管道壓力對(duì)綜合管廊天然氣管艙內(nèi)天然氣泄漏擴(kuò)散的影響*

孫華 唐聰 周寧 李雪 袁雄軍

(1.上海化學(xué)工業(yè)區(qū)公共管廊有限公司 上海 201507； 2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

地下綜合管廊天然氣管艙內(nèi)管道輸送壓力各不相同，管道壓力對(duì)于泄漏擴(kuò)散影響較大，安全風(fēng)險(xiǎn)各異，因此亟需開(kāi)展相關(guān)研究為天然氣管艙設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行管理提供理論支撐。前人對(duì)管道壓力對(duì)泄漏擴(kuò)散的影響開(kāi)展了一系列研究，取得了一些成果。錢(qián)喜玲等[1]對(duì)西安市某一地下綜合管廊天然氣管道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)泄漏壓力相同時(shí)，可燃?xì)怏w擴(kuò)散距離與泄漏時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。WANG X M等[2]利用CFD軟件對(duì)地下綜合管廊天然氣小孔泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了壓力和通風(fēng)換氣次數(shù)之間的關(guān)系。鄧小嬌等[3]對(duì)綜合管廊管艙內(nèi)管道壓力分別為200、400、800 kPa泄漏時(shí)的報(bào)警時(shí)間及泄漏擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得相關(guān)報(bào)警時(shí)間和可燃?xì)庠茢U(kuò)散規(guī)律。王雪梅等[4]對(duì)綜合管廊燃?xì)馀摴艿缐毫?duì)泄漏擴(kuò)散過(guò)程的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到管道壓力與氣云擴(kuò)散過(guò)程的初步規(guī)律。李靜毅等[5]開(kāi)展了綜合管廊燃?xì)馀摴艿缐毫?duì)泄漏的影響研究，結(jié)果表明，泄漏孔正上方燃?xì)馀擁敳刻烊粴怏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%的時(shí)間隨管道壓力的增高而減少。綜上目前雖然有不少學(xué)者對(duì)管道壓力對(duì)泄漏擴(kuò)散過(guò)程和氣云濃度分布規(guī)律開(kāi)展了系列研究，但在綜合管廊天然氣管艙內(nèi)天然氣管道壓力不同時(shí)泄漏擴(kuò)散過(guò)程管艙內(nèi)的流場(chǎng)特性、可燃?xì)庠茲舛确植家?guī)律、報(bào)警時(shí)間等研究還不充分，未從流場(chǎng)特性去分析壓力對(duì)氣云擴(kuò)散加速的機(jī)制，因此本文采用FLUENT軟件對(duì)天然氣管艙內(nèi)管道壓力對(duì)泄漏擴(kuò)散特性、流場(chǎng)特征等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究，以期揭示管道壓力對(duì)泄漏擴(kuò)散影響的機(jī)制，并為天然氣管艙設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 物理模型及初始條件

由于整個(gè)綜合管廊尺寸比較大，選擇一個(gè)防火分區(qū)作為研究?jī)?nèi)容，即管艙長(zhǎng)200 m，建設(shè)二維模型，建模尺寸為200 m×2.6 m，2.6 m為天然氣管道泄漏口到艙頂?shù)木嚯x，泄漏口位于管道中心處，共設(shè)14個(gè)可燃?xì)怏w報(bào)警探測(cè)器，天然氣管艙頂部左邊為通風(fēng)口，右邊為排風(fēng)口，尺寸均為1 m×1 m，靠近防火墻兩端的區(qū)域?yàn)橥L(fēng)死角區(qū)域，長(zhǎng)0.5 m，泄漏口孔徑為20 mm。t=0時(shí)，甲烷濃度為0。本文研究的自變量為不同管道壓力，依次為0.2、0.4、0.8、1.6 MPa。對(duì)管道壓力進(jìn)行數(shù)值模擬研究時(shí)，泄漏口處邊界條件類型設(shè)為質(zhì)量流量入口或壓力入口，通風(fēng)換氣次數(shù)為6次/h，換算風(fēng)速為1.91 m/s。管廊管艙幾何模型如圖1所示，表1為泄漏口邊界條件設(shè)置。

