坡面天然气管道泄漏扩散数值模拟.pdf

第 4 2卷第3期 2 0 1 3年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 ] ． 4 2．N O ． 3 M a r c h。2 0 i 3 坡面天然气管道泄漏扩散数值模拟 李 一 庆 中国石化广东石油分公司， 广东 广州 5 1 0 6 2 0 摘 要 利用 C F D仿真软件对坡面天然气泄漏扩散过程进行了数值模拟，分析了泄漏扩散过程，风速及泄 漏倾角对泄漏扩散的影响。研究结果表明，泄漏 1 s 内，甲烷主要集中在坡面附近；泄漏 5 S 时 ，甲烷已经扩散 到整个区域，且浓度爆炸下限最高达到 7 ． 8 1 m，在地表及坡面形成了涡流；随着泄漏倾角的增加，危险区域逐 渐增大；泄漏倾角为 1 5 。时，风速影响较小，泄漏倾角为 1 O 。时，风速影响较大，泄漏气体主要沿地表扩散； 为天然气安全输送及紧急预案的制定提供一定的理论依据。 关键词天然气管道；泄漏；扩散；数值模拟 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 l 一 0 4 6 0 2 0 1 3 0 3 0 3 3 9 ～ 0 4 Num e r i c a l Si mul a t i o n o f Le a ka g e a nd Di s pe r s i o n o f Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne o n t h e s l o pe L1 M q i n g S i n o p e c Gu a n g d o n g Oi l P r o d u c t s Co mp a n y， Gu a n g d o n g Gu a n g z h o u 5 1 0 6 2 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e g a s l e a k a g e o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e b e c a u s e o f c o r r o s i o n a n d e x t e rna l d a m a g e i s e a s y t o c a u s e fir e s ， p o i s o n i n g a n d e x p l o s i o n s ， S O t h e s t u d y o n n a t u r a l g a s l e a k a g e a n d d i f f u s i o n h a s a g r e a t s i g n i fi c a n c e f o r t h e s a f e t y o f p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n a n d t h e s a f e t y o f p e r s o n a l a n d p r o p e r t y ． I n t h i s p a p e r , n a t u r a l g a s l e a k a n d d i f f u s i o n p r o c e s s o n t h e s l o p e wa s s i mu l a t e d b y t h e CF D S i mu l a t i o n s o f t wa r e ． E f r e c t o f wi n d s p e e d a n d l e a k a g e i n c l i n a t i o n o n t h e l e a k a g e a n d d i f f u s i o n p r o c e s s wa s a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t me t h a n e i S ma i n l y c o n c e n t r a t e d n e a r t h e s l o p e i n 1 s ． I n a b o u t 5 S ， me t h a n e h a s s p r e a d t o t h e e n t i r e r e g i o n ， a n d t h e LE L i S u p t o 7 ． 8 1 m t h e e d d y i S for me d o n t h e s u r f a c e a n d t h e s l o p e ． Th e h a z a r d O U S a r e a g r a d u a l l y i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g o f l e a k i n c l i n a t i o n ． Wi n d s p e e d h a s l e s s a f f e c t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f l e a k a g e i n c l i n a t i o n 1 5 。 ． b u t h a s mo r e a ffe c t u n d e r t h e c o n d i t i o n o fl e a k a g e i n c l i n a t i o n 1 0 。 ． a n d l c a k i n g g a s ma i n l y d i fl u s e s a l o n g t h e s u r f a c e ．