天然气管道泄漏扩散规律的数值模拟.pdf

第 4 3卷第 1 0期 2 0 1 4年 1 0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 3．N 0 ． 1 0 O c t o b e r ，2 0 1 4 天然气管道泄漏扩散规律的数值模拟 刘寰宇，林杭 ，李晋，卢江涛，程猛猛 辽宁石油化 1 大学， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要近年来 ，由于天然气管道泄漏而 导致火灾 、爆炸的风险，对群众的安全 、企业财产和环境等造成 极大的威胁 ，冈此，通过分析管道的泄漏模 ，制定相应的对策保障天然气管道系统的安全 、可靠的运行是非 常有意义的。本文利用 F L U E N T对天然气管道泄漏扩散规律进行了数值模拟，得到了甲烷的扩散规律及浓度分 布规律 ，为有效预测天然气泄漏扩散的影响范围提供了依据。 关键词天然气 i泄漏口直径； F L U E N T ；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 1 0 4 6 0 2 0 1 41 0 2 1 7 1 0 4 S i m ul a t i o n s t ud y o f na t ur a l g a s pi pe l i n e l e a ka g e a c c i de nt L I UHu a n - y u ，L I NHa n g， L I J i n ， LUJ i a n g - t a o ， C HE NG Me n g - me n g L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y ， Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n r e c e n t y e a r s ， d u e t o t h e n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k a n d c a u s e a r i s k o f fi r e ， e x p l o s i o n ， t h e s a f e t y o f p e o p l e ， p r o p e r t y a n d t h e e n v i r o n me n t ， s u c h a s e n t e r p r i s e c a u s e d g r e a t t h r e a t ， the r e f o r e ， t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f p i p e l i n e l e a k a g e mo d e l t o d e v e l o p a p p r o p r i a t e me a s u r e s t o p r o t e c t the s e c u r i t y o f n a t u r a l g a s p i p e l i n e s y s t e m a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n i s v e r y me a n i n g f u1 ．I n t h i s p a p e r ，F L UE NT f o r n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k wa s s i mu l a t e d d i ff u s i o n l a w,h a s b e e n t h e p r o l i f e r a t i o n o f r u l e s a n d d i s t r i b u t i o n o f me t h a n e c o n c e n tr a t i o n ， p r o v i d e a b a s i s for p r e d i c t i n g t h e s c o p e o f e ffe c t i v e d i ffu s i o n o f g a s l e aks ． Ke y wo r d s Ga s； L e a k h o l e d i a m e t e r； F L UENT ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 1 研究背景意义 我国是世界上较早开采天然气的国家之一。现 今，在大庆、辽河、华北、 胜利、中原和新疆等各 大油气田都有不同管径的输气管道。随着 “ 西气东 输”等各大工程的建设 ，天然气的产量的大幅提升 已成为我国经济发展不可或缺的资源。 天然气是一种由多种组分组成的混合气体，其 主要成分是甲烷，一旦泄漏将危害人的健康。由于 天然气管道容易发生泄漏而导致火灾 、 爆炸的风险， 其对广大人民群众的生命及财产安全、企业财产、 环境等造成极大的威胁，因此 ，通过分析天然气管 道的泄漏模型 ，制定相应 的对策改进天然气管道的 传统的安全管理模式， 保障天然气管道系统的安全、 可靠、有效和高效的运行是非常有意义的。 2 国内外研究现状 2 ． 1 国外研究 国外对天然气管道泄漏过程的模拟和研究始于 上世纪七八十年代 ， 但现今，对此领域的研究仍然 十分活跃。在此期间，学者们进行了大量的实验， 根据实验结果提出了许多著名的气体扩散模型。