埋地天然气管道泄漏爆炸区域数值模拟.pdf

第 4 2卷第 6 期 2 0 1 3年 6月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 2．N o ． 6 J u n e． 2 01 3 埋地天然气管道泄漏爆炸区域数值模拟 周 立 峰 中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 摘 要针对埋地天然气管道的特点 ，在多孔介质条件下 ，分析埋地管道受到土壤条件和地面上障碍物的 影响，建立埋地天然气管道持续泄漏模型，运用有限容积法，进行数值模拟。分析了障碍物在泄漏口右侧土壤 层中和在地面上时，对爆炸区域的影响，得出障碍物对气体的扩散具有阻碍作用，使气体在障碍物相对来源方 向聚集，并且爆炸区域在相对来源方向扩大。土壤层障碍物可完全阻碍天然气向土壤右侧扩散 ，使气体大量聚 集在障碍物左侧，左侧爆炸区域不断扩大；由于多孔介质存在，使气体透过多孔介质绕过地面上障碍物扩散， 对气体扩散影响相对较小；土壤层存在障碍物时对甲烷爆炸范围影响较大。 关键词 输气管道；多孔介质 ；泄漏；天然气；数值模拟；障碍物 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 3 0 6 0 8 7 4 0 3 Nume r i c a l S i mul a t i o n o n Ex pl o s i o n Ar e a o f Bur i e d Pi pe l i ne Na t ur a l Ga s Le a k Z HOUL i - f e n g P e t r o c h i n a L i a o h e E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， L i a o n i n g P a n j i n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f b u r i e d n a t u r a l g a s p i p e l i n e i n p o r o u s me d i a ， e f f e c t s o f s o i l c o n d i t i o n a n d g r o u n d o b s t a c l e s o n t h e b u r i e d p i p e l i n e we r e a n a l y z e d ，s u s t a i n e d l e a k a g e mo d e l o f b u r i e d n a t u r a l g a s p i p e l i n e wa s e s t a b l i s h e d ， t h e fi n i t e v o l u me me t h o d wa s u s e d t o c a r r y o u t t h e n u me fic a l s i mu l a t i o n ． Wh e n o b s t a c l e s we r e o n t h e r i g h t o f t h e l e a k a g e h o l e i n t h e s o i 1 l a y e r a n d o n t h e g r o u n d ． t h e i r e ffe c t s o n t h e e x p l o s i o n a r e a we r e a n a l y z e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e o b s t a c l e s h a v e h i n d e r i n g e f f e c t t o t h e d i f f u s i o n o f g a s ，wh i c h c a n ma k e t h e g a s t o b e g a t h e r e d i n t h e r e l a t i v e s o u r c e d i r e c t i o n a n d t h e e x p l o s i o n a r e a t o b e e x p a n d e d ． T h e o b s t a c l e s i n t h e s o i l l a y e r c a n c o mp l e t e l y h i n d e r t h e n a t u r a l g