(guān)閉泄漏管段兩端閥門以后，氣體擴(kuò)散危害范圍逐漸變小。研究結(jié)果為城市埋地天然氣管道泄漏事故現(xiàn)場人員疏散及安全搶修提供了理論依據(jù)。

天然氣管道 泄漏 擴(kuò)散 數(shù)值模擬

隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市燃?xì)馐聵I(yè)得到迅速的發(fā)展，燃?xì)庾鳛橹匾哪茉葱问街唬瑧?yīng)用越來越廣泛。城市燃?xì)夤艿缿?yīng)采用埋地方式鋪設(shè)，但埋地管道可能在人為破壞或自然災(zāi)害時(shí)發(fā)生泄漏事故[1]。燃?xì)饩哂幸兹?、易爆的性質(zhì)，燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿室话銜斐纱罅咳藛T傷亡和嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，具有較大的危害性。因此，進(jìn)行天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬具有重大意義。

本文針對城市埋地天然氣管道，考慮風(fēng)速隨高度變化和泄漏后閥門自動關(guān)閉或者人工關(guān)閉工況，利用C語言編寫與Fluent軟件兼容的UDF計(jì)算程序，修正風(fēng)速隨高度的變化和閥門關(guān)閉后氣體泄漏率隨時(shí)間的變化[2-3]。由于腐蝕、施工等不同的損傷過程，造成泄漏口在管道上的位置會發(fā)生變化，故選取管道泄漏口分別位于管道上部、下部和背風(fēng)側(cè)3種工況，建立泄漏模型來模擬計(jì)算，得出了天然氣管道不同損傷下的天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，為安全施工、預(yù)防事故及制定天然氣管路泄漏應(yīng)急預(yù)案提供了理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

天然氣在泄漏過程中遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[4],其控制方程如下：

(1) 連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ui為(x、y、z)3個(gè)方向上的速度，m/s。

(2) 動量方程：

(2)

式中，f為單位質(zhì)量力矢量，m/s2；t為時(shí)間，s；u為速度，m/s；μ為動力黏度，Pa·s；p為流體微元上的壓力，Pa。

(3) 能量方程

三組學(xué)生網(wǎng)上收集“汶川地震17歲少年馬健用雙手救同學(xué)”的故事，談?wù)動職?、?jiān)毅、信心、意志和干勁是人的精神狀態(tài)，如何理解“精神不是萬能的，但沒有精神是萬萬不能的”？

(3)

式中，E為流體微元的總能，J；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為組分j的擴(kuò)散通量，mol/(m2·s)；Sh為體積熱源項(xiàng)，kg·J/(m3·s)。

1.2泄漏擴(kuò)散控制方程

天然氣的擴(kuò)散可認(rèn)為是多組分氣體相互作用而形成的湍流。綜合考慮計(jì)算條件和工程要求，采用耦合隱式求解器，其基本方程為定常Reynolds時(shí)均方程[5]。由于高壓管道泄漏初速度很大，故選用湍流模型中的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型。

湍流脈動動能方程(k方程)：

ρε-Ym

(4)

湍流動能耗散方程(ε方程)：

(5)

(6)

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)；Ym為可壓縮湍流中脈動擴(kuò)張貢獻(xiàn)；μt為湍動黏度，Pa·s；σk、σε分別為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、Cμ=0.084 5為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3物理模型

燃?xì)夤艿佬孤r(shí)，由于外界壓力較小，泄漏氣體迅速膨脹，氣體擴(kuò)散的過程極為復(fù)雜。為了研究管道泄漏后氣體擴(kuò)散規(guī)律，確定危害范圍，以城市天然氣管道泄漏為例，模擬泄漏過程及天然氣流場變化。天然氣組分中以甲烷(CH4)為主(體積分?jǐn)?shù)為99.88%)，還包含有少量其他氣體，故以CH4代替天然氣進(jìn)行模擬計(jì)算。假設(shè)發(fā)生泄漏后從管內(nèi)到接觸大氣的過程中，摩阻減速的作用不大。天然氣的傷害下限為1%(φ)，爆炸極限范圍為5%(φ)～15%(φ)[6]，故取天然氣的體積分?jǐn)?shù)為1%、5%和15%的區(qū)域?yàn)樵u定泄漏氣體危害分界濃度。

某天然氣管道運(yùn)行壓力為0.2 MPa，根據(jù)GB 50028-2006《城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》，屬于中壓輸氣管道，管道直徑325 mm、壁厚8 mm，管道埋深1.7 m，氣體溫度為20 ℃。由于所選天然氣管道在城鎮(zhèn)人口密集地區(qū)，考慮管道所處的實(shí)際位置，取建筑物高度為20 m，管道中心距建筑物距離為3 m[7]，用較大空間 (80 m×80 m)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，具體模型及邊界條件如圖1所示。劃分網(wǎng)格時(shí)，由于管道泄漏口附近氣體各項(xiàng)參數(shù)變化梯度較大，為滿足計(jì)算精度，對此區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。本文以管道穿孔泄漏為例，根據(jù)API 581-2000《基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)基礎(chǔ)資源文件(Risk-Based Inspection Base Resource Document)》選取管道泄漏口徑為25.4 mm的泄漏模型來模擬計(jì)算。

