埋地高含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值研究

付吉強(qiáng) ，熊新強(qiáng)，李延宗，魏春日，王慶蕓

（1. 中國石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司, 河北 任丘 062552； 2. 中國石化煉油銷售有限公司, 上海 200000）

埋地長輸天然氣管道常用材質(zhì)為X或L系列的直縫或螺旋焊鋼制管材，盡管在鋪設(shè)施工過程中會(huì)采用減緩或防止管道被侵蝕和變質(zhì)的措施，但由于復(fù)雜的土壤環(huán)境以及輸送介質(zhì)的腐蝕性，會(huì)改變管道結(jié)構(gòu)，減少管道的使用年限，甚至發(fā)生管道穿孔泄漏，更嚴(yán)重會(huì)引發(fā)管道大面積的開裂泄漏、爆管、系統(tǒng)停輸?shù)戎卮笫鹿省?/p>

在天然氣藏中，硫化氫含量超過 5%時(shí)被稱為高含硫天然氣，輸送高含硫天然氣埋地管道在發(fā)生穿孔泄漏甚至開裂時(shí)，不僅會(huì)形成燃燒爆炸危險(xiǎn)區(qū)遇明火燃燒或爆炸，還會(huì)形成高濃度中毒危險(xiǎn)區(qū)威脅人的生命，引起重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，故研究輸送高含硫天然氣埋地管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬對實(shí)際工程具有很大的價(jià)值[1-4]。本文系統(tǒng)研究了埋地高含硫輸氣管道穿孔泄漏過程，基于組分傳輸理論建立了氣體在土壤多孔介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散的控制方程，并分析了有風(fēng)條件下對埋地管道泄漏后天然氣擴(kuò)散規(guī)律的影響，計(jì)算結(jié)果可為進(jìn)一步研究危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散機(jī)理提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 埋地長輸天然氣管道非穩(wěn)定泄漏數(shù)學(xué)模型

長輸天然氣管道泄漏埋地與架空情況下不同，土壤屬于多孔介質(zhì)，管道埋在土壤下泄漏后，天然氣會(huì)滲入到多孔介質(zhì)中，同時(shí)作用在孔隙阻力和毛管壓力下，降低了氣體湍動(dòng)能，所以天然氣在土壤表面以下進(jìn)入大氣的過程表現(xiàn)為擴(kuò)散過程[5]。

1.1 土壤多孔介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)氣體非穩(wěn)定擴(kuò)散控制方程

1）組分輸運(yùn)守恒方程

式中：iY─介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；r─密度kg/m3；u ─速度矢量，m/s；Dim─為混合物中介質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。

2）動(dòng)量守恒方程

式中：μ─流體動(dòng)力粘度，Pa?s；

p─流體微元壓力，Pa；

u，v─速度u在x，y方向的分量，m/s；

k─多孔介質(zhì)的滲透率，m2；

C2─慣性損失系數(shù)。

3）能量守恒定律

h─當(dāng)前溫度下的焓，J/kg。

K方程（湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程[6]）

e方程（湍流動(dòng)能耗散方程）

其中：Gb─浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；

GK─平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；

YM─可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張貢獻(xiàn)，模型中C1e=1.44，C3e=1;

Cm=0.09為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

以某埋地管道為例，土壤物性為孔隙度0.267，密度1 680 kg/m，比熱2 150，導(dǎo)熱系數(shù)1.75。假設(shè)管徑0.61 m，管長5 000 m，上游起點(diǎn)壓力3.5 MPa，下游終點(diǎn)壓力3.35 MPa，外界環(huán)境平均溫度16 ℃，天然氣初始溫度和大氣溫度相同，硫化氫含量為20 mg/L，天然氣年均輸送量20×108 m3，泄漏口直徑0.01m。模擬泄漏發(fā)生在該管道中央，區(qū)域?yàn)?00 m×100 m。本文研究埋地長輸天然氣管道泄漏擴(kuò)散，是基于管道穿孔后，立即截?cái)鄡啥藲庠?，并且?0 s后管內(nèi)氣壓與外界大氣壓平衡的非穩(wěn)定泄漏過程。