a s f r o m s p r e a d i n g t o t h e r i g h t o f o b s t a c l e s ， wh i c h c a n ma k e g a s t o b e g a t h e r e d o n t h e l e ft o f t h e o b s t a c l e s a n d t h e l e ft e x p l o s i o n a r e a t o b e e x p a n d e d c o n t i n u o u s l y ． W i t h r e g a r d t o t h e o b s t a c l e s o n t h e g r o u n d ．t h e g a s ma y b y p a s s t h e o b s t a c l e s ，S O t h e i r i mp a c t i s r e l a t i v e l y s ma l 1 ． Ob s t r u c t i o n s i n t h e s o i l l a y e r h a v e a g r e a t e r i mp a c t o n t h e me t ha ne e x pl os i on r a nge ． Ke y wo r d s Ga s p i p e l i n e ； P o r o u s me d i a ； Le a k ； Na t u r a l g a s ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n ； Ob s t a c l e s 天然气是一种高效清洁的能源 ，其主要成分为 甲烷 ，还伴有少量硫化物和水蒸气等。当空气与甲 烷一定 比例混合时 ，遇明火可发生爆炸。所以泄漏 不仅对周围环境造成污染 ，一旦发生爆炸 ，对周围 建筑 、人员以及国民生产造成巨大的影响。目前 ， 许多学者从不同角度 ，对天然气泄漏进行了研究。 董玉华等⋯ 对长输管道稳态气体 的泄漏率进行 了计 算 ；刘明礼等 研究 了天然气泄漏量的方法并分析 了天然气泄漏最佳检测条件；冯文兴等 对比分析 了管道泄漏 中大孔模型和／ J , T L 模型 ；程勇等 采用 高斯模型分析了输气管道泄漏后气体的扩散；一些 学者从安全角度对输气管道泄漏进行了数值模拟 1 5 - 8 1 Q本文运用有限容积法 ，考虑在障碍物和土壤共 同条件下，对天然气管道泄漏进行了数值模拟，对 比分析 了障碍物在土壤层中和地面上时，对 甲烷爆 炸区域 的影响。 本文为埋地天然气管道的理论研究 ， 合理设计敷设 区域提供一定指导。 1 数学模型 1 ． 1 控制方程 连续性方程 a_ 2 _ p V 0 1 f 动量守恒方程 v． pu． u 一v口 f f u 一 v ， 0 t 。 V f f Vu I ff u U P ’ P 三 肚 收稿 日期2 0 1 3 - O l l 7 作者简介 周立峰 1 9 7 9 一 ，男，辽宁抚顺人，工程师，硕士，现从事油气田地面工程设计科研工作。E - m a i l 1 5 0 4 2 7 9 7 7 0 0 I 6 3 ． c o m 。 3 4 第4 2 卷第6 期 周立峰， 等 埋地天然气管道泄漏爆炸区域数值模拟8 7 5 其中 。 为有效粘度 ， k g ／ ms ；B为合外力 ，N； 能量守恒方程 k g ／ ms ； ／ ． t 为湍流粘度 ， P 为修正压力 ，P a 。 一 O p V p u O t 5 V - 2 VT V u “ S f h h M 6 其 中S E 为能量源 ；S M为动量源 ； 为温度 ，K； 为粘滞力 ，N；h t o 为总焓 ，k L ／ k g 。 1 - 2标准的运输方程 [ 善 ]考 ] G 一 一 7 警 毒 毒 ]考 ] 8 J I R 、 e 、G G 3 G h ～ 湍动粘度 C K 9 式 中 G 为平均速度梯 度引起 的湍动能产生 项 ，G 为浮力引起的湍动能产生项 ， 为可压缩 湍流脉动膨胀对总得耗散率的影 响。经验常数 Cl 1 ． 4 4， C3 l ，Cu 0 ． 0 9 。 1 ． 3物质扩散模型 一 ---1． S i 1O 式 中 S 为用户定义的第f 种物质的速率， 为第 i 种物质的质量扩散速率。湍流中质量扩散 一 等 j 1 式 中＆， 为湍流施密特数。 2 数值模拟与结果分析 2 ． 1 建立天然气管道泄漏模型 某埋地天然气管道 ，泄漏管长 3 0 0 m，泄漏速 度 3 2 0 m ／ s 管道外径 7 5 0 m m， 埋深 1 ． 