架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

1、<p>　　架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究</p><p>　　摘要：在天然氣管道集輸過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)橛捎诠艿览匣?、腐蝕等因素而引起的泄漏事故，從而間接地引起穿孔泄漏后的天然氣擴(kuò)散，以致很可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、中毒甚至爆炸事故。本文建立了架空管道泄漏擴(kuò)散過(guò)程控制方程，并對(duì)架空管道發(fā)生穿孔時(shí)的穩(wěn)定泄漏過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散規(guī)律的影響，得到了甲烷、硫化氫在一定風(fēng)速影響下的擴(kuò)散規(guī)律，以及甲

2、烷和硫化氫的濃度分布規(guī)律，為有效預(yù)測(cè)高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散的影響范圍提供了依據(jù)。研究結(jié)果對(duì)于認(rèn)識(shí)高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，以及了解相關(guān)安全事故的預(yù)警和救援知識(shí)具有一定的指導(dǎo)意義。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：含硫天然氣管道；泄漏擴(kuò)散；風(fēng)速；數(shù)值模擬 </p><p>　　中圖分類號(hào)：U179.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006―7973（2016）02-0031-03 </p>

3、<p>　　天然氣管道發(fā)生泄漏擴(kuò)散是輸氣管道事故危害的根本原因。管線腐蝕穿孔是天然氣管道泄漏最常見(jiàn)的工況之一。 </p><p>　　本文以含硫天然氣管道為例，對(duì)短時(shí)穩(wěn)定泄漏過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，利用CFD軟件對(duì)架空天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，風(fēng)速對(duì)氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，通過(guò)相關(guān)的數(shù)值計(jì)算，得出模擬區(qū)域內(nèi)天然氣云團(tuán)的擴(kuò)散特性。對(duì)有效預(yù)測(cè)甲烷爆炸危險(xiǎn)區(qū)及硫化氫中毒危險(xiǎn)區(qū)域范圍，提出應(yīng)對(duì)方案，以及為天然氣的安全輸

4、送及環(huán)境保護(hù)提供了一定的理論依據(jù)。 </p><p>　　取一個(gè)足夠大且包含泄漏區(qū)域以及擴(kuò)散區(qū)域的空間，高100m、泄漏半徑為50m，研究天然氣在此空間的泄漏情況。泄漏口采用二維孔口模型，口徑為10cm，模擬左側(cè)風(fēng)速為0、2m/ s、5m/s和8m/s四種情況下的天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律。 </p><p>　　高速氣流經(jīng)由泄漏口噴射出，在泄漏口上方一定高度內(nèi)的速度梯度較大，因此有必要將計(jì)算區(qū)域

5、劃分幾塊，且泄漏口上方的區(qū)域需要網(wǎng)格細(xì)化。 </p><p>　　由泄漏管道的二維模型可知，整個(gè)計(jì)算區(qū)域劃分為三塊，具體的物理模型如下圖： </p><p>　　2.2.1不同風(fēng)速下氣體擴(kuò)散過(guò)程模擬結(jié)果 </p><p>　　本文通過(guò)FLUENT軟件計(jì)算，利用GAMBIT建立模型、劃分網(wǎng)格。采用FLUENT中組分輸運(yùn)模型，基于壓力的求解器（pres？ sure-ba

6、sed solver），使用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型求解定常狀態(tài)下的紊流問(wèn)題。 </p><p>　　因?yàn)閲娚涑鰜?lái)的天然氣與周圍大氣環(huán)境之間存在著很大的壓差，所以壓力將在很短的距離里就與環(huán)境達(dá)到平衡，并且這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間很短，對(duì)整個(gè)計(jì)算域影響不大，這也就可以將重點(diǎn)放在分析天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)甲烷和硫化氫的濃度場(chǎng)分布情況上。本文利用等值線圖顯示天然氣中各組分的濃度場(chǎng)分布情況如圖2.2-2.9所示。 </p>&

7、lt;p>　　甲烷在不同風(fēng)速情況下的濃度場(chǎng)分布情況如下圖： </p><p>　　2.2.2不同風(fēng)速下氣體擴(kuò)散規(guī)律分析 </p><p>　　由圖2.2、2.6分析可知無(wú)風(fēng)的情況下： </p><p>　　由于架空管道無(wú)土壤空隙的束縛，發(fā)生泄漏后，天然氣會(huì)以高壓射流的形式射向高空，濃度等值線在氣體出口附近比較密集，運(yùn)動(dòng)到一定高度后，變得較為稀疏。泄漏口附近甲烷