1.4參數(shù)確定及邊界條件設(shè)置

設(shè)定模擬的環(huán)境溫度和氣體溫度均為300 K，距離地面高度10 m處風(fēng)速為4 m/s，利用UDF程序?qū)︼L(fēng)速隨高度變化進(jìn)行修正。由于動力因素和熱力因素，在近地層中，風(fēng)速會隨高度發(fā)生變化，并且服從普朗特亂流中經(jīng)驗(yàn)理論公式[8]。求高度為H處的風(fēng)速的公式為：

v=v0(H/H0)n

(7)

式中：v為高度在H處的風(fēng)速，m/s；v0為高度在H0處的風(fēng)速，m/s；H0一般為10 m；n為風(fēng)速隨高度的變化系數(shù)，最常用的為0.142。

假設(shè)管道兩個(gè)閥門之間的距離為1 000 m[7]。泄漏開始為穩(wěn)態(tài)泄漏，泄漏壓力為0.2 MPa，此壓力大于臨界壓力pc，泄漏氣體流動為臨界流動[9-10]，泄漏氣體質(zhì)量流量Qm0按式(8)計(jì)算得Qm0=0.181 964 kg/s，G=1 077.95 kg/(m2·s)。泄漏120 s時(shí)閥門自動關(guān)閉[9]，關(guān)閉閥門后管道內(nèi)壓力減小，當(dāng)壓力大于臨界壓力pc時(shí)，泄漏氣體質(zhì)量流量Qm0按式(8)、(10)、(11)、(12)計(jì)算；當(dāng)壓力小于臨界壓力pc時(shí)，泄漏氣體流動為亞臨界流，泄漏氣體質(zhì)量流量Qm0按式(9)、(10)、(11)、(12)計(jì)算。

(8)

(亞音速泄漏)(9)

Qm(t)=Qm0·[F(t)](k+1)/(k-1)

(10)

(11)

(12)

m0=L·Ac·ρ

(13)

(14)

式中，m0為管道內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；Qm為質(zhì)量流量，kg/s；k為比熱容；t為關(guān)閉閥門后泄漏時(shí)間，s；Ac為管道橫截面積，m2；Aor為泄漏口面積，m2；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/kmol；R為氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；p2為管道內(nèi)壓力，MPa；pa為大氣壓，0.101 325 MPa；G為質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；T為溫度，K；L為管線長度，m；ρ為密度，kg/m3。

泄漏口設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口；左側(cè)設(shè)置為風(fēng)入口，設(shè)置為速度進(jìn)口；空間上邊界設(shè)為壓力出口；土壤兩側(cè)設(shè)為壓力出口，坡面和土壤層表面設(shè)為多孔介質(zhì)，土壤物性為：密度1 500 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)1.5 W/ (m·K)、比熱容2 200 J/(kg·K )、孔隙度0.43[11]、土壤平均直徑0.2 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[12]計(jì)算出滲透率及慣性阻力系數(shù)。管道、建筑物及地面的邊界條件設(shè)為壁面。穩(wěn)態(tài)泄漏120 s內(nèi)質(zhì)量流量進(jìn)口設(shè)置為1 077.95 kg/(m2·s)，關(guān)閉閥門后，根據(jù)質(zhì)量流量隨時(shí)間變化擬合出公式(15)：

G=1 047.4×e-0.001 3t

(15)

將公式(15)編寫成UDF程序并按照風(fēng)速邊界設(shè)置方法設(shè)置泄漏口邊界條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果和分析

埋地天然氣管道發(fā)生泄漏擴(kuò)散后，由于受土壤阻力作用，泄漏氣體的動能衰減程度較大，速度大大降低，泄漏氣體不足以沖破管道上方的埋土，氣體會在土壤中擴(kuò)散，到達(dá)地表后向大氣中擴(kuò)散[13-14]。

當(dāng)管道受到不同的損傷，泄漏口在管道上出現(xiàn)的位置是不同的，而對于埋地燃?xì)夤艿佬孤┛谖恢貌煌?，氣體擴(kuò)散的規(guī)律也不盡相同。根據(jù)泄漏口在管道上的不同位置修改幾何模型，上部泄漏和背風(fēng)側(cè)泄漏地面距離幾何模型下邊界為5 m，下部泄漏工況下地面距離幾何模型下邊界為10 m。以泄漏口直徑為25.4 mm為例說明，氣體擴(kuò)散云圖如圖2～圖4所示，表1更詳細(xì)地說明了CH4在土壤中和空氣中擴(kuò)散的范圍。

表1 不同泄漏位置天然氣危害范圍Table1 Gashazardareaofdifferentleakageposition泄漏位置上部泄漏下部泄漏背風(fēng)側(cè)泄漏泄漏時(shí)間/s120434120434120434傷害下限距離/m342838383329.6傷害下限距地面高度/m>70>63>65>57.8>70>62爆炸下限距離/m181325.520.518.815.9爆炸下限距地面高度/m6347584357.847土壤中爆炸下限距離/m2016.53326.520.817.7土壤中傷害下限距離/m>3829.8>38>3835.531