2.1 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.2.1 無風(fēng)情況

分別給出了埋地長輸天然氣管道在無風(fēng)情況下穿孔非穩(wěn)定泄漏過程中甲烷爆炸及硫化氫中毒濃度云圖見圖1-2。分析可知：當(dāng)天然氣管道敷設(shè)于地下，在管道發(fā)生泄漏的初始階段，泄漏的天然氣會(huì)滲入到土壤中，同時(shí)作用在孔隙阻力和毛管壓力下，降低了氣體湍動(dòng)能，基于土壤為多孔介質(zhì)，泄露的天然氣會(huì)通過土壤空隙不斷快速的涌向地表，進(jìn)入大氣后開始膨脹，且受地表張力作用，導(dǎo)致位于泄漏口周圍的地表在短時(shí)間內(nèi)會(huì)聚集大量的高濃燃?xì)猓孤┏跗谟捎诠軆?nèi)外壓力梯度較大，導(dǎo)致地表燃?xì)獠粩嗔鲃?dòng)，加之空氣浮力的作用，使云團(tuán)上升速度加快，在空中形成一個(gè)相對的高濃度區(qū)域。隨著天然氣不斷地泄漏，致使管內(nèi)外壓力梯度下降較快，泄漏口處天然氣泄漏速度減慢，泄漏量增長緩慢，當(dāng)管道內(nèi)壓降低至外界環(huán)境壓力時(shí)，停止泄漏。由數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得出，發(fā)生泄漏10 s后，管道內(nèi)壓降至環(huán)境壓力，泄漏基本停止，泄漏到土壤多孔介質(zhì)中的天然氣仍在緩慢擴(kuò)散，但湍動(dòng)能較小，在地表無風(fēng)條件下，泄漏天然氣擴(kuò)散速度較慢且高濃度集中，使爆炸和中毒濃度危險(xiǎn)區(qū)主要在泄漏口周圍。

圖1 不同時(shí)刻大氣中硫化氫中毒濃度云圖Fig.1 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

圖2 不同時(shí)刻大氣中甲烷中毒濃度云圖Fig.2 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

2.2.2 地表風(fēng)速5 m/s情況

在埋地長輸天然氣管道上地表風(fēng)速5m/s時(shí)，管道發(fā)生穿孔非穩(wěn)定泄漏過程甲烷爆炸及硫化氫中毒濃度云圖分別見圖3和圖4。與圖1-2相結(jié)合分析可知：有風(fēng)條件下甲烷和硫化氫的擴(kuò)散規(guī)律差異較大，泄漏初期地表附近的高濃甲烷和硫化氫范圍大于無風(fēng)情況，且受風(fēng)向的影響，在下風(fēng)向甲烷及硫化氫濃度較高并形成渦旋，渦旋逐漸擴(kuò)大且上移，在脫離地表高濃區(qū)后會(huì)形成兩個(gè)獨(dú)立云團(tuán)，泄漏發(fā)生25 s，爆炸及中毒極限危險(xiǎn)區(qū)只在泄漏口附近，其它區(qū)域均為安全區(qū)且可以采取緊急救援措施。

圖3 不同時(shí)刻大氣中硫化氫中毒濃度云圖Fig.3 Different time the atmospheric concentration of hydrogen sulfide poisoning in the cloud

圖4 不同時(shí)刻大氣中甲烷中毒濃度云圖Fig.4 Different time the atmospheric concentration of methane sulfide poisoning in the cloud

3 結(jié) 論

（1）利用CFD軟件對高含硫埋地天然氣管道穿孔非穩(wěn)定泄漏過程進(jìn)行數(shù)值模擬，給出了爆炸極限及中毒范圍，計(jì)算結(jié)果符合擴(kuò)散理論，驗(yàn)證了所建立的泄漏模型是正確的。

（2）埋地天然氣管道穿孔非穩(wěn)定泄漏過程中有風(fēng)條件下甲烷和硫化氫的擴(kuò)散規(guī)律差異較大，泄漏初期地表附近的高濃甲烷和硫化氫范圍大于無風(fēng)情況，且受風(fēng)向的影響，在下風(fēng)向甲烷及硫化氫濃度較高并形成渦旋，渦旋逐漸擴(kuò)大且上移，在脫離地表高濃區(qū)后會(huì)形成兩個(gè)獨(dú)立云團(tuán)，泄漏發(fā)生 25s，爆炸及中毒極限危險(xiǎn)區(qū)只在泄漏口附近，其它區(qū)域均為安全區(qū)且可以采取緊急救援措施。

（3）當(dāng)埋地天然氣管道輸送多組分天然氣并發(fā)生穿孔泄漏后，如果考慮地形因素，在重力影響下，重組分天然氣會(huì)下沉進(jìn)而出現(xiàn)分層現(xiàn)象；輸送高含硫天然氣發(fā)生穿孔泄漏后，高濃度硫化氫會(huì)集聚在低洼區(qū)域，形成中毒危險(xiǎn)區(qū)。

［1］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.

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［3］李又綠，姚安林，李永杰. 燃?xì)夤艿佬孤U(kuò)散模型研究[J]. 天然氣工業(yè)，2004，24(8)：102-104.

［4］周波，張國樞. 有害物質(zhì)泄漏擴(kuò)散的數(shù)值模擬[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31（10）：42-44.

［5］陳云濤，陳保東，杜明俊，等. 埋地輸氣管道穿孔泄漏擴(kuò)散濃度的數(shù)值模擬[J]. 石油工程建設(shè)，2010，36（4）：1-3.