斜坡上含硫天然气管道泄漏模拟及抢修方法.pdf

2 0 1 4 正 第6 期 管 黾技术 P i p e l i n eT e c h n i q u e 5设各 a n d E q u i p m e n t 2 0 1 4 N o ．6 斜坡上含硫天然气管道泄漏模拟及抢修方法 刘博1 ，刘倩2 1 ．西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都6 1 0 5 0 0 ；2 ．重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆4 0 0 0 4 5 摘要运用F L U E N T 软件对斜坡上的含硫天然气管道的泄漏扩散进行了数值模拟，分3 类情况进 行分析无风条件、向坡风和背坡风，根据H s 的毒性和C H 。的爆炸极限分别得出了H s 和C H 。的安 全区域。经分析可知无风和背坡风情况有利于H s 往下坡方向扩散，加上C H 。的扩散，坡下和泄漏口 上方形成较大的危险区域；向坡风情况能阻碍H s 和C H 。的向下扩散，使危险区域能够近似处于竖直 方向。将模拟得出的管道泄漏扩散规律与泄漏抢修的实际情形及相关研究成果结合分析，对斜坡这一 特殊地形的含硫天然气管道泄漏提出了一些抢修方法。 关键词斜坡；H 2 S ；泄漏扩散；F L U E N T ；安全区域；抢修方法 中图分类号T E 8文献标识码A文章编号1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 1 4 0 6 0 0 0 8 0 3 S i m u l a t i o na n dE m e r g e n tR e p a i r i n gM e t h o d so fS u l f u r e d H y d r o g e n C o n t a i n i n gG a sP i p e l i n eL e a ko nt h eS l o p e L I UB 0 1 ，L I UQ i a n 2 1 ．P e t r o l e u ma n dN a t u r a lG a sE n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ，C h e n g d u6 1 0 5 0 0 ，C h i n a ； 2 ．U r b a nC o n s t r u c t i o na n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 5 ，C h i n a A b s t r a c t B yt h eu s eo fF L U E N T ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sc a r r i e do u ta b o u tt h es u l f u r e dh y d r o g e n c o n t a i n i n gg a sp i p e - l i n el e a ka n dd i f f u s i o no nt h es l o p e ．B a s e do nt h ed i r e c t i o no ft h ew i n d ，t h r e es i t u a t i o n sw e r ea n a l y z e d s t a t i cw i n d ，w i n df r o m b a c ks l o p e ，w i n dw h i c hw a st o w a r d ss l o p e ．C o n s i d e r i n gt h et o x i c i t yo fH 2Sa n dt h ee x p l o s i o no fC H 4 ，s a f ezoneso ft h eH 2Sa n d C H 4w e r ef i g u r e do u t ．A n dt h es t a t i cw i n da n dt h ew i n dt o w a r d ss l o p ew e r ec o n t r i b u t e d t ot h ed i f f u s i o no fH 2St o w a r d s d o w n s l o p e ．W i t ht h ed i f f u s i o no fC H 4 ，w i d ed a n g e r o u sz onesw i l lb ea p p e a r e d ．