由圖2～圖4可以看出，管道泄漏位置不同，泄漏天然氣在土壤和空氣中擴(kuò)散的范圍也不同，其中管道下部泄漏在土壤中擴(kuò)散的范圍最大，并且在泄漏率接近零時(shí)，甲烷的危害范圍最大。從表1可以看出，當(dāng)泄漏120 s 時(shí)，上部泄漏情況下，傷害下限和爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處距離泄漏口分別為34 m和18 m，擴(kuò)散高度分別為70 m以上和63 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散至距泄漏口38 m和20 m；下部泄漏情況，傷害下限在下風(fēng)向貼近地面處和土壤中距離泄漏口均超過38 m，擴(kuò)散高度為65 m，爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處和土壤中至泄露口距離分別為25.5 m和33 m，擴(kuò)散高度為58 m；背風(fēng)側(cè)泄漏情況，傷害下限和爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處距離泄漏口分別為33 m和18.8 m，擴(kuò)散高度分別為70 m以上和57.8 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散至距泄漏口35.5 m和20.8 m。由此可知，當(dāng)泄漏口位于埋地管道下部時(shí)，甲烷首先向下部土壤中擴(kuò)散，在土壤中擴(kuò)散的范圍最大，在地面附近擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)，并且泄漏的CH4不易擴(kuò)散。

結(jié)合圖2～圖4及表1可以看出，關(guān)閉閥門以后，泄漏氣體質(zhì)量流量逐漸變小，由于管道壓力較低，當(dāng)管道內(nèi)壓力與環(huán)境壓力相等時(shí)，泄漏的質(zhì)量流量接近于零，受風(fēng)和濃度差擴(kuò)散作用CH4危險(xiǎn)區(qū)域減小，例如管道上部泄漏工況下，當(dāng)泄漏120 s 時(shí)，上部泄漏情況，傷害下限和爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處距離泄漏口分別為34 m和18 m，擴(kuò)散高度分別為70 m以上和63 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散至距泄漏口38 m和20 m；在約434 s泄漏口處質(zhì)量流量接近于零，故氣體危險(xiǎn)濃度范圍也在變小，傷害下限和爆炸下限在下風(fēng)向貼近地面處距離泄漏口分別為28 m和13 m，擴(kuò)散高度分別為63 m以上和47 m，在土壤中沿下風(fēng)向擴(kuò)散至距泄漏口29.8 m和16.5 m。由此可知，埋地燃?xì)夤艿酪坏┌l(fā)生泄漏，盡快關(guān)閉泄漏管段兩端的閥門，能夠減小CH4的危險(xiǎn)濃度范圍。

3 結(jié) 論

城市埋地天然氣管道發(fā)生泄漏后，在土壤中由于濃度差作用，CH4在管道周圍呈發(fā)散狀擴(kuò)散。CH4進(jìn)入空氣以后，在浮力和風(fēng)作用下，分別向高空和下風(fēng)向迅速擴(kuò)散，由于建筑物的阻礙作用，在建筑物的迎風(fēng)側(cè)形成高濃度區(qū)；在土壤中氣體繞過建筑物擴(kuò)散到建筑物背風(fēng)側(cè)，在浮力與濃度差的驅(qū)動下，天然氣從土壤中擴(kuò)散到空氣中，并在建筑物背風(fēng)側(cè)形成高濃度危險(xiǎn)區(qū)。對天然氣管道上部、下部及背風(fēng)側(cè)3種泄漏工況下，下部泄漏在土壤和空氣中的危險(xiǎn)范圍最大，關(guān)閉泄漏管段兩端閥門以后，氣體擴(kuò)散危害范圍逐漸變小。

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Numericalsimulationofurbanburiedgaspipelineleakageanddiffusion

ChengMengmeng1，WuMing1，ZhaoLing1，LiuKe2，ShaoDawei2，YangMingyue1

(1.CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushun113001，Liaoning,China；2.ShenyangInstituteofSpecialEquipmentInspection&Research，Shenyang110000,Liaoning，China)

To study the diffusing of gas piercing leakage in urban buried gas pipeline, combining the finite volume method, CFD simulation models are established by Gambit 2.4 at different leakage locations. The diffusion rule of gas in soil and air are simulated by Fluent 6.3 under the three leakage conditions of the upper, lower and leeward side of the gas pipeline. The research result shows that the lower leakage in soil and air is the largest diffusion hazard area. If the valves at both ends of the pipeline are shut off, the gas diffusion hazard area will gradually get smaller. The studies can also provide the theoretical foundation for the personnel evacuation and security maintenance of pipelines in the scene of natural gas release.

gas pipeline, leakage, diffusion, numerical simulation

TE88

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.020

2013-10-21；

2013-11-21；編輯：鐘國利

國家質(zhì)檢總局科研項(xiàng)目“質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目”(201010025)。

程猛猛(1987-)，男，河南商丘人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事輸氣管道技術(shù)方面的科研工作。地址：(113001)遼寧省撫順市望花區(qū)丹東路西段一號。E-mail: cm07131042@126.com