8、和硫化氫濃度非常大，但擴(kuò)散分布的范圍較小，近地面除泄漏口附近氣體濃度較高外，一定范圍內(nèi)無(wú)危險(xiǎn)區(qū)。由于天然氣與空氣存在密度差，天然氣很快擴(kuò)散開(kāi)，隨著擴(kuò)散的向前推進(jìn)，使天然氣湍動(dòng)能減低，天然氣的分布區(qū)域逐漸變大，濃度衰減很快，從而導(dǎo)致高壓氣體在距地表一定位置處開(kāi)始形成云團(tuán)。 </p><p>　　在射流軸心線上距離泄漏口45m的地方甲烷體積分?jǐn)?shù)衰減到5%，距離泄漏口55m的地方硫化氫體積分?jǐn)?shù)衰減到0.065%。這不僅

9、僅是初速度的原因所致，天然氣的擴(kuò)散還受到粘性力、浮力、甲烷本身重力等因素的影響。 </p><p>　　對(duì)比圖2.3、2.7和圖2.2、2.6分析，當(dāng)有v=2m/s風(fēng)速時(shí)，天然氣的泄漏流向發(fā)生變化，且高空的云團(tuán)也顯著縮小，并且在距離泄漏口20m的空中，甲烷和硫化氫的濃度都顯著增到，體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了15%和1.14%，在此濃度范圍也形成了一片云團(tuán)。 </p><p>　　分析圖2.4、2.

10、5，當(dāng)有v=5m/s和v=8m/s風(fēng)速時(shí)，天然氣的泄漏流向發(fā)生明顯變化，高空的云團(tuán)也消失，并且隨著風(fēng)速的增大，甲烷和硫化氫的濃度擴(kuò)散越不顯著，煙云高度降低，即風(fēng)速越大，高空中的甲烷和硫化氫濃度越小；風(fēng)速為8m/s時(shí)，距離泄漏口60m的空中，甲烷和硫化氫的濃度變得非常小，對(duì)大氣環(huán)境和人體的影響也很小。 </p><p>　　由圖2.2-2.9還可分析出架空天然氣管道穩(wěn)定泄漏擴(kuò)散過(guò)程中甲烷、硫化氫爆炸及中毒危險(xiǎn)區(qū)域。

11、由于甲烷爆炸范圍是5%～15%（體積分?jǐn)?shù)），當(dāng)甲烷濃度低于5%的時(shí)候，達(dá)不到爆炸極限，而且在大氣中很快就被稀釋到更低的濃度，對(duì)大氣環(huán)境和人體的影響很小，危險(xiǎn)性也很小。當(dāng)硫化氫的濃度達(dá)到0.065%時(shí)，人呼吸到就會(huì)中毒。云圖中用等值線分別標(biāo)示出了甲烷體積分?jǐn)?shù)為0.05-0.15以及硫化氫體積分?jǐn)?shù)大于0.00065的區(qū)域。從硫化氫和甲烷的濃度分布來(lái)看，硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。 </p><p><

12、;b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　天然氣泄漏擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，這個(gè)過(guò)程受風(fēng)速、地表、泄漏源位置及泄漏氣體壓力、密度等多因素共同作用，所以這種擴(kuò)散是一個(gè)綜合效應(yīng)。本文利用模擬方法，得到了下列結(jié)果：在天然氣擴(kuò)散時(shí)，甲烷受正浮力作用，它總能到達(dá)計(jì)算區(qū)域的頂部；受重氣擴(kuò)散時(shí)沉積卷積效應(yīng)的影響，高含硫天然氣泄漏擴(kuò)散時(shí)近地面的橫向污染距離加大，煙云高度降低，增加了搶險(xiǎn)救災(zāi)的難度；高含硫天然氣

13、在有風(fēng)作用時(shí)，低空由于泄漏口附近射流速度和梯度都很大，擴(kuò)散受風(fēng)速影響很小，隨著高度增加，受風(fēng)速影響加大；并且硫化氫中毒范圍要大于甲烷氣體的爆炸范圍。 </p><p>　　鑒于本文是基于架空天然氣管道泄漏擴(kuò)散的CFD二維數(shù)值模擬，所以要想得到實(shí)效性更強(qiáng)，更為精確可靠的模擬結(jié)論，建議：①對(duì)于網(wǎng)格的劃分上做的更細(xì)致；②采用三維數(shù)值模擬；③運(yùn)用更為精確的運(yùn)算模型進(jìn)行迭代；④迭代收斂精度的設(shè)定可設(shè)定的更小些。 </

14、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]張文艷，姚安林，李又綠，李柯，武曉麗.風(fēng)力對(duì)天然氣管道泄漏后擴(kuò)散過(guò)程的影響研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26（12）：150-152 </p><p>　　[2]付吉強(qiáng)，熊新強(qiáng)，王蕓，楊志超，程磊.架空含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究[J].當(dāng)代化工.2011年10月，第

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