天然气门站工艺区泄露扩散模拟分析.pdf

第 4 3卷第 2期 2 0 1 4年 2 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 o 1 ．4 3．N O ． 2 F e b r u a r y， 2 0 1 4 天然气 门站工艺区泄露扩散模拟分析 杜 娟 ，吴 琦 ，杜 强 I ． 贵州燃气热力设计有限责任公司．贵州 贵阳 5 5 0 0 0 4 ； 2 ．中煤科工集 团重庆设计研究院， 重庆 4 0 0 0 1 6 摘 要随着国内天然气事业的蓬勃发展，作为城镇燃气与长输管线衔接的枢纽天然气门站 ，其 艺装 置一旦发生泄露事故 ，将对人员及环境造成严重的威胁。利用计算流体力学软件 ，对四川省达州市普光天然气门 站进行建模 、数值计算。分析了不同的T况及不同的风速影响情况下的泄露天然气分布规律及其对站内的影响。 关键词天然气；泄露；扩散；数值计算 中图分类号 T [ 1 9 9 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 40 2 0 2 8 6 0 4 S i mu l a t i o n a n d An a l y s i s o n Ga t e S t a t i o n Pr o c e s s a r e a Ga s Le a k Di f f u s i o n DUJ u a n ， WU Q i ， DU Qi a n g z 1 ． Gu i z h o u Ga s T h e r ma l De s i g n Co ． ， L t d，Gu i z h o u Gu i y a n g 5 5 0 0 0 4 ， Ch i n a ； 2 ． C h i n a C o a l T e c h n o l o g yE n g i n e e r i n g Gr o u p ． ， C h o n g q i n g o f De s i gn R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Al o n g wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f d o me s t i c n a tu r a l g a s i n d u s t r y , a s t o wn g a s a n d l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e h u b o f n a t u r a l g a s s t a t i o n ， p o s e a s e r i o u s t h r e a t t o p e r s o n n e l a n d t h e e n v i r o n me n t ， i n c a s e o f s p i l l i t s c r a ft d e v i c e ． E s t a b l i s h e d a n d n u me r i c a l c o mp u l a t e d P u g u a n g g a s g a t e s t a t i o n o f S i c h u an p r o v i n c e Da z h o u b y u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s s o f t wa r e ． An a l y z e d t h e i mp a c t o f d i ffe r e n t c o n d i t i o n s a n d d i ffe r e n t wi n d s p e e d c o n d i t i o n s o f l e a k i n g g a s d i s t r i b u t i o n l a ws a nd i t s e ffe c t o n t h e s t a t i o n． Ke y wo r d s Ga s ； L e a k； S p r e a d ； Nu me r i c a l c a l c u l a t i o n 随着全球经济快速发展 ，天然气作 为当代能源 重要组成部分之一 ，其开发与利用已成为越来越多 国家及地 区的重中之重 。一波又一波的以覆盖主要 天然气应用区域为目的的天然气基础设施建设高潮 正开展而来。