天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

0 引言

天然氣是一種清潔高效能源，在工業(yè)生產(chǎn)及生活中廣泛應(yīng)用。隨著天然氣用量的急劇增加，天然氣管道建設(shè)規(guī)模也越發(fā)龐大，天然氣管道泄漏導(dǎo)致的燃燒爆炸，會(huì)對(duì)管道周圍的人員生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1-4]。因此研究天然氣管道泄漏擴(kuò)散規(guī)律，了解環(huán)境中天然氣濃度分布情況，對(duì)減少因天然氣泄漏導(dǎo)致的燃燒爆炸事故發(fā)生尤為重要[5]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)氣體管道泄漏情況開展了大量研究。GUPT[6]采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)比分析了變泄漏速率條件下天然氣管道泄漏和擴(kuò)散情況。周寧[7]利用數(shù)值計(jì)算方法采用k-ε湍流模型計(jì)算了不同環(huán)境風(fēng)速和初始泄漏速度下石化管道中丁烷氣體的泄漏情況，得到了環(huán)境風(fēng)速和泄漏速率與爆炸危險(xiǎn)區(qū)域面積的關(guān)系。

某電站廠區(qū)周圍存在天然氣管線，天然氣管道泄漏產(chǎn)生的氣體云團(tuán)爆炸易對(duì)電廠建筑造成一定的破壞，而天然氣泄漏爆炸的實(shí)驗(yàn)成本極高，難以實(shí)現(xiàn)。因此本文采用數(shù)值模擬方法，利用ANSYS fluent軟件計(jì)算研究天然氣管泄漏后氣體濃度分布，為制定有效的風(fēng)險(xiǎn)防控方案提供支撐。

1 模型建立

1.1 網(wǎng)格劃分

天然氣管道與某電廠區(qū)域三維空間大小為5000m×3000m×2000m，包含泄漏管道、廠區(qū)建筑以及外部大氣空間。根據(jù)物理模型進(jìn)行計(jì)算域網(wǎng)格劃分，為了提高計(jì)算精度，對(duì)泄漏管道及附近區(qū)域、廠區(qū)建筑進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為82.64萬(wàn)，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算域整體網(wǎng)格

1.2 計(jì)算條件

本文主要研究天然氣管道完全破裂情況下天然氣泄漏擴(kuò)散情況，管道泄漏直徑設(shè)置為DN600，天然氣管道初始?jí)毫?MPa。天然氣管道及電廠所在地年平均風(fēng)速為2.1m/s，氣象最不利條件風(fēng)速為1.5m/s。天然氣管道泄漏點(diǎn)上游2.3km和下游9.3km分別存在一個(gè)閥室和調(diào)壓站，可以在發(fā)生泄漏68秒時(shí)刻將上下游閥門關(guān)斷。天然氣主要成分甲烷CH4，計(jì)算域入口為速度入口，地面為wall，其他邊界均為壓力出口?；诩{維斯托克斯組的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，采用有限體積法進(jìn)行求解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 1.5m/s風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

按管道破裂后68s時(shí)刻關(guān)斷情況進(jìn)行計(jì)算，1.5m/s風(fēng)速下，不同時(shí)刻6號(hào)、2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣濃度隨時(shí)間變化情況如圖2所示，其中0s時(shí)刻表示泄漏開始時(shí)刻。

由圖2可知，1.5m/s風(fēng)速情況下，泄漏事故發(fā)生后119.66s時(shí)刻天然氣云團(tuán)到達(dá)6號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口位置。泄漏事故發(fā)生后143.16s時(shí)刻6號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣達(dá)到最高濃度，其瞬時(shí)最高濃度為0.08%，低于天然氣的爆炸下限4%。6號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口為距離事故點(diǎn)最近的進(jìn)風(fēng)口，2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口由于距離較遠(yuǎn)，在上述時(shí)段計(jì)算過(guò)程中捕捉到的天然氣濃度非常小。泄漏事故發(fā)生后504.16s時(shí)刻天然氣云團(tuán)到達(dá)2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口位置。泄漏事故發(fā)生后583.16s時(shí)刻2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣達(dá)到最高濃度，瞬時(shí)最高濃度為0.0000171%。

圖2 1.5m/s風(fēng)速時(shí)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣濃度變化過(guò)程

