压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟.pdf

四川化工 第 1 2 卷2 0 0 9 年第6 期 工 艺 与 设 备 2 1 t t t t t t l 7 压 力对管道 天然 气泄漏 扩散 影 响 的数值 模 拟 王树乾 邱荣先。 钟月华 肖泽仪 1 ． 四川大学4 4 5 3 - 学院， 成都 ， 6 1 0 0 6 5 ； 2 ． 四川省特种设备检验研究院， 成都， 6 1 0 0 6 1 ‘ 摘 要 利用 F l u e n t 软件的物质传输模型和湍流模型模拟 了不 同压力下天然气管道 的泄漏扩散。通 过对比分析模拟结果 ， 得到了不同泄漏压力对天然气扩散的影响效果 。模拟结果可为天然气泄漏 事故的处理提供一定参考 。 关键词 天然气管道泄漏和扩散数值模拟 随着我国经济的高速发展 ， 各地区对能源的需 求和依赖性越来越强 ， 油气的消费量越来越大。由 于油气资源分布不均 的实际情况， 需要借助管道将 油气资源 自产地输送到各地。若输气管道发 生破 裂 ， 燃气泄漏会造成环境污染 ， 还有可能产生火灾 、 爆炸、 中毒等事故 ， 引起人员伤亡、 财产损失等严重 后果。因此 ， 了解管道燃气泄漏的扩散规律与影响 范围， 对于确定安全距离， 编制应急措施 ， 事故处理 等有重要作用。 气体扩散的模型主要有经验模型、 箱模型、 相似 模型和计算流体力学模型等。而经验模型和箱式模 型适用于平坦地形 ， 计算流体力学模型则从原理上 能够模拟复杂地表对于流动的影响 ， 并克服 了箱及 相似模型辨识和模拟空气卷吸、 气云受热时遇到的 问题_1 ] 。F l u e n t 是计算流体力学模型软件， 已广 泛应用与污染物扩散研究， 且模拟结果和风洞实验 观测结果吻合[ 3 ] 。利用 F l u e n t 软件， 刘延雷等 捌 对高压管道氢气与天然气的泄漏进行了数值模拟比 较， 并研究了障碍物对扩散的影响。于洪喜[ 。 等对 高含硫天然气管道泄漏扩散进行了研究。 管道输送压力的不同对于燃气的泄漏扩散同样 具有很大的影响， 目前还没有对这一问题 的研究 。 本文采用 F 1 u e n t 软件， 针对有风条件下， 不同管道 压力对天然气泄漏扩散的影响进行 了模拟对 比， 可 为应急预案编制， 事故处理提供参考。 1 理论模型 F l u e n t 软件针对所研究的空 间进行 网格划分 ， 通过求解流体动力学控制方程 以及 一些 附加方 程 如湍流输运方程 ， 获取研究空间内速度 、 压力、 温 度、 浓度等参数信息。针对天然气管道的泄漏 ， 本文 采用不发生反应的组分输运模型， 湍流模型计算有 风条件下不同泄漏压力对天然气扩散 的影响。控制 方程如下 连续性方程 o 1 动量方程 [ ／ ]一一 一[ ] 冉 2 能量方程 一 d iv 篆 丁 S T3 组分方程 一 d i D V p c , 4 其中『 ； 分别为微元体表面的粘性应力矢量 和彻体力矢量 为速度矢量 ； P为压力 ； T为温度； ID 为密度； 乜为流体传热系数； 为比热容； S T 为粘 性耗散项； C s 为组分 S 的体积浓度； D 。 为该组分的扩 第 6期 压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟 3 5 散系数 ； S s 为组分质量生成率 。 由于天然气管道输 气压力远大于环境压力， 破 裂后泄漏 E l 处有较大压力梯度 ， 形成很大的泄漏速 度 ， 多为射流。而 Re a l i z a b l e k _ ￡ 湍流模型在求解射 流以及高压力梯度下 的边界 层问题有十分高 的精 度 。因此湍流模 型选用 Re a l i z a b l e k _ ￡模型。该模 型中， k ， e 的传输方程为 湍动能 k方程 一 [ ] P 5 湍流耗散率 ￡ 方程 a q 。 z 。 V 一 『’ ￡ ] C E P z 6 其中， ， 分别表示湍动能 k和湍流耗散率 ￡ 对应 的 P r a n d t l 数 ； P k 表示粘性和浮力的影响 ； C ￡ ， z均为经验常数 。在 F l u e n t 中均取默认值 。 2 模拟参数及方法 2 ． 1 模拟场景 模拟场景 的选择为 平坦地势 沙漠 ， 平原等 ， 环境温度为 3 0 0 K， 压力为标准大气压。