高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟.pdf

2 0 0 8 年第3 2 卷 第2 期 中国石油大学学报 自然科学版 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m V 0 1 ．3 2N o ．2 A p r ．2 0 0 8 文章编号1 6 7 3 - 5 0 0 5 2 0 0 8 0 2 - 0 1 1 9 - 0 4 高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟 于洪喜1 ，李振林1 ，张建2 ，张永学1 1 ．中国石油大学机电工程学院，北京1 0 2 2 4 9 ；2 。胜利油田胜利工程设计咨询有限公司，山东东营2 5 7 0 2 6 摘要利用C F D 软件F L U E N T 对高含硫天然气集输管道破裂泄漏后的甲烷、硫化氢的扩散进行了数值模拟。结果表 明，受重气扩散时沉积效应的影响，高含硫天然气泄漏扩散时近地面的横向污染范围比普通天然气更大，烟云高度 明显降低。在自然风速影响下，随海拔高度的增加，危险气体向下风向偏移明显。压力为3 ．5M P a 、含硫化氢5 ％的 高压天然气管道断裂泄漏2m i n 后，在环境风速影响下爆炸危险范围为下风向1 5 0 2 9 0m ，中毒范围为下风向0 2 7 0m 。山顶地形条件下的扩散规律与平地类似，山谷地形条件下硫化氢将发生沉积而不利于扩散。 关键词高含硫天然气；集输管道；扩散；数值模拟 中图分类号T E8 6文献标识码A N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl e a k a g ea n dd i s p e r s i o no f a c i dg a si ng a t h e r i n gp i p e l i n e Y UH o n g x i l ，L IZ h e n l i n l ，Z H A N GJ i a n 2 ，Z H A N GY o n g x u e l 1 ．c D 讹g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n gi nC h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m ，B e i j i n g1 0 2 2 4 9 ，C h i n a ； 2 ．S h e n g l iE n g i n e e r i n g C o n s u l t i n gL i m i t e dC o m p a n y ，S h e n g l iO i l f i e l d ，D o n g y i n g2 5 7 0 2 6 ，S h a n d o n gP r o v i n c e ，C h i n a A b s t r a c t T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s p e r s i o no fH 2 Sa n dm e t h a n ew e r ef i r s t l ys i m u l a t e db yF L U E N Ts o f t w a r ew h i l et h ea c i d g a sl e a k sf r o mag a t h e r i n gp i p e l i n e ．I ti sf o u n dt h a tt h eH 2 Sp o l l u t i o ns c o p en e a rt h eg r o u n di nh o r i z o n t a li s w i d ea n dt h e h e i g h to fH 2 Sc l o u di sl o wb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fh e a v yg a s e o u s - d e p o s i t i o n ．T h ee x c u r s i o no fH 2 Sc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s i nl e e w a r dd i r e c t i o nw i t ht h ee l e v a t i o ni n c r e a s i n gb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fn a t u r a lw i n d ．