天然气门站是设在长距离输气管线与 城市燃气输配系统交接处的综合型站场 ，它包括燃 气净化 、调压 、计量等设备及其配套附属设施 。门 站将来 自长距离输气管线的天然气 ，先经过滤器清 除其 中机械杂质 ，然后通过调压器 、流量计进入城 市燃气输配系统 。天然气工艺设施与石油工艺设施 相 比，压力更高 、泄漏后危害更大 ，因此 ，更应该 引起相关技术人员的重视 。门站内通常有控制室 、 变配电室、办公室、休息问等建筑物。天然气工艺 装置一旦发生腐蚀破坏 、开裂等情况 ，天然气的泄 露将对站内乃至站外的人员财产形成威胁。运用计 算机及计算流体力学数值计算软件对门站内天然气 工艺设施损坏后的扩散进行仿真能较为准确预测天 然气装置的泄露扩散，及其对门站内部主要设施的 影响。以便对门站的设计及泄露事故抢险处置方案 提供有力的理论支撑。 1 研究现状 上世纪末， 国内外已经开展了对有毒有害气体 泄露方面的研究。A r n a l d o s ⋯ 引用小孔泄漏率模型分 析计算了气体扩散。魏利军口 ‘数值计算了泄漏的全 过程，计算得到整个泄露空间的气体分布情况和速 度场。潘旭海口 l 研究了不 同的外界环境下的气体扩 散过程。Y o u n g t 通过化简，建立管道小孔泄漏率算 法模 型。张文艳 针对各种风速影 响并结合现场实 际计算了天然气泄露及其分布 。刘中良 应用热力 学和气体动力学理论 ，结合理想气体方程 ，研究分 析天然气的泄漏过程 ，给出了在临界泄漏阶段与亚 临界泄漏阶段的泄漏速率计算公式。姜焕勇 以某 天然气分输站场为例 ，采用定量风险评价软件 P HA S T R I S K对其工艺设施和管道发生泄漏或破裂 导致的主要事故类型进行了后果模拟和定量风险评 价。李白力 、李胜利 等采用 C F D软件对天然气泄 漏扩散进行了典型地形条件的的三维数值仿真计 算 ，考虑了风速随高度变化的情况，并编写 自 定义 函数对风速进行修正。 范开峰、 王卫强p 等采用 V O F 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 1 6 作者简介杜娟 1 9 7 1 ，女，贵州贵 阳人，高级工程师，硕士，毕业于重庆建筑工程学院 现重庆大学 城市燃气专业，研究方向城镇燃气 输配、规划 、咨询及燃气设计技术管理。E - m a i l d e s i g n g h 2 1 C r 1 ． c o m 。 通讯作者吴琦 1 9 7 8 一 ，男，工程师，硕士，油气管道输送技术。E - m a i l w u q i 一 2 9 y a h o o ． C ll 。 第 4 3卷第 2期 杜 鹃，等天然气门站工艺区泄露扩散模拟分析 2 8 7 模型对海底天然气管道泄露进行数值模拟，观察到 了泄漏天然气气团由 “ 半球” 形、 “ 水滴” 形到 “ 球” 形的过渡过程，得到了天然气在水中上升过程的体 积分数分布特性。 2 模拟方法 在流体力学领域， 纯数学方法是用数学推导和解 析求解的方法。 但这种方法只能求解一部分比较简单 或经过大量化简后的情况。 随着计算机及其应用技术 的成熟， 计算流体力学是弥补数学分析方法的不足而 发展起来的。 计算流体力学通过求解不同的边界条件 和初始条件下的平衡方程实现模拟真实过程中各场 的分布。计算流体力学数值模拟具有应用范围更广、 成本低廉和求解迅速的特点， 是物理实验及数学方法 所不能及的。很多 C F D软件已经提供了计算流体力 学的计算平台并有了一定应用领域。 2 ． 1 物理模型 随着我国西部开发的不断推进， 全面加快川东 北天然气开发，给四川省达州市宣汉县经济社会发 展带来 了前所未有 的发展机遇。宣汉是川气东送的 气源地，是达州建成天然气化工基地的主战场，宣 汉普光经济开发区作为宣汉县的核心经济区，将成 为宣汉县经济社会发展的重要引擎。普光天然气门 站基础设施作为工业园区气量调度的枢纽站，承担 5 01 0 4 m 的天然气处理量 ，将建设过滤 、计量 、 调压等生产设施和相应 的辅助设施。该 门站 占地约 6亩，建筑物总面积 1 7 8 ． 2 m ， 定员 8人。本站包括 直接生活建筑及生产配套建筑。生产建筑面积根据 工艺要求确定，充分满足生产运行、设备安装及检 修的要求。站场布置详细情况见图 1 。本文针对四 川达州普光天然气门站工程进行工艺管道破裂泄露 后的扩散情况计算分析。 图 1 门站平面布置图 Fi g ． 1 Pl o t p l a n o f g a t e s t a t i o n 依据宣汉县普光地区风向频率玫瑰图，工艺装 置区与综合用房之间风力较大。风力分布见图2 。 西 西 北 南 图 2风向频率玫瑰 图 F i g ． 