为清楚地了 解风速的影响， 采用 1 0米高空风速为 5 m／ s 。天然 气长输管道 出现当量直径为 0 ． 4 m 的圆孔破 裂 ， 发 生大孔泄漏。天然气 的输 送压力分别为 0 ． 5 MP a ， 1 MP a ， 3 ． 5 MP a ， 输送温度为 3 0 0 K。忽略泄漏引起 的管内压力变化， 即认为泄漏压力恒定。天然气的 主要成分为甲烷 ， 简化为甲烷 自泄漏 口喷出， 在大气 中扩散。 2 ． 2 模拟方法 本文根据场景的对称性 ， 建立 以泄漏 口为中心， 上、 下风向各取 5 0 0 m， 高度为 1 5 0 0 m 的计算域进行 二维非定 常态 模拟 。采 用 Ga mb i t 划 分非 结构 网 格 ， 使泄漏 口附近网格 比较密集。 在边界条件 的设置上 ， 由于 F l u e n t 软件 中， 速 度人 口与可压流动不兼容， 本文参考 建筑结构荷载 规范 GB 5 O 0 O 9 2 0 0 1 ， 考虑平坦地势， 选择地面为 A 类粗糙度的风压公式， 利用编制 U D F程序获得风 压的压力人 口边界， 使得 l O m高处风速为 5 m ／ s 。 泄漏 口设为压力人 口边界 ， 其他边界设 为压力 出流 边 界 。 模拟时， 先得到一个高度方向存在风速梯 度的 稳定的风速场， 再打开组分输运模型 ， 通过改变泄漏 压力， 得到恒定风速 5 m／ s 条件下 ， 不 同压力对 甲烷 泄漏扩散 的影响。 3 模拟结果与分析 甲烷 的燃烧 极 限范 围 为 5 ～ 1 5 体 积 分 数 ， 导致中毒窒息的体积分数为 l O 9 ／ 6 ， 故选择体积 分数 0 ． 0 5 为浓度研究的临界点， 换算成摩尔分数为 0． 0 5。 泄漏初始时刻 ， 管内压力远大于环境压力 ， 形成 射流。风速对泄漏 口附近射流 的影响很小 ， 随高度 的上升， 射流效果减弱 ， 风速影响加强， 甲烷向下风 向偏移。由于射流 自模性 的影响 ， 导致地面附近的 空气向泄漏 口附近流动， 然后跟 随甲烷的泄漏 向上 运动 ， 同时在下风向会 出现涡。涡 的出现导致空气 对甲烷 的卷吸 ， 下风向出现 甲烷的积累， 形成甲烷空 气的混合气 云。图 1分别显示 了泄漏 2 0 s时， 0 ． 5 MP a ， l MP a ， 3 ． 5 Mp a泄 漏压力下 ， 下 风向 甲烷 浓度的分布情况 。结合 2 0 s时 的速度矢量 分布分 析， 泄漏压力越大 ， 下风 向的湍流越剧烈 ， 与空气混 合扩散较快 。压力较小时下风向湍 流稍缓和些 ， 但 更靠近地面， 扩散较慢 ， 易发生燃烧 、 中毒事故。 a 泄漏 力 0 ． 5 M P a ● ■ b 泄漏压力1 M P a C 泄漏压力 3 ． 5 M P a 图 1 不同泄漏压力下甲烷摩尔浓度分布图 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 3 6 四川化工 第 1 2 卷2 0 0 9年第 6期 图 2 、 3 分别显示了 O 一3 O秒内甲烷摩尔分数为 0 ． 0 5的可燃性混合气体的高度 ， 下风向扩散距离 。 图 2 混合气体高度随时间的变化关系图 图 3 下风 向距离随时间的变化关 系图 可以看出， 压力越大， 射流速度越大， 混合气体 上升高度越 高， 同时随着高度 的增加， 射流影响减 弱 ， 风速增大， 混合气体水平方 向受风速影 响越大。 较大的泄漏压力导致更大量的泄漏 。采用泄漏量的 经验公式[ 7 ] ， 在 0 ． 5 MP a ， 1 MP a ， 3 ． 5 Mp a的恒定泄 漏压力下 ， 泄 漏 口的质 量 流量 分别 为 3 8 ． 7 k g ／ s ， 5 4 ． 8 k g ／ s ， 1 0 2 ． 5 k g ／ s 。综合风速在高度方向的梯度 变化， 可以得出， 较大压力下的泄漏在下风向的扩散 距离较远 。 甲烷 自长输管道泄漏至大气环境 中， 环境压力 急剧降低 ， 甲烷密度下降。由于常态下 ， 甲烷密度小 于空气密度， 因此 甲烷一 空气混合气 体不会 出现沉 降。可以推断 ， 压力大的情况下， 甲烷泄漏后 的危险 区域垂直方向高度较大。 矮 上 二 登 ； 勇； 图 4 监测点浓度 随时 间变化关系图 选择下风 向距离 泄漏点 4 5 m， 高度 为 5 0 m 的 点， 监测 甲烷浓度随时间的变化。