I ft h ep i p e l i n e ．f o rt r a n s p o r t a t i o n o fn a t u r a lg a sc o n t a i n i n g5 ％H 2 Sw i t hp r e s s u r eo f3 ．5M P a ，l e a k sf o r2m i n u t e s ，t h ee x p l o s i o nr a n g ei sf r o m1 5 0t o2 9 0m a n dp o i s o n o u sr a n g ei sf r o m0t o2 7 0mi nl e e w a r dd i r e c t i o n ．T h eH 2 Sd i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i ci ss i m i l a rt ot h a ti np l a i na r e a w h e na g a t h e r i n gp i p e l i n eb r e a k sd o w na th i l l t o pt e r r a i n ． K e yw o r d s a c i dg a s ；g a t h e r i n gp i p e l i n e ；d i s p e r s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ‘高含硫天然气集输管道发生泄漏或断裂时，会 形成中毒和燃烧爆炸危险区，进而可能引起重大人 员伤亡事故及巨额财产损失，开展高含硫天然气泄 漏后扩散规律的研究具有工程价值。目前，对有害 气体扩散研究主要是结合有害气体扩散的一般规律 和试验结果数据分析，拟合而给出具有工程使用价 值的半经验半理论计算公式。| 。这些公式的优点 是编程相对简单、计算快，缺点是计算结果的准确性 很大程度上依赖于实际有害气体扩散条件与模型假 设相接近的程度。此外是利用现有的商业流动换热 软件对泄漏的过程进行数值模拟H 引，但对于同时含 有天然气和大量硫化氢的混合气体的模拟还未见报 道。笔者利用软件F L U E N T 对不同风速和地形条件 下高含硫天然气管道发生泄漏时的气体扩散规律进 行研究，为有效预测气体泄漏危险范围及应急预案 的制定提供依据。 1 控制方程组 j 高含硫天然气的扩散可认为是多组分气体相互 作用的湍流。综合考虑计算条件和工程要求，采用 耦合隐式求解器，基本方程为定常R e y n o l d s 时均方 程№】，湍流模型为标准k - 占模型1 。 收稿日期2 0 0 7 一l l 一2 4 基金项目北京市教育委员会重点学科资助项目 X K l l 4 1 4 0 5 9 4 作者简介于洪喜 1 9 6 3 一 ，男 汉族 ，山东招远人，博士研究生，主要从事储运装备及储运工艺研究。 万方数据 1 2 0 中国石油大学学报 自然科学版2 0 0 8 年4 月计算的控制方程可写成如下的统一守恒形式警磐 垫掣 毒 - 差 ．㈩a td 戈ia 戈i ＼甲a 菇，／甲、方程 1 等号左边为非定常项和对流项，右边为扩散项和源项。式中，咖为通用变量；u ，为速度分量；L 为广义扩散系数。当母分别为1 ，“，t ，，k ，占，T 和C 时，对应着连续方程、菇方向动量方程、Y 方向动量方程、湍流脉动动能方程、湍流能量耗散率方程、能量方程和组分方程，相对应的各项参数取值分别如表1 所示。表中，只和F ，表示x ，Y 方向上的质量力分量，肛为动力粘性系数，P 为压力，P 为密度，P 为湍动能生成项，肛。为涡粘性系数，r 为温度，q ，盯。，o r 。，C ，和岛为湍流模型经验系数。为使方程组封闭，需要补充气体状态方程P p p ‘，r ． 2 以上方程组联立求解。表1 统一方程分量形式对应参数2 数值模拟及结果分析2 ．1网格划分天然气管道泄漏属于大空间淹没射流，兼顾计算量和计算精度，选定计算区域为4 0 0 0mX15 0 0m 。由于泄漏口附近压力变化极大，在泄漏口及其附近要保证有足够的网格密度，否则计算可能发散。此外，考虑到壁面效应，以及提高重气沉降模拟的精度，对靠近固壁的区域，网格也要适当加密。随着扩散向外围空间发展，流速变化变缓，为了提高计算效率，减少计算节点，对应区域的计算网格也相应地稀疏。但计算网格也不能太稀，否则计算不能满足工程要求，甚至计算迭代无法进行。