圖1 管廊管艙幾何模型

表1 泄漏口處邊界條件設(shè)置

2 管道壓力對(duì)管艙內(nèi)天然氣濃度擴(kuò)散的影響

首先根據(jù)擴(kuò)散云圖和速度矢量圖來(lái)分析云圖的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖2是以管道壓力0.8 MPa為例的天然氣擴(kuò)散濃度云圖，圖3為相同情況下的速度矢量圖(x為管艙長(zhǎng)度，y為管艙高度，單位均為m)。從圖中可以看出，天然氣一旦發(fā)生泄漏，泄漏口正上方管艙頂部就會(huì)有很密的速度流線，促使氣體向管艙頂部射流，該射流過(guò)程主要經(jīng)歷了自由擴(kuò)張、有限擴(kuò)張以及收縮回流3個(gè)階段。泄漏前期(10～50 s)，速度矢量大，主要體現(xiàn)為向管艙頂部擴(kuò)散；泄漏中期(100～150 s)，由于受艙頂?shù)南拗?，速度矢量流線開(kāi)始向管艙兩側(cè)密布，再加上通風(fēng)風(fēng)速的影響，導(dǎo)致迎風(fēng)區(qū)速度矢量大于逆風(fēng)區(qū)，迎風(fēng)區(qū)偏移擴(kuò)散距離增大；泄漏后期(200～250 s)，由于動(dòng)量不守恒導(dǎo)致的速度梯度和密度梯度，促使迎風(fēng)區(qū)天然氣橫向擴(kuò)散距離在不斷增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上又增強(qiáng)了預(yù)混氣體的卷吸作用，縱向擴(kuò)散距離也發(fā)生了變化，逆風(fēng)區(qū)和迎風(fēng)區(qū)的擴(kuò)散距離都增大，但迎風(fēng)區(qū)甲烷擴(kuò)散濃度比逆風(fēng)區(qū)高。隨著泄漏時(shí)間的推移，迎風(fēng)區(qū)大約7 m左右的地方出現(xiàn)“二次反射”現(xiàn)象，主要是因?yàn)橛L(fēng)區(qū)泄漏量大，卷吸作用強(qiáng)，擾動(dòng)性增強(qiáng)，湍流不穩(wěn)定性加劇，渦團(tuán)加速運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散速度快。

圖2 0.8 MPa時(shí)泄漏口附近濃度擴(kuò)散云圖

圖3 0.8MPa時(shí)泄漏口附近速度矢量圖

分析管道壓力分別為0.2、0.4、0.8、1.6 MPa時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果表明，無(wú)論哪種壓力情況，泄漏口附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(x=±22.5 m，y=2.3 m)甲烷濃度先達(dá)到峰值，對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度成對(duì)稱分布情況。管道壓力為0.2 MPa時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化不明顯。故低壓時(shí)，氣體射流較弱，泄漏量較少，參與湍流擴(kuò)散的氣體量較少；管道壓力為0.4 MPa時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲烷濃度變化比0.2 MPa時(shí)起伏大，越靠近泄漏口體積分?jǐn)?shù)變化越大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)(x=±22.5m，y=2.3 m)同一時(shí)間達(dá)到濃度峰值。150～250 s期間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值呈波峰波谷變化，振蕩波形紊亂；管道壓力為0.8 MPa時(shí)，迎風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)甲烷濃度開(kāi)始出現(xiàn)分層變化，迎風(fēng)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度波動(dòng)變化較大，尤其是靠近泄漏口附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)8，逆風(fēng)向監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度變化緩慢，這說(shuō)明管道壓力為0.8 MPa時(shí)，迎風(fēng)向受卷吸作用和湍流干擾強(qiáng)；管道壓力為1.6 MPa時(shí)，迎風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)甲烷濃度變化分層現(xiàn)象明顯，迎風(fēng)區(qū)甲烷濃度變化趨勢(shì)較0.8 MPa時(shí)穩(wěn)定，隨泄漏進(jìn)程的加快，振蕩變化幅值逐漸趨于零，而逆風(fēng)區(qū)甲烷濃度剛開(kāi)始只有微小波動(dòng)后迅速趨于一條直線，迎風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)濃度峰值最大振幅差約為0.16，迎風(fēng)區(qū)濃度波動(dòng)變化情況：0.8 MPa>0.4 MPa>0.2 MPa>1.6 MPa，而逆風(fēng)區(qū)0.4 MPa>0.2 MPa>0.8 MPa>1.6 MPa。