2 Ro s e d i a g r a m o f wi n d d i r e c t i o n f r e q u e n c y 2 ． 2 数值求解 流体的运动要遵循的守恒定律质量守恒 、 动 量守恒和能量守恒定律” 叫 。 本课题不考虑温度的影 响，因此不启动能量方程。 质量守恒方程又称连续性方程，其守恒的微分 形式为 S 1 U￡C f 源项 是加入到连续相的质量。 动量方程 昙 P U i 毒 “ 一 妾 p g i 2 其中 一 应力张量； P一 静压力； g i 和 一 分向量上的重力和外力。 2 ． 3 模拟参数 接合宣汉县普光 门站布置及其相关参数 ，按照 天然气装置破裂泄露扩散分析 。分别考虑不 同环境 及运行状况下 ，甲烷扩散分布随时间的变化情况 。 在模拟计算分析时， 取爆炸极限的下限 5 ％为分析 临界点。应用上述设定， 计算天然气装置区泄漏扩 散后天然气分布随时间的变化情况 。 3 结果与分析 首先 ，在无外界风的环境下，模拟计算 了天然 气工艺设备泄露后，气体在空间扩散随时间的变化 情况 ，如图 3 。 天然气工艺管道破裂后，形成紊态喷射，开始 速度很大 ，在阻力的影响下 ，形成了蘑菇状气云。 随着扩散范围的扩大，扩散气体受到浮力、阻力与 重力的影响 ，扩散速度减慢 ，进而逐步达到平衡 ， 速度场保持不变。泄露的喷射压力随着喷射过程的 递减。泄露气体的密度由于在泄露扩散被稀释，气 体的密度不断与空气接近，也导致泄露气体扩散速 度的减慢 。 其次，根据当地气象部门的相关资料，并以近 第 4 3卷第 2期 杜 鹃，等天然气门站工艺区泄露扩散模拟分析 2 8 9 成涡状气流， 泄露气体浓度也随之降低。由图可以看 出， 在门站近期建设规模工况下， 天然气泄露对有人 值守的综合用房影响较小， 说明依据国家规范进行设 计的工艺装置 区与综合站房的间距是合理且安全的。 最后，根据气象资料并按照远期建设的天然气 处理规模考虑，计算模拟了泄露后天然气在空气中 的扩散结果 ，如图 5 。 考虑远期工况工艺设备处理量较大时 ，发生泄 f O r n ／ s 露扩散 的气 团因动量较大的原因，扩散的高度高于 近期工况天然气泄露情况 。由于远期工况的泄露量 较大，泄露后天然气气体对综合用房有了一定的影 响，具有一定的安全隐患。需要对天然气工艺装置 区采取一定的安全防护措施。 图 6中的曲线表示天然气 门站工艺装置区 发生泄漏后 ，泄露的天然气浓度在同一高度上 的变化情况 。 2m／ s o 5 o 4 o 3 拧 舌 0 2 o 1 o 图 6甲烷浓度变化 曲线 Fi g ． 6 M e t ha ne co nc e nt r a tion s c hang e s c ur ve 在风速为零时 ，天然气工艺 区泄露的天然气对 相邻 区域的影响较小 ；在当地最大风速情况下 ，近 期_T况天然气工艺装置区泄出的天然气对综合用房 影响较小 ，在远期工况下天然气工艺装置区泄出的 天然气对靠近综合用房一侧影响较大。综上所述， 天然气门站场区内工艺区装置泄漏后 ， 危险区域受 环境的影响发生了明显的改变。在有风影响下的情 况站场 内安全已经受到威胁 。 参考文献 l 1 J J ． A ma l d o s ，J ． C a s a l ， H ． Mo n t i e l ，e t a 1 ． D e s i g n o f a c o mp u t e r t o o l f 0 r t h e e v a l u a t i o n t h e c o n s e q u e n c e s o f a c c i d e n t a l n a t u r a l g a s r e l e a s e s i n d i s t r i b u t i o n p i p e s [ J ] ． J o u r n a l l o s s p r e v e n t i o n i n t h e p r o c e s s i n d u s tr i e s ， 1 9 9 8 ， 1 1 2 1 3 5 1 4 8 ． [2]魏 利 军 ． 重 气 扩 散 的 数 值 模 拟 fJ ] ． 中 国 安 全 科 学 学 报 ， 2 0 0 0 ， 1 0 2 2 6 - 3 4 ． [ 3 ] 潘旭海蒋 军成． 化学危险性气体泄漏扩散模拟及其影响因素【 J 1 ．南京 f 5m／ s 化工大学报，2 0 0 1 ， 2 3 1 1 9 ～ 2 2 ． 1 4 J J ．D ． Y o u n g ， B ．J ．