分別選取20s、40s不同時(shí)刻觀察三維空間天然氣云團(tuán)濃度分布，如圖3所示。

圖3 1.5m/s風(fēng)速下不同泄漏時(shí)間云團(tuán)濃度分布

由1.5m/s風(fēng)速下不同時(shí)刻天然氣云團(tuán)濃度分布圖可以看出，泄漏后的天然氣云團(tuán)呈狹長(zhǎng)條狀。這是由于管道內(nèi)4MPa壓力下裂口噴出的氣流速度遠(yuǎn)大于環(huán)境風(fēng)速，因此裂口附近天然氣云團(tuán)主要呈現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；隨著距離的增加，云團(tuán)速度不斷衰減，遠(yuǎn)場(chǎng)云團(tuán)運(yùn)動(dòng)方式主要呈現(xiàn)為環(huán)境風(fēng)作用下的擴(kuò)散模式。由于天然氣比重小于空氣，隨著距離的增加，云團(tuán)頭部逐漸呈升高趨勢(shì)，30s時(shí)刻天然氣云團(tuán)頭部前鋒陣面已經(jīng)接近電廠區(qū)位置。

1.5 m/s風(fēng)速下不同時(shí)刻4%和10%體積濃度等值面內(nèi)包含的天然氣質(zhì)量如表1所示。

由表1可得，1.5m/s風(fēng)速下，20s時(shí)刻4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為13276.38kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。25s時(shí)刻10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為838.38kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。

表1 不同時(shí)刻下4%和10%濃度等值面包含天然氣質(zhì)量（1.5m/s風(fēng)速）

2.2 2.1m/s風(fēng)速計(jì)算結(jié)果

上下游管道68s關(guān)斷時(shí)，2.1m/s風(fēng)速下，不同時(shí)刻6號(hào)、2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣濃度隨時(shí)間變化情況如圖4所示。

圖4 2.1m/s風(fēng)速時(shí)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣濃度變化過(guò)程

2.1 m/s風(fēng)速情況下，泄漏事故發(fā)生后經(jīng)過(guò)105.16s天然氣云團(tuán)到達(dá)6號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口位置。經(jīng)過(guò)128.66s進(jìn)風(fēng)口天然氣達(dá)到最高濃度，瞬時(shí)最高濃度為0.11%，低于天然氣的爆炸下限4%。6號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口為距離事故點(diǎn)最近的進(jìn)風(fēng)口，2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口在上述時(shí)段計(jì)算過(guò)程捕捉到的天然氣濃度非常小。泄漏事故發(fā)生后503.16s時(shí)刻天然氣云團(tuán)到達(dá)2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口位置。泄漏事故發(fā)生后600.16s時(shí)刻2號(hào)建筑進(jìn)風(fēng)口天然氣達(dá)到最高濃度，瞬時(shí)最高濃度為0.00000351%。

分別選取20s、40s不同時(shí)刻觀察三維空間天然氣云團(tuán)濃度分布，如圖5所示。

圖5 2.1m/s風(fēng)速下不同泄漏時(shí)間云團(tuán)濃度分布

由2.1m/s風(fēng)速下不同時(shí)刻天然氣云團(tuán)濃度分布圖與爆炸下限等值面圖可以看出，泄漏后的天然氣云團(tuán)形狀整體與1.5m/s風(fēng)速相似。相同時(shí)刻2.1m/s風(fēng)速下云團(tuán)前進(jìn)距離比1.5m/s風(fēng)速情況略遠(yuǎn)，30s時(shí)刻云團(tuán)前鋒陣面到達(dá)電廠區(qū)邊緣位置。

不同時(shí)刻4%和10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量如表2所示。

表2 不同時(shí)刻下4%和10%體積濃度下含天然氣質(zhì)量（2.1m/s風(fēng)速）

由表2可得，2.1m/s風(fēng)速下，25s時(shí)刻4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為13379.08kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。25s時(shí)刻10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大，為836.42kg，隨后天然氣質(zhì)量逐漸降低。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Fluent軟件對(duì)天然氣管道泄漏進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算并分析了不同風(fēng)速條件下天然氣的泄漏分布情況。在1.5m/s和2.1m/s風(fēng)速時(shí)，4%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大的時(shí)間分別為20s和25s，天然氣質(zhì)量分別為13276.38kg和838.38kg，10%體積濃度等值面內(nèi)包含的可燃天然氣質(zhì)量最大的時(shí)間均為25s，天然氣質(zhì)量分別為13379.08kg和836.42kg。