3 管道壓力對(duì)管艙內(nèi)流場(chǎng)分布的影響

流場(chǎng)變化最能反映天然氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。圖4為不同壓力情況下管艙內(nèi)流場(chǎng)分布情況，可以看出，管道壓力為0.2 MPa時(shí)，泄漏量較小，只有泄漏口附近出現(xiàn)射流，形成小尺寸渦團(tuán)，擴(kuò)散過(guò)程中預(yù)混氣體卷吸作用不強(qiáng)，迎風(fēng)向和逆風(fēng)向湍流變化不明顯，渦團(tuán)變化較穩(wěn)定，新渦團(tuán)主要為壁面約束形成的壁面渦團(tuán)；管道壓力為0.4 MPa時(shí)，除了逆風(fēng)向回流區(qū)出現(xiàn)不規(guī)則渦團(tuán)后，逆風(fēng)向渦團(tuán)變化穩(wěn)定，迎風(fēng)向區(qū)域不斷有新渦團(tuán)產(chǎn)生，加速擴(kuò)散進(jìn)程；管道壓力為0.8 MPa時(shí)，逆風(fēng)向區(qū)域泄漏口附近渦團(tuán)尺寸逐漸變小，迎風(fēng)向區(qū)域渦團(tuán)尺寸逐漸變大，這是因?yàn)橛L(fēng)向動(dòng)態(tài)擴(kuò)散氣體與逆風(fēng)向靜態(tài)空氣相比壓差變大，速度梯度較大，湍流擴(kuò)散主要向迎風(fēng)向區(qū)域運(yùn)動(dòng)，逆風(fēng)向區(qū)域只有少量低濃度氣體偏移擴(kuò)散；管道壓力為1.6 MPa時(shí)，泄漏量大，射流現(xiàn)象明顯，迎風(fēng)向區(qū)域擴(kuò)散距離增大的同時(shí)，逆風(fēng)向收縮回流區(qū)也增大，故泄漏口附近迎風(fēng)區(qū)和逆風(fēng)區(qū)都由于湍流運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)了渦團(tuán)的形成，迎風(fēng)區(qū)渦團(tuán)尺寸較大。綜上，隨著管道壓力增大，泄漏量增大，射流噴射加速，動(dòng)態(tài)天然氣和靜態(tài)空氣密度梯度、速度梯度及壓力梯度相差越大，受到重力慣性力和浮力的影響越大，出現(xiàn)強(qiáng)迫卷吸現(xiàn)象越明顯，加速渦團(tuán)形成與運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)天然氣擴(kuò)散。

(a)0.2 MPa

(b)0.4 MPa

(c)0.8 MPa

(d)1.6 MPa

4 管道壓力對(duì)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間的影響

報(bào)警時(shí)間與報(bào)警濃度直接相關(guān)，天然氣報(bào)警濃度是指天然氣爆炸下限的20%，(20%LEL)爆炸極限為體積分?jǐn)?shù)的5%～15%(LEL～UEL)。表2、表3、圖5表示的是不同壓力情況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)報(bào)警時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出通風(fēng)死角處監(jiān)測(cè)不到報(bào)警時(shí)間，最短報(bào)警時(shí)間出現(xiàn)在迎風(fēng)向區(qū)域靠近泄漏口位置，最長(zhǎng)報(bào)警時(shí)間出現(xiàn)在逆風(fēng)向遠(yuǎn)離泄漏口位置，即通風(fēng)死角處。管道壓力越高，動(dòng)量交換越快，渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)越劇烈，監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度分層現(xiàn)象越明顯，天然氣擴(kuò)散越快，迎風(fēng)區(qū)濃度分布變化波動(dòng)越大，最大波動(dòng)出現(xiàn)在管道壓力為0.8 MPa的情況下，而逆風(fēng)區(qū)濃度分布逐漸穩(wěn)定。且管道壓力越高，同一位置處的報(bào)警時(shí)間逐漸減小，變化幅度最大值位于x=80.5 m、y=2.3 m處，說(shuō)明管道壓力與報(bào)警時(shí)間成反比關(guān)系。為了能更好的表示出報(bào)警時(shí)間和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置變化的關(guān)系，根據(jù)1stOpt對(duì)報(bào)警時(shí)間(t)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(x)進(jìn)行擬合，擬合度均達(dá)到0.999，得到如下函數(shù)關(guān)系式：

表2 逆風(fēng)區(qū)報(bào)警時(shí)間和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的關(guān)系

P=0.2 MPa時(shí)，t= 27.39-0.23x+0.05x2+8.09×10-5x3-9.58×10-6x4-1.49×10-8x5+8.06×10-10x6

P=0.4 MPa時(shí)，t= 23.67-0.19x+0.04x2-3.18×10-6x3-4.37×10-6x4+2.72×10-11x5+2.24×10-10x6

P=0.8 MPa時(shí)，t=18.21-0.22x+0.03x2+2.16×10-6x3-3.95×10-6x4-2.02×10-10x5+2.02×10-10x6

P=1.6 MPa時(shí)，t= 15.11-0.25x+0.03x2-9.48×10-6x3-3.65×10-6x4+6.74×10-10x5+1.85×10-10x6

圖5 報(bào)警時(shí)間隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的變化關(guān)系

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬深入研究綜合管廊管艙內(nèi)天然氣管道壓力對(duì)管艙天然氣管道泄漏擴(kuò)散特性的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1) 隨著管道壓力逐漸增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，迎風(fēng)區(qū)濃度變化波動(dòng)較大，最大波動(dòng)出現(xiàn)在0.8 MPa壓力情況下，而逆風(fēng)區(qū)濃度變化逐漸穩(wěn)定。

(2)隨著管道壓力增大，泄漏量增大，射流噴射加速，動(dòng)態(tài)天然氣和靜態(tài)空氣密度梯度、速度梯度及壓力梯度相差越大，受到重力慣性力和浮力的影響越大，強(qiáng)迫卷吸現(xiàn)象越明顯，加速渦團(tuán)的形成與運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)天然氣擴(kuò)散。

(3)管道壓力越高，報(bào)警時(shí)間越短，管道壓力與報(bào)警時(shí)間成反比。