A h n ． A n a l y s i s o f h a z a r d a r e a s s o c i a t e d w i t h h i g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s p i p e l i n e s [J ] ．J o u r n a l o f p re v e n t io n in t h e p r o c e s s i n d u s t r i e s 2 0 0 2 。 1 5 3 1 7 9 1 9 8 ． [ 5 ] 张文艳风 力对天然气管道泄漏后扩散过程的影响研究Ⅱ 1 ．天然气工 业 ，2 0 0 6 ， 2 6 ， 1 2 1 5 0 1 5 2 ． [ 6]刘中良， 罗志云， 王 皆腾．天然气管道泄漏速率的确定[ J ] ．化工学 报， 2 0 0 8 8 2 1 2 1 2 1 2 6 ． [ 7 ]姜焕勇， 韩 丽， 邵 勇， 王学军，等．输气站场泄漏事故后果模拟与定 量风险评价 油气储运，2 0 0 9 ， 2 8 9 2 3 2 6 [ 8 ] 李白力，李胜利， 李长胜． 天然气泄漏扩散的三维数值模拟叭 油气储 运，2 0 1 0 2 9 4 2 6 6 2 7 1 ． [ 9 ]范开峰，王卫强， 衣照秋，刘人玮， 于爽． 海底天然气管道泄漏数值模拟 『 J _． 当代化工， 2 0 1 3 ，4 2 4 5 0 3 5 0 6 ． [ 1 0] 郝安佳， 吴琦， 等．街道峡谷内燃气管道泄露扩散模拟分析【 J 1 _ 当代化 工， 2 0 1 2 ， 4 1 7 7 5 6 7 5 9 ． [1 1 ] 程猛猛 ， 赵玲 ， 吴明，等． 架空天然气管道泄漏扩散数值模拟 [ J ] ． 辽宁石油化工大学学报 ，2 0 1 3 ， 3 3 3 3 2 ． [ 1 2] 付俊涛，李玉星 ， 梦令雅 ，等． 输气管道泄漏音波与干扰信号特征 提取 [ J ]．石油化工高等学校学报 ，2 0 1 2 ， 2 5 2 5 3 ． 上 接 第 2 8 5页 在此提出在承受液体压力载荷的回转薄壳，求 解壳体支座以下的应力时，可以自该点向上到容器 最顶部做圆柱形壳体 ，此圆柱形壳体内部液体重量 即为壳体上该点外载荷的轴向分量 ， 继而容易求 出该点的薄膜应力。此方法可用于任何一种结构形 式的壳体薄膜应力的计算， 并且该方法简便、 快捷。 参考文献 [ 1 ] 王志文， 蔡f 良化工容器设计[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 5 0 8 [ 2 ] 王非．化工压力容器设计方法 、问题和要点I M ] ．北京 化学工业 出版社，2 0 0 9 一 叭． [3]J o H N C ．T o u 。 g h e n i n g a n d c r a c k t i p s h i e l d in g i n b r i t t l e m a ri a l s b y r e s i d u a l ly s t r e s s e d t h i n fi l m [ J ] lJ V a c S c i T e c h n o l ，1 9 9 1 ，A 9 4 2 5 0 3 2 5 0 9 ． 1 4 j U L F S ， K R I S T E N S E N N ， E R I C S O N F ， e t a 1 ． L o c a l s t r e s s r e l a x a t i o n p h e n o m e n a i n t h i n a l u m i n u m fi h n s [ J ] -J V a c S c i T e c h n o l ，1 9 9 1 ， A 9 4 2 5 2 7 2 5 3 5 ． 1 5 j F A HN L I N E D E ， C H R I S T I N E B ，S A L A MO N N J ， T h e fi lm s t r e s s f r o m n o n s p h e r i c a l s u b s t r a t e tn d i n g m e a s u r e m e n t s [ J ] ． J V a c S c i T e c h n o l ， 1 9 9 1 ，A 9 4 2 4 8 3 2 4 8 7 ． [ 6 ]余国琮．化工容器及设备[ M] ．北京 化学工业出版社， 1 9 8 0 1 1 ． [ 7] 郑津洋 ，董其伍 ，桑芝富．过程设备设计【 M E 京化学工业出版 社 ．2 0 0 5 0 7 ．