T h i s s i mu l a t i o n p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s for t h e s a f e t y t r a n s p o r t a t i o n o f n at ur a l ga s a n d t he f o r mul a t i on o f e me r ge nc y pl a ns ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s p i p e l i n e Le a k ； Di f f u s i o m Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 天然气管道由于管材缺陷、 腐蚀老化、第三方 破坏及施工缺陷等原因，经常发生泄漏 ，极易引起 人员 中毒 、爆炸 、火灾及环境污染等事故 ，严重威 胁到人员安全和管道周围环境。为此国内外学者对 城镇天然气泄漏扩散过程进行了大量研究 ，以期掌 握规律进而降低其危害 。天然气等危险I生气体泄漏 扩散过程的研究方法主要包括实验方法” 。 、数值模 拟方法 。。 其中数值模拟方法因其成本低、条件设 置简便 、计算速度快等优点成为研究气云扩散规律 的重要手段。 近些年 ， 随着计算机技术的发展 ， C F D C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s 软件因其精确的环 境参数 、物性参数设置等 ，进而可 以准确地模拟流 场。朱红均等人对平坦地区含硫化氢技术管道的泄 露过程进行了数值模拟 ；刘延雷和董刚等人对高 压天然气管道的泄露扩散过程进行了数值模拟 ； 李朝阳则对架空高含硫天然气管道泄露进行 了数值 分析 ，确 定 了硫化氢和天然气的扩散规律 。 基于以上， 本文以中西部某天然气管道为例 ，考虑山坡影响， 利用 C F D软件 ，采用可实现 模型，对天然气管道 泄漏扩散过程进行了数值模拟， 综合分析了不同风 速 、不同泄漏 口位置对扩散过程的影响 ，以期总结 天然气泄漏扩散规律 ，为建立安全输送体系、制定 应急方案提供切实的理论指导。 1 模型建立 1 ． 1 物理模型 天然气泄漏扩散过程，宜受大气温度、风速、 地形状况、泄漏位置、输送压力等因素影响。根据 实际工程状况 ，选取一个足够大泄漏区域及扩散区 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 1 6 作者简 介 李 一庆 1 9 6 0 一 舅， 甘肃 人， 高级 工 程师， 年毕业 于黑 龙 江商 学院 石油 储 运自 动 化 专业， 研 究 方向 天 然气 泄漏 及 治理 研究 。 _zl l I l 3 1 ． ． ． 1 9 8 2 E -m a l i y q 0 4 6 3 c o r n 化 工 2 0 1 3 年 3 月 域的空间，进而研究燃气的扩散过程 。本文针对某 山坡燃气管道泄漏过程进行 了数值模拟，燃气管道 布置在山坡 ，山坡高 5 m，倾角为 4 5 。；泄漏 口直 径为 0 ． 1 m，泄露速度约为 3 1 4 m ／ s ，且向上倾斜 1 5 。 可变 ，燃气温度和环境温度均为 2 8 8 ． 1 5 K， 大 气压力为 1 0 1 ． 3 2 5 k P a 。 采用二维孔 口模型进行数值 模拟，模拟区域为 1 5 m x 1 0 m，具体模型及网格划 分如图 1 所示 。 图 1 物理模型 Fi g． 1 Phys i ca l mod el 1 ． 2 数学模型 1 ． 2 ． 1 控制方程 连续性方程 ． p u 0 1 暑 幅 青 a p u 一．4 - v． p u u 一 V． ／a e V “ 动量守恒方程 一 v p’V ff V u r， B 2 其中 f f／ 2 ； P’ P2pk／ 3 式中 “ 一速度矢量，m ／ s ； p 一密度 ，k g ／ m ； 旦一合外力，N； P ～修正压力，P a ； 。 ff 一有效湍流粘度，P a s ； 一 湍流粘度，P a s 。 能量守恒方程 一 鲁 v ． h a1 3 j 3 NT V- U f U S M S E 其中 h l h “ 式中 h to ta r 总焓 ，k J ／ k g ； 7 ’ 温度，K； 一 粘滞力，N； 一 动量源 ； S E 能量源。 1 ． 2 ． 2 紊流模型 k一 由于天然气在泄漏过程 中速度较大 ， 形成射流 ， 而可实现 k一 模型在流动分离和复杂二次流动有 较好的作用，并且该模型在求解平面射流和圆口射 流 时准确 度较 局 ， 此 本 文米用 口 ] 买现 k一 模 型 。 其中湍动能k 和耗散率 占 输运方程分别为 尼 方程 _O p k a p _ k u i 三[ 丝 ] Ot c x O x y o“k o x i 一 一y M 占方程 丝 ] C i E ot Ox； Ox； a ， O x 一 C 2 E 2 c - C 3 其中 ma x 0 ．4 3 ， 7 7 c t p C u 1 L cos L c o s 1 E E U √ 十 ， Q Q 一3 s amk s 一耗散率 ； C l 、C 2 、C 3 、C 1 、A 0、吼 、 一常数； G 一因速度梯度产生的湍流动能源项 ； G 11 一因浮力产生湍流动能源项； y M 一在可压缩 中波动扩张引起的耗散项 ； 2 模拟结果分析 2 ． 1 泄漏扩散过程分析 通过模拟得到了天然气泄漏后 ，不同时刻扩散 过 程 甲 烷 的 浓 度 值 及 危 险 区 域 爆 炸 极 限 5 ％～ 1 5 ％ ，给出了 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 3 ， 0 ． 4 ， 0 ． 5 s 及 1 s 时刻 泄漏扩散浓度图， 并具体分析了泄漏 5 s 时甲烷浓度 分布图及泄漏速度分布图。 由图 2可知 ，O ． 1 s 时甲烷从泄漏 15高速射出， 泄漏倾角为 1 5 。 ，此时受风影响 ，甲烷仅 向斜上方 扩散了一小段距离，大量气体聚集在坡面附近，形 3 4 2 当 代 化 工 2 0 1 3 年3 月 g 疆 删 水平 距 离x ／ m 图 6 泄漏倾角对 甲烷爆炸下限影响 Fi g． 