2 m， 泄漏 口中 心在 X 1 5 0 ， 一 1 ． 2 m处 ，半径 1 0 e m，土壤作为 多孔介质 ， 孔隙度 0 ． 2 6 7 ，密度 2 6 0 0 ， 导热系数为 1 ． 5 1，泄漏气体和环境温度相同为 3 0 0 K，无风， 天 然 气 中 甲烷 含 量 9 5 ％， 甲烷 浓 爆 炸 浓 度 为 5 ％ 1 5 ％，障碍物为矩形 ；分为 3 种情况 模型 1 无障碍物 ；模型 2 障碍物在土壤层 中，障碍物宽 0 ． 5 m，高 1 ． 2 m；模型 3 障碍物在地面上 ，宽为 0 ． 5 m，高 5 m。 2 ． 2 GF D模拟结果 无障碍物条件下， 天然气管道泄漏初期 5 s ， 天 然气对称扩散 ，土壤层中甲烷爆炸浓度呈上宽下窄 的盘子状 ，地上爆炸浓度水平距泄漏 口 4 ． 4 ～ 5 ． 5 m 处， 最高达 4 0 ．5 5 m 见图 1 。 管道继续泄漏至 3 0 s 时，甲烷对称扩散量增加，甲烷云图呈蘑菇状，最 高可达 2 3 9 ． 6 6 m，土壤 中最远达 8 ． 1 5 m，爆炸浓度 水平距泄漏口5 6 m， 见图2 。 这是因为 土壤作 为多孔介质，对气体扩散具有阻碍作用，可减少气 体湍能 ， 同时具有储存能力 ， 能储存一定量的气体。 管道泄漏初期，气体做高速射流运动，由于土壤的 作用，使土壤层中聚集高浓度气体，当气体扩散出 土壤时，又受到大气阻力 ，爆炸区域较小 ，聚集云 团外层 ；随着泄漏量的增加 ，气体湍能增大 ，爆炸 浓度继续扩散 ，到一定高度时 ，由于相对高空速度 低 ，而在相对低空处天然气不断积累，致使出现涡 流 ，爆炸浓度大量聚集在高空处 。 当泄漏口右侧土壤中存在障碍物时，在泄漏初 期 5 s时 ，云团不对称 ，土壤层 甲烷 向左扩散到 X 1 3 2 ． 4处 ，地面上空在障碍物上出现涡 ，土壤层 中甲烷危险浓度最远达左边 2 2 ． 7 5 m，而地面上层 ， 涡出现在距障碍物 8 m处 ，地上左端爆炸浓度水平 距泄漏口 1 3 ～ 2 0 m处，地上右端爆炸浓度水平距泄 漏 口 0 ． 3 ～ 0 ． 5 m处 见图 3 。继续扩散到 3 0 s 时 ， 地面上空云团呈向右倾斜的蘑菇状， 最高达 1 7 2 m， 地上左端爆炸浓度水平距泄漏 口 9 ． 8 ～ 1 2 ． 9 m处 ，地 上右端爆炸浓度水平距泄漏 口0 ． 3 ～ 0 ． 5 4 m处 见图 4 。 ， 此模型天然气扩散不对称 ， 左端爆炸浓度范围 远大于右端。对比无障碍物模型 ，甲烷扩散在高空 中出现了涡 ，云图高度较低 ，左端爆炸浓度范围大 于无障碍时泄漏模型，而右端爆炸浓度范围小于无 障碍时泄漏模型 ，这是因为 土壤层泄漏 口右端障 碍物对扩散具有阻碍作用，可使甲烷在左侧不断的 聚集 ，难以扩散，提高了泄漏 口左端爆炸危险J 生， 天然气扩散受土壤 、大气和障碍物的影响 ，使泄漏 初期障碍物上空出现涡 ，而不断泄漏可提高气体湍 能 ，使涡流高度上升。 当泄漏 口右侧地面上存在障碍物时， 扩散初期， 土壤层中气体近似对称扩散，土壤层爆炸区域上窄 下宽，地面上空泄漏口左侧扩散浓度略大于右侧， 地上左端爆炸浓度水平距泄漏 口 4 ． 4 2 ～ 5 ． 1 5 I l l 处 ， 地 8 7 6 上右端爆炸浓度水平距泄漏 口4 ． 5 ～ 5 m处 ，地面上 泄漏 口左右两端爆炸区域近似相等 见图 5 。持续 泄漏到 3 0 S ，地面上空云团，泄漏左侧高 1 2 9 m处 出现涡 ，泄漏 口右侧高 1 4 4 m高处出现涡，甲烷云 图最高达 1 8 0 m，地上左端爆炸浓度水平距泄漏 口 5 ． 1 ～ 6 ． 7 m 处 ，地上右端爆 炸浓度水平 距泄漏 口 5 ． 2 6 ． 7 1 T I 处 ， 地面上泄漏口左右两端爆炸区域近似 相等 见图 6 o 此模型在土壤层中天然气近似层对 称扩散 ， 地面上泄漏 口左右两端爆炸区域近似相等 ， 这是因为地面上空障碍物对气体 向上和向右扩散 具有阻碍作用 ， 使气体聚集在土壤层和障碍物左侧 ， 由于土壤层作为多孔介质，具有一定的孔隙度 ，使 气体透过土壤绕过障碍物在右端扩散。 对 比 3 个模型，同一时刻，甲烷在高空中扩散 高度上， 模型 1 高度最高， 而模型 3 略高于模型 2 ； 甲烷在地面水平方 向上 ，在泄漏 口左端 ，模型 2 爆 炸范围最大 ，模型 1略大于模型 3的爆炸范围 ，而 在泄漏 口右端 ，模型 2爆炸范围最小 ，模型 1略大 于模型 3的范围。 