W i n dw h i c hi st o w a r d st h es l o p ew i l lh i n d e rt h e d i f f u s i o nH 2St o w a r d sd o w n s l o p ei nac e r t a i ne x t e n t ，a n di tm a k e sd a n g e r o u szoness i m i l a r l yc o n c e n t r a t ei nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ． B yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h es i t u a t i o ni nt h ef i e l d ，s o m em e t h o d so nt h ee m e r g e n tr e p a i r i n go fs u l f u r e dh y d r o g e n c o n t a i n i n gg a sp i p e l i n el e a kw a sm a d e ． K e yw o r d s s l o p e ；s u l f n r e dh y d r o g e n ；l e a ka n dd i f f u s i o n ；F L U E N T ；s a f ez o n e s ；e m e r g e n tr e p a i r i n gm e t h o d s 0引言 输气管道泄漏后，气体向外扩散。关于气体扩 散，国外学者通过研究提出了高斯烟羽模型、高斯烟 团模型、轨迹烟云模型B M 模型、S U T I O N 模型、F E M 3 模型] ，国内部分学者也对泄漏扩散进行了相关研 究心。j ，各模型的适用对象和范围有所不同。 文中选用F L U E N T 软件来研究含硫天然气管道 泄漏扩散情况，并预测对应的安全区域。 1 模型建立与数值分析 某斜坡位置的含硫天然气管道直径为6 2 5m m ，该 段管道的起点压力为3 ．4 5M P a ，终点压力为3 ．3 1 M P a ，H ，S 含量取2 2m g ／L ，外界环境平均气温1 8 ℃， 收稿1 3 期2 0 1 4 0 7 0 8收修改稿1 3 期2 0 1 4 - 0 8 1 6 天然气年平均温度为2 0 ℃，斜坡的倾角为2 7 。。 多组分混合天然气的泄漏扩散受到风速、大气温 度、泄漏点位置、泄漏压力以及组分比例等因素的影 响，文中采用二维孔口泄漏模型，口径取1 0c m ，构建 图1 所示的泄漏扩散示意图，其中由坡下往坡上传播 的风为向坡风，由坡上往坡下传播的风为背坡风，2 种 风向均已在图中标明。 下管 一背坡风 ＼上管壁 图1 斜坡管道泄漏扩散示意图 万方数据 第6 期刘博等斜坡上舍硫天然气管道泄漏模拟及抢修方法9 根据朱红钧等∞“3 进行的天然气扩散模拟研究， 泄漏扩散模型方程如下 一ac旭蠢未“嚼acl30t a xO xO x 1 秽i l。I 1J ‘ i，＼”。／ 、7 警 ”。V 秽 ／一古塞 秽V 2 ” 2 p “一声渺 差 差 ㈩ 一O v i 0 f 4 1 d z i 式中c 为气体浓度，k e ／m 3 ；f 为时间，s ；v 为速度，m ／s ；D 。i 为紊动扩散系数，m 2 ／s ∥为单位质量力，m ／s 2 ；P 为气体密 度，k g ／m 3 护为静压，P a ；p F 为应力张量，P a ；8 口为二阶张量 的分量，P a ；／z 为气体动力黏度，P a s ；i √ 1 表示z 轴方 向；i √ 2 表示Y 轴方向；i √ 3 表示z 轴方向。 通过G A M B I T 软件所建模型如图2 所示。 左 边 界 右 边 界 图2由G A M B I T 软件建立的管道泄漏模型 1 ．1 无风条件 若泄漏速度为2 1 0m ／s ，无风条件下气体在泄漏 口处的压力为3 ．4 0M P a ，远高于标况下的大气压力 0 ．1 0 1M P a ，巨大的压差导致泄漏气体扩散迅速，短时 间与大气达到平衡，泄漏出的高速天然气与大气发生 能量交换。 假设天然气仅含有C H 4 和H S2 种组分，通过F L U E N T 软件模拟，得出C H 。和H S 的浓度分布云图 假设 混合气体包含C H 。和H 2 种组分，图中数字为质量分 数 ，见图3 和图4 。由图3 、图4 分析可知，泄漏口处的2 种组分的浓度都较大，沿着喷射方向浓度逐渐降低。 根据H S 的毒性和C H 。的爆炸上限计算的结果， 取H S 的安全浓度为2X1 0 。5k g ／m 3 ，取C H 。的安全 浓度为3 ．5 8 5 1 0 。k g ／m 3 ，运用F L U E N T 得出2 种组 分的安全区域 图5 和图6 中白色束状以外的区域 ， 以利于后续的抢修工作，保证人员的安全。 1 t t 7 C H o 浓度分布 向坡风图8H S 浓度分布 向坡风 选择与无风条件下同样的安全浓度，而此时还受 风速的影响，C H 。和H S 的安全区域也会发生相应变 化，用F L U E N T 模拟的结果见图9 和图1 0 安全区域 为白色束状以外的区域 。 