其 中较为经典的有高斯 G a u s s i a n 模 型， B M B r i t t e r a n d Mc Q u a i d模 型，S u t t o n模 型，F E M3 3 一 D F i n i t e E l e m e n t Mo d e 1 模型等多种模型。 2 _ 2 国内研究 国内有关此方面的研究起步相对较晚，主要是 针对国外科研人员提出的气体扩散模型进行改进和 优化，只进行了较少的风洞实验。总体来说，与国 外相比，我国在气体扩散模型方面的研究正处于初 步阶段。在我国，较早涉及气体扩散问题的研究单 位是一些大气研究机构 ，主要是针对城市大气的污 染情况进行研究 ，基本上采用的都是高斯模型【 l 。 近几年，一些高校等也在研究易燃、易爆气体 泄漏扩散问题 。大连理工大学的一些科研人员， 以气体动力学为基础，通过对气体微元进行质量、 动量、 能量平衡的分析， 提出了一种新的扩散模型。 为了验证该模型的合理性，设计了简易风洞，在不 同的条件下对轻重气体进行了风洞试验，得到模型 的计算结果与试验数据较为吻合 一 。 基金项 目 2 0 1 3年国家级大学生创新创业训练项 目，项 目编号2 0 1 3 1 0 1 4 8 0 4 0 。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 2 2 作者简介 刘寰宇 1 9 9 3 一 ，男，研究方向过程装备与控制工程。 通讯作者 李晋1 9 7 5 一 ，女，副教授 ， 硕士学位 ， 现从事于石油化工设备 、 油气管道输送技术等方面研究工作。E - m a i l l i j i n f y 1 6 3 ． C O rn 。 2 1 7 2 当 代 化 工 2 0 1 4年 1 0月 2 ．3 研究的基本内容 3 ．4 一般泄漏模型速率计算 近年发生了多起天然气管道泄漏事故，事故的 发生危及人民群众生命安全， 造成严重 的经济损失， 对生态环境造成破坏。本文基于某地区天然气管道 泄漏事故现场监测数据进行一系列数值模拟 ，主要 研究 内容如下所示 在风速和泄漏口 径一定条件下，模拟山谷地形 的管道泄漏扩散模型， 泄漏速率分别为 3 0 m ／ s 和6 5 r r d s 情况下 的模拟过程。 气体泄漏时，随着流动状态的改变， 泄漏速率 计算公式会发生变化。目前普遍利用气体泄漏速率 与其流动状态有关这一特性，通过判断泄漏时气体 流动属于声速流动 临界流 还是属于亚声速流动 次临界流 来确定泄漏速率模型 。 ，．、． 如果 f ， 那么气体的流动就属于亚 P ～ 七1 音速流动 ，此时泄漏量为 q A o ， P 6 该模型适用于泄漏管道内气体压力恒定的工况， 且将天然气视为不可压缩流体，计算较为方便。但 该模型在输气管道内有压力降低的情况下就不再适 用。 4 山谷地形模拟分析 4 ． 1 不同泄漏速率的扩散模拟 环境温度为 2 8 0 K，泄漏 口径为 0 ． 0 5 m，天然 气泄漏速率分别取 3 0 m ／ s 和 6 5 m ／ s 进行数值模拟， 用 G a m b i t ，F l u e n t 软件进行前期处理 ，并用 T e c p l o t 软件进行后处理，处理结果如下所示。 m 1 ． 1 ．1泄漏速率为 3 0 m／ s的甲烷扩散云图 2 l 7 4 当 代 化 工 2 0 1 4年 1 O月 【 2] 王晓利 ， 唐斌 ， 邓静秋．成都市 s 0 扩散模型研究『J 1 _环境科学丛刊， 1 9 9 2 ．1 2 2 5 4～5 7 ． [ 3 ] 王建平 ，韩盛．昌吉市大气扩散模型的建立与探讨【 J J ． 干旱环境监 测 ，1 9 9 4 ，8 4 2 3 1 ～2 3 6 ． [ 4]刘洪洋．天然气输送管道泄漏因素分析 [ J ]．当代化工，2 0 1 4 ， 4 33 3 8 9 3 91 ． [ 5]丁信伟 ，王淑兰 ，徐围庆． 可燃及毒性气体扩散研究【 J J ． 化学工程 ， 2 0 0 0 ．2 8 1 3 3 ～3 6 ． [ 6] 孟志鹏 ，王淑兰，丁信伟． 可爆性气体泄漏扩散时均湍流场的数值 模拟『 J 1 ．安全与环境学报 ，2 0 0 3 ，3 3 2 5～2 8 ． [ 7] 胡夏琦． 含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟f D 】 ．硕士学位论 文 ，中国石油大学泮 东 2 0 0 6 ． 上接 第 2 1 7 0页 3 结 论 通过以上分析可以得出， 鹤管类型 不同直径 影响着油品装卸车时管内油流的压力及速度分布。 当输油管装车流速一定时，集油管及管径小的鹤管 内流速及压力均比鹤管管径大的有所增加；当卸车 鹤管流速一定时，由于管径小的鹤管内流量较小 ， 导致集油管内油品的压力及速度均较管径较大的有 所降低；考虑到静电及其他对油品安全输送影响的 因素，油品装车时鹤管内流速受到一定限制，所以 准确分析铁路油槽车装卸油品时的管内运行工况分 布，对合理选择装卸油鹤管及油品的安全输送具有 重要意义。 参考文献 f 1 ] 朱华平 ，张新智 。王钧盛 ，等． 铁路槽车轻油卸车鹤管计算机辅 助设计[ J ] ． 科技创新与应用 ，2 0 1 3 ，3 3 1 3 ． [ 2] 刘闯．装卸油设施计算【 J ] ．内蒙古石油化工，2 0 1 3 2 4 1 4 3 ． [ 3] 高振乔． 关于铁路槽车轻油卸车工艺的探究和改进建议『 J ] ． 石油 库与加油站 ，2 0 1 2 ，6 2 1 1 - 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