3 结论及建议 通过对多孔介质条件下天然气管道泄漏的数值 模拟 ，得出结论 障碍物对气体的扩散具有阻碍作 用 ，使气体在障碍物相对来源方 向聚集 ，并且爆炸 区域在相对来源方向扩大 ；当泄漏 口右侧土壤层存 在障碍物时，障碍物可完全阻碍天然气向土壤右侧 扩散，使气体大量聚集在障碍物左侧，左侧爆炸范 围不断扩大，对爆炸范围影响较大 ，而在右侧爆炸 范围则相对较小； 当障碍物在泄漏 口右侧地面上时 ， 土壤层爆炸浓度呈上窄下宽 ，而在地面上空 ，虽然 障碍物对气体扩散起到一定的阻碍作用 ，但由于多 孔介质存在 ， 使气体透过多孔介质绕过障碍物扩散 ， 对气体扩散影响相对较小 。对 比分析了 3个模型在 同一时刻 ，对天然气爆炸范围的影响，得出结论 在高空中，土壤层存在障碍物时 ，甲烷爆炸范围最 小 ；在地面水平方 向上 ，土壤层中存在障碍物时 ， 甲烷爆炸范围影响最大，可有效阻碍气体向障碍物 方向扩散，使障碍物方向爆炸范围降低，但在另一 端，甲烷爆炸范围将大大提高。 本文为了方便计算， 本文采用二维数值模拟， 与实际情况有一定的误差 。建议学者今后对天然气 管道泄漏模拟采用三维模拟， 使结果更接近实际。 图 1无障碍物 5 s云图 Fi g． 1 No o b s t a c l e o f5 S i ma ge s ● 。 口 图 2无障碍物 3 0 s云图 F i g ． 2 No o b s t a c l e o f 3 0 S i ma g e s 图 3 土壤层 中 5 s云图 图 4 土壤层 中 3 0 s云 图 F ．3 The s o i l o f5 s i ma ge s Fi g ． 4 Th e s o i l o f 5 s i ma g e s l i 图 5 地面 5 s云 图 图 6 地面 3 0 S云图 Fi g ． 5 The gr o und 5 S i ma g e s Fi g ． 6 The g r ou nd 5 S im a g e s 参考文献 [ 1 ]董玉华 ，周敬恩，高惠临等． 长输管道稳态气体泄漏率的计算l J l 油 气储运， 2 0 0 2 ， 2 1 8 l 1 1 5 ． [ 2 ]刘明礼，向启贵，戴忠．管输系统天然气泄漏量计算模式及泄漏检 测最佳条件的确定I J l l石油 与天然气化工，2 0 0 1 ， 3 l 1 4 7 5 1 ． [ 3 ]冯文兴，王兆芹，程五一． 高压输气管道小孔与大孔泄漏模型的比 较分析[ J ] 安全与环境工程，2 0 0 9 4 1 0 8 1 1 0 ． [ 4] 程勇，于林，姚安林 采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩 散r J 】 ．内蒙古石油化工，2 0 1 01 4 4 9 5 1 ． [ 5] 刘延雷 ，徐平 ，郑津洋等． 管道输运高压氢气与天然气的泄露扩散 数值模拟l J 1． 太阳能学报 ，2 0 0 8 ， 2 9 1 0 1 0 5 2 1 0 5 5 ． [ 6] 程浩力，刘德俊城 镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟【J ] ．辽宁石 油化工大学学报，2 0 1 1 ,3 1 2 2 7 3 1 ． 1 7] S t e v e n R， H a n n a ， O l a v R ， e t a 1 ． C F D m o d e l s i mu l a t i o n o f d i s p e r s io n fr o m c h l o r i n e r a i l c a r r e l e a s e s i n i n d u s tr i a l a n d u r h a n a r e a s [ J ] ．S tr i ma i t i s A t mo s p h e r i c En v i r o mn e n t ．2 0 0 9，4 3 2 2 6 2 - 2 7 0 ． 1 8 j S k l a v o u n o s S ，R i g a s F ． S i m u l a t i o n o f C o y o t e s e r i e s t r ia l s ，p a r t I C F D e s t i ma t i o n lI O n i s o t h e r ma l L NGr e l e a s e s a n d c o mp a r is o n w i t h b o x - m o d e l p r e d ic t i o n s [J ] ． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c ie n c e ， 2 0 0 6 ， 6 1 5 】 4 3 4 -】4 4 3 ．