从图9 和图1 0 可以看出，受风速的影响，H ，S 和 C H 。的安全区域大致被均分为了两部分，C H 。的安全 区域同样明显大于H S 的安全区域，且C H 。往上坡方 向扩散的趋势要大于H ，S ． 万方数据 1 0 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t N O V ．2 0 1 4 图Ⅱa 2 s 浓度分布 背坡风 图1 2c I - I , 浓度分布 背坡风 同样由于受风速的影响，该情况下C H 。和H S 的 安全区域也发生了相应变化，用F L U E N T 模拟出的安 全区域见图1 3 和图1 4 。 对比无风条件和背坡风条件的安全区域分布图， 可以分析得出，受风速的影响，泄漏出的天然气进一 步向下坡方向倾斜，但由于泄漏速度沿水平方向的分 量远大于风速，因而该倾斜并不明显。另外，在向坡 风条件下，C H 。和H s 浓度较大的区域近似于束状， 而无风条件下扩散区域的形状更为杂乱和不规则。 图1 3H 二s 安全区域 背坡风』 2 管道泄漏的抢修方法 通过分析F L U N E T 模拟的结果，可以对实际的管 图1 4C H 4 安全【莶域 背坡风 道泄漏事故进行预测，明确气体泄漏扩散后的浓度分 布情况和对应的安全区域。结合刘艳、王丽梅等“ “1 对管道泄漏事故处理的相关研究内容，提出了管道泄 漏抢修的相关方法。 2 ．1 划定警戒区域 警戒区域的划定需要综合考虑气体泄漏扩散的 具体情况 如泄漏孔径、泄漏速度以及扩散范围等 与 当地的地形、风场等因素，加上该过程有一定的预测 性与保守性，因而在条件允许的情况下，可设置较大 范围的警戒区域。 运用F L U E N T 软件对斜坡上含硫天然气管道泄 漏扩散进行模拟的结果可以看出，风速大小和方向是 划定警戒区域需要着重考虑的因素。 无风情况和背坡风情况，需要在泄漏口的下坡方 向留足够的警戒区域，同时还应注意喷射到高空中的 气体沿下坡方向的传播对周围环境的影响。当处于 吹向坡风的情况，且风速达到一定值，在泄漏口的下 坡端的警戒区域可以更小，但喷射到高空的气体随着 时间的推移和重力的作用，里面的H s 等密度较大组 分会向坡下扩散，因此该情况下在下坡同样需要划定 足够的警戒区域。 2 ．2 防止人员中毒与火灾爆炸 H S 比空气密度大，容易向低处流动，加上天然气 从斜坡位置高速喷出，会使H ，s 的扩散变得复杂和迅 速。从F L U E N T 模拟结果来看，为防止人员中毒，需 要根据不同风场采取相应的措施。静风条件和背坡 风条件下，H ，S 对人员的威胁很大，针对这两种情况， 可将抢修作业的指挥场所设置在坡顶，避开H s 的扩 散区域，确保人员安全。向坡风速一定的条件下，从 模拟出的安全区域来看，下坡受气体扩散的影响明显 降低，但考虑到H s 密度大于空气密度，在下坡位置 布置抢修作业时，可以选择在地势较高处且采取相应 的安全措施，随时监测气体浓度变化情况。 下转第1 4 页 _厂 一 一～一一一僦∥ p一一一一一一一厂 J一～～一一一～一 厂一飒一一一一一一厂 万方数据 14 P i p e l i n eT e c h n i q u ea n dE q u i p m e n t N o v ．2 0 1 4 行压力和流量监控，一旦发现异常要立即进行抢修； 对于二级危险薄弱段管道要每周进行巡检，检查管道 及设备完整情况；对于三级危险薄弱段要每月进行巡 检，检查管道及设备完整情况；对于其他安全管道要 按规范定期进行巡检，保证管道运行安全。 3 结论 对长输管道进行基于水锤模拟的运行薄弱段研 究应首先进行典型工况瞬态水力分析，根据水锤模拟 结果确定管线薄弱段，并进行事故后果评价，从而减 少供水管线事故的发生，特别是重大事故的发生。 参考文献 [ 1 ]张鹏．管道风险因素的模糊评价、模糊集理论及其应用． 石家庄河北大学出版社，1 9 9 8 3 7 6 5 ． [ 2 ]张玉先，陈欣，张硕．常州市大口径输水钢管爆管原因与 对策研究．给水排水，2 0 0 6 ，3 2 7 8 9 9 3 ． [ 3 ] 金锥．停泵水锤及其防护．2 版．北京中国建筑工业出版 社．2 0 0 4 6 1 2 ． [ 4 ] W Y L I EEB ，S T R E E T E RVL ．瞬变流．清华大学传动与控 制教研组译．北京水力电力出版社，1 9 8 3 2 0 5 6 ． [ 5 ] 雍歧卫，瞿德刚．止回阀水力特性分析及水击计算．阀 门，2 0 0 3 5 1 4 ． [ 6 ] Y A N GYS ，M AXY ，L IXY ．A n a l y s i st h ei m p a c to f w a v e v e l o c i t yo nt h ec a l c u l a t i o no fp r e s s u r eb o o s ti nw a t e rh a m m e r o fl o n g d i s t a n c ew a t e rp i p e l i n e s ．