图 4给出了不同 泄漏压力条件下 ， 监测点浓度 随时间的变化。如图 所示 ， 1 MP a和 3 ． 5 MP a的泄漏压力下 ， 监测点浓度 先升高后迅速下降为 0 ， 这是是 由于射流速度相对 较大 ， 混合气体迅速越过 了监测点 。而在 5 s 之前， 三种情况下的混合气体都处于上升阶段 ， 监测点浓 度随压力升高。原因是较高压力条件下 ， 泄漏速度 较大， 增加了泄漏量， 使得浓度增大。 4 结论 本文通过采用流体计算软件 F l u e n t ， 对有风条 件下 ， 不同压力时天然气管道泄漏扩散进行 了模拟， 获得了有风和不 同泄漏压力条件下 ， 天然气管道发 生泄漏扩散的定量数据 ， 并总结了泄漏压力对天然 气扩散影响的规律 压力越高， 甲烷空气混合气体近地高度越大， 下 风向距离越大， 同时下风向湍流效果越显著， 与空气 混合越快； 虽然泄漏量较大， 但使得发生爆炸、 中毒 事故的危险区域偏高 ， 危险性较小。 压力小的条件下， 近地高度和下风 向距离都较 小， 在下风向形成 甲烷气体 的积累， 扩散较为缓慢 ， 更易发生事故 ， 在堵漏时需做好防范措施 。 第 6期 压力对管道天然气泄漏扩散影响的数值模拟 3 7 参考文献 [ 1 ] 席学军， 邓云峰． 井喷硫化氢扩散分析． 中国安全生产科学技术． 2 0 0 7， 3 4 2 O一2 4 ． [ 2 ]王东东 ， 刘茂 ， 李剑锋 ，等． 小 区域氯气扩散 的 C F D模拟研究． 安 全与环境学报．2 0 0 8 ， 8 3 1 2 6 1 2 9 ． [ 3 ]王东东 ， 刘茂 ， 李剑锋．F l u e n t 在公路隧道有 毒气体 事故泄漏 扩 散研究中的应用． 安全 与环境学 报．2 0 0 8 ， 8 2 1 4 O ～1 4 3 ． [ 4 ]刘延 雷 ， 徐平 ， 郑津洋 ， 等． 管道输运高压氢气与天然气 的泄漏扩 散数值模拟． 太阳能学报．2 0 0 8 ， 2 9 1 0 l 2 5 3 1 2 5 5 ． [ 5 ]刘延雷， 郑津洋， 赵永志， 等． 障碍物对管道天然气泄漏扩散影响 的数值模拟． 石油化工高等学校学报．2 0 0 7 ， 2 0 4 8 1 8 4 ． [ 6 ]于洪喜， 李振林， 张建， 等． 高含硫天然气集输管道泄漏扩散数 值模拟． 中国石油大学学报 自然科学版 ． 2 0 0 8 ， 3 2 2 1 1 9 1 2 2 ． [ 7 ]李又绿， 姚安林， 李永杰． 天然气管道泄漏扩散模拟研究． 天然气 工 、 2 00 4， 8 1 0 21 0 4 ． Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f Pr e s s u r e I nf l u e n c e o n Di f f u s i o n o f Na t u r a l Ga s Du e t o Pi p e l i n e Fa i l u r e Wa n g S h u q i a n ， Qi u Ro n g xi a n 。 ， Zh o n g Y u e h u a ， Xi a o Z e yi 1 ． S c h o o l o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g，S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ，C h i n a； 2 ． S i c h u a n S p e c i a l Eq u i pme n t s Te s t a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e，Ch e n g dU 6 1 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e l e a k a g e a n d d i f f u s i o n o f n a t u r a l g a s d u e t o p i p e l i n e f a i l u r e u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e s h a s b e e n s i mu l a t e d b y u s i n g s p e c i e s mo d u l e a n d t u r b u l e n c e f l o w mo d u l e o f Fl u e n t ．