6 Ef f e c t o f l e a kag e i nc l i na t i o n on m e t ha ne e x pl o s i ve l o we r l i mi t 3 结 论 1 泄漏 1 S内，甲烷主要沿着坡面扩散 ，大 部分集 中在坡面附近 ；泄漏 5 S时，甲烷已经扩散 到整个区域 ，且浓度爆炸下限最高达到 7 ． 8 1 n l ；在 地表及坡面形成了涡流 ，危险区域大大增加 ； 2当泄漏倾角为 1 5 。时，风速对爆炸浓度 下限影响较小 ，且浓度曲线呈抛物线型 ；随着倾角 的增加 ，爆炸下限浓度曲线上升 ，危险区域增大， 最高区域达到 8 ． 8 8 m；当倾角减小到 1 0 。时，风速 影响较大 ，使得气体主要沿着地表进行扩散，爆炸 下限浓度曲线也沿着地表呈先减小后增大型。 3 天然气管道泄漏在运行中不可避免， 为天然 气安全输送机紧急预案的制定提供一定的理论依据。 参考文献 [ 1 ] D．J ． H a ll ， S ．Wa l k e r ． S c a l i n g R u l e s f o r R e d u c e d s c al e F i e l d R e l e a s e s o f H y d r o g e n F l u o r i d e 【J 1 J o u r n a l o f H a z a r d o u s Ma t e r i a l s ， 1 9 9 7 ，5 4 1 8 9 1 1 1 ． [ 2 ] 姜传胜， 丁辉等 ．重气连续泄漏扩散的风洞模拟实验与数值模拟结果 对比分析[ J 】 ． 中国安全科学学报，2 0 0 3 ， 1 3 2 8 1 7 ． [ 3] 罗音宇， 蒋仲安， 蔡嗣经气 田井喷硫化氢风洞模拟实验研究l J l_ 中国 安全科学学报，2 0 0 8 ， 1 8 5 3 6 4 0 ． [ 4 ]S t e v e n R ．Ha n n a ， O 1 a v R ．Ha n s e n ,Ma t h i e u I e h a r d D a v i d S t fi ma i t i s ． C F D mo d e l s imu l a t i o n o f d i s p e r s i o n f r 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 t r i a l a n d reb a n a r e a s [ J ] ．A t m o s p h e r i c E n v i r o n me n t ，2 0 0 9 ， 4 3 2 2 6 2 2 7 0 ． 1 5 j Y a n g Z h a o ， L i X i h o n g 。 L a i J i a n b o ． A n a ly s i s o n t h e d i ff u s i o n h a z a r d s o f d y n a m i c l e a k a g e o f g a s p i p e l i n e【 J 1． R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g S y s e m S a f e t y ， 2 0 0 7 ， 9 2 1 4 7 - 5 3 ． [ 6] 程浩力，刘德俊， 龙世华等 城市燃气管道泄露的 C F D模拟I J 1． 油气储 运 2 0 1 1 3 0 8 6 4 7 6 5 1 ． [ 7] 朱红均， 林元华，马成学．平坦地区含硫化氢集输管道的泄露扩散模拟 l J 】 ．西南石油大学学报， 2 0 0 9 ，3 1 6 i 1 5 6 1 6 0 ． [ 8 ] 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lJ 】 ． 太阳能学报，2 0 0 8 ， 2 9 1 0 1 2 5 2 1 2 5 5 ． [ 9]董刚， 唐维维， 杜春等扁 压管道天然气泄露扩散过程的数值模拟【J 1 ． 中国安全生产科学技术， 2 0 0 9 ，5 6 1 1 - 1 5 ． [1 0]李朝 阳， 马 贵阳． 高含硫 天然气管 道泄露数 值模拟 I J I ． 化学 T 程． 2 0 1 1 ． 3 9 7 8 8 9 2 ．． 上接 第 3 3 8页 参 考文献 [ 1 ]李显忍． 圆锥破碎机定锥修复l J 1 ．化 I 机械 ，2 0 0 1 ，2 8 6 3 5 5 3 5 6 ． [ 2 ]叶先磊，史亚杰． A N S Y S T程分析软件应用实例『 M1 ． 北京 清华大 学 版社 ，2 0 0 3 6 3 6 6 ． [ 3] 袁闰勇． A N S Y S网格划分方法的分析l J 1． 现代机械 ， 2 0 0 9 6 5 9 6 0 ． [ 4] 郎世平， 郎宝贤． 破碎机[ M ] ． ] E 京冶金丁业出版社，2 0 0 8 1 1 2 1 1 3 [ 5] 刘扬，刘巨保 ，罗敏．有限元分析及应用[ M] ． 北京中国电力出版 社 ．2 0 0 8 1 7 7 1 7 8 ． [ 6] 苏荣华，梁冰． 结构仿真分析 AN S Y S应用[ M 】 ． 沈阳东北大学H { 版社 ，2 0 0 5 1 8 5 1 8 6 ． 新型涂料添加剂可用于建筑涂料 近 日，江苏大学研制 一种改性纳米氧化亚铜涂料添加剂，可用作建筑涂料等领域。 该添加剂采用化学了沉淀法制备纳 米氧化亚铜颗粒， 并用机改性剂 3 - 甲基丙烯酰氧基 丙基三甲氧基硅烷 T MS M 对所制备的纳米氧化亚铜进行有机改性 ， 其工 艺方法具有生产条件简单、成本低廉等优点。 该纳米氧化亚铜粒子在可见光下发生光催化氧化作用，添加到常规涂料中， 适用于装饰材料释放的甲醛 、 苯类 、 氨等毒 害气体以及室内的各种霉菌、病毒、油烟气 、氟利昂、氟利昂代替物等的去除 ，具有防霉 、杀菌、除臭、净化室内空气等显 著优点 。