I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n W a t e rR e s o u r c ea n dE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o n I S W R E P ， X i ’a l l ，2 0 1 1 ． [ 7 ] Z H UzJ ．Q u a s i C h a r a c t e r i s t i cm e t h o df o rK D V B u r g e r se - q u a t i o n s ．A c t aS c i e n t i a r u mN a t u r a l i u mU n i v e r s i t a t i s o fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a ，1 9 9 7 ，2 7 4 8 一1 2 ． [ 8 ] 丁鹏，张敏．基于模糊数学的海底管道风险评价方法研 究．管道技术与设备，2 0 1 l 5 6 8 ． 作者简介周献东 1 9 7 2 一 ，给排水工程师，主要研究方向为饮 用水深度处理、管网漏失控制、长距离水工程安全防 护。E m a i l g d h z x d 1 2 6 ．c o m 上接第1 0 页 C H 。密度小于空气，从泄漏口高速喷出后便向上 扩散到空气中。该次模拟将C H 。的爆炸下限5 ％换算 对应的浓度设定为其安全浓度值，得出3 种情况下的 安全范围分布示意图。 向坡风速一定的条件下 如图1 0 所示 ，喷出的 C H 。直接向高处扩散，在泄漏口的下坡地带设置抢修 指挥所和相关机具，发生火灾爆炸的可能性较低。无 风或者背坡风条件下，考虑到C H 。密度较小的原因， 仍应该把泄漏口的上坡地带同样定为危险区域，采取 防火措施。 3结论 1 斜坡上含硫天然气管道泄漏扩散受喷射速 度、重力以及当地风场等因素共同影响，当H s 含量 达到一定值时，其毒性危害区域要大于C H 。的爆炸危 害区域，在划定抢修工作警戒线时应重点考虑。 2 假设天然气仅含2 种组分，在无风条件和背 坡风条件下，泄漏出来的含硫气体会迅速向坡下扩 散，泄漏1 3 附近以及近地面区域的H s 浓度很高，C H 。 在泄漏口附近的浓度同样较高，之后会向高空扩散。 受背坡风作用，喷射区域会进一步往斜坡方向弯曲。 3 向坡风条件下，风场会在一定程度上阻碍含 硫气体的向下扩散。当风速达到一定时，喷射出来的 气体会近似于竖直方向扩散，但由于其密度与空气密 度的大小关系，H ，s 会下坡方向扩散。 4 采用F L U E N T 进行模拟，得到了不同情况下 的C H 。和H s 的安全区域，对后续抢修工作的布置有 一定的借鉴作用，保证人员的安全。 参考文献 [ 1 ] C R O W LD ，L O U V A RJ ．C h e m i c a lP r o c e s sS a f e t yF u n d a ． m e n t a l sw i t h A p p l i c a t i o n s ．s e c o n de d i t i o n ．N e wJ e r s e y P r e n t i c eH a l lP T R ．2 0 0 2 1 7 1 1 9 9 ． [ 2 ]侯庆民．天然气管道泄漏与天然气在大气中扩散的模拟 研究[ 学位论文] ．哈尔滨哈尔滨工业大学，2 0 0 9 ． [ 3 ]于明，狄彦，帅健．输气管道泄漏率计算与扩散模拟方法 述评．管道技术与设备，2 0 0 7 4 1 5 一1 8 ． [ 4 ]朱渊，陈国明．高含硫天然气管道泄漏扩散过程C F D 建 模．系统仿真学报，2 0 0 9 ，2 0 6 6 1 3 6 6 1 6 ． [ 5 ]朱红钧，林元华，马成学．平坦地区含硫化氢集输管道的 泄漏扩散模拟．西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 9 6 1 5 6 1 6 0 ；2 1 9 2 2 0 ． [ 6 ]胡夏琦．含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟[ 学 位论文] ．东营中国石油大学，2 0 0 7 ． [ 7 ]刘艳．天然气管道泄漏检测及抢修技术．科技传播， 2 0 1 1 5 1 3 4 1 3 5 ． [ 8 ]王丽梅．埋地长输管道泄漏事故应急关键技术研究[ 学 位论文] ．北京北京工业大学，2 0 1 2 ． 作者简介刘博 1 9 9 0 一 ，在读硕士研究生，主要从事油气储运 安全方面的科研工作。 E ．m a i l 9 2 3 2 6 7 5 2 9 q q ．c o m 万方数据