Th r o u g h c o mp a r i s o n a n d a n a l y s i s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s 。t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t l e a k p r e s s u r e s o n t h e d i f f u s i o n o f n a t u r a l g a s wa s o b t a i n e d．wh i c h c o u l d p r o v i d e g u i d a n c e t o s o me c o n t e n t f o r d e a l i n g wi t h a c c i d e n t s o f n a t u r a l g a s l e a k a g e d u e t o p i p e l i n e f a i l u r e ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；p i p e l i n e ；l e a k a g e a n d d i f f u s i o n；n u me r i c a l s i mu l a t i o n 吉林 邦农肥料建设年产 1 0 0万吨测土配方控释 B B肥 项 目 吉林邦农肥料有限公司年产 1 0 0 万吨测土配方 控释 B B肥项 目 2 0 0 9 年 8月 1 0日在长春德惠市米 沙子工业集 中区开工建设 ， 该项 目占地面积 2 3万平 方米 ， 总投资额为 1 0亿元 ， 其 中固定资产投资 3亿 元 ， 流动资金 7 亿元 ， 建设期为 2 0 0 9年 8月至 2 0 1 2 年 1 1月。该项 目全部建成达产后 ， 将年产测土配方 控释 B B肥 1 0 0万吨 ， 可实 现年销售 收入 2 5亿元 、 利税 1 ． 2 5亿元 。同期还将建成“ 产、 学、 研 ” 相结合 的一个省级企业控释肥研发技术中心、 一个测 土配 方控释肥物流配送 中心。此外 ， 公 司还计划从长春 市周边乡 镇 开始 ， 三年内逐步在东d lf , z省和内蒙 古东部建立 2 0 0 0个乡 镇 级测土配方控释肥技术 服务站。该项 目的实施将推动吉林省测土配方控释 肥料的研发、 生产和应用， 并对吉林省化肥行业和化 肥市场产生重大影响 。 汪 家铭 安徽规 划打造四大煤化 工产 业基 地 安徽省在认真调研 、 审核过后 ， 决定以两淮煤炭 为主， 结合境内盐岩、 石灰石等相关资源， 统筹规划， 在安徽省调整和振兴石化产业规划 中提出， 未来三 年内， 将集中力量打造淮南、 淮北、 阜 阳 毫 州 、 巢湖四大煤化工产业基地， 力争把安徽省建成国内 先进 的重要煤化工基地 。这 四大基地错位 发展 ， 各 具特色。其中， 依托淮南矿业集 团公 司和淮化集 团 公司， 建设全 国大型煤化工基地 ； 依托淮北矿区丰富 的炼焦煤资源， 聚合周边岩盐和石灰石资源， 建设大 型煤焦、 煤电、 盐化一体化加工基地， 将淮北矿业集 团公司定远煤化一 盐化一体 化工程建成我 国规模最 大、 集约化程度最高 、 生产成本最低 的重 化工业工 程； 依托临泉化工公司、 昊源化工公司和三星化工公 司等化肥企业， 大力发展农用化工、 精细化工， 建设 吴源、 临化等精细化工园； 依托上海华谊集团无为项 目及皖维高科有限公司， 打造集煤化工、 精细化工、 材料化工于一体 的巢湖化工基地 。在着力打造产业 基地的同时， 还将依托现有重点企业和产业基础， 围 绕提高产业集中度和产业升级 ， 加大投资力度 ， 积极 培育和发展石油化工 、 生物化工 、 精细化工 、 盐化工 、 橡胶加工和硫磷化工等六大产业链。 汪 家铭 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载