综合考虑，最终生成满足计算要求的结构化网格见图l 。2 ．2 边界条件定义泄漏孔中心坐标为 0 ，0 ，泄漏口裂缝长为0 ．2m ，进口给定压力边界条件，计算区域底部边界给定无滑移条件，根据标准壁面函数给定近壁处k ，占。左、右及上面边界给定压力出口边界，大小为大气压。’考虑风速影响时，左边将压力出口边界条件改为对应的空气压力入口边界条件。对于组分影响，采用不发生化学反应的物质运移模型。雾一图1 网格模型2 。3 模拟结果分析假定输气压力为3 ．5M P a ，输气温度为3 0 0K ，环境温度为2 9 0K ，大气环境密度为1 ．2 2 5k g ／m 3 ，不考虑泄漏对输气管道运行压力的影响。2 ．3 ．1纯甲烷与纯硫化氢自由扩散普通天然气主要成分为甲烷，高含硫天然气与普通天然气的区别在于其含有大量的硫化氢重气。图2 “一”表示气体向下流动 中给出了纯甲烷与纯硫化氢自由扩散时的速度分布。从图2 a 可以看出，无论计算区域选多高，甲烷总能到达计算区域的顶部，这是因为甲烷的密度小于空气，所以即使最后初始动量由于沿程卷吸静止空气而逐渐减弱殆尽，但由于浮力作用，它也会不断上升。由图2 b 可见，硫化氢喷出一段距离后，在约10 0 0m 高的地方其动量变为零。硫化氢的密度大于空气，属于重气，受逆向浮力影响，气云沉降，到达地面后，沿地表 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第3 2 卷第2 期 ．于洪喜，等高含硫天然气集输管道泄漏扩散数值模拟 1 2 1 扩展，形成卷积，特征表现为烟云高度低，近地的横 向污染距离大，增加了抢险救灾工作的难度。从以 水平距离L ／I a 甲烷 上扩散规律可以预计，当天然气中混含较多硫化氢 时将对扩散带来重要影响，导致近地危险区域加大。 水平距离L ／I b 硫化氢 图2自由扩散条件下甲烷和硫化氢速度 m ／s 分布 2 ．3 ．2 风速对高含硫天然气扩散的影响 一般来说，当天然气中硫化氢含量高于5 ％时 就可称为高含硫天然气【8 ] ，计算中选取硫化氢浓度 为5 ％。 ．在野外，风是随着海拔高度抬升而增大的。为 了反映海拔高度的影响，一些文献分析了山区风速 与海拔高度的关系，并给出了关系式p ．1 0 ] 。李兆元、 傅抱璞选取了全国1 6 个附近有平地观测站作对比 的山顶观测站的风速资料，求出山顶风速珏与山 下平地风速“。的比值旦与二者相对高度差h 的关 “O 系，得到 旦口一b e m ． M O 式中的口，b ，C 三个经验常数在不同山区，受地形、气 候等因素的影响而有所不同2 | 。现选取较为常见 地形条件下a ，b ，C 的值，得到下式 “u 。 3 6 2 2 e x p 一O 0 0 1 1 3 h 3 图3 是根据式 3 ，并假定“。为7m ／s ，编程得 到的海拔高度与风速的函数曲线。从图3 中可看 出，靠近地面的风速低，越靠近高空风速越大。并根 据这个公式，编一个U D F u s e rd e f i n e df u n c t i o n 软 件，导人F L U E N T ，作为风速影响的边界条件。 管道发生破裂，管道泄漏监测系统能够很快察 觉，并紧急关闭阀门。图4 中给出了管道发生破裂 2m i n 后的泄漏气体速度分布。 由图4 可以看到，在约2 0m 高度以内，高含硫天 然气扩散近似自由射流，这是因为泄漏口附近气体泄 漏速度很大，环境风速对其影响相对很小。随着高度 的增加，速度等值线向下，风向偏移越来越明显。 昏 k 目 j 篇 匿 海拔高度t ／／R 图3 海拔高度与风速的函数曲线 图4 有风影响下气体速度 m ／s 分布 图5 为有风速影响下甲烷和硫化氢的浓度分 布。浓度等值线在气体出口附近比较密集，运动到 一定高度后，变得较为稀疏。其原因是泄漏口处气 体携带的动能很大，环境风的冲量对其影响不大，随 着高度的增加，气体动量逐渐减小后，环境风的冲量 作用逐渐明显，浓度等值线变得稀疏。由于甲烷的 爆炸浓度为5 ％～1 5 ％ 体积比 ，由图5 a 可看 出，甲烷的爆炸危险范围为下风向1 5 0 2 9 0m 。从 图5 b 可以看出，越接近地面，其浓度越大，垂直方 向高度越高，其浓度越小。硫化氢对现场的危害主 万方数据 1 2 2 中国石油大学学报 自然科学版2 0 0 8 年4 月要体现在其对人体有毒害作用，空气中硫化氢体积分数为6 ．5 1 0 ～，数秒即可使人出现急性中毒症状。因此其中毒范围为0 2 7 0m 。可见，环境风对气体浓度的偏移作用随着海拔的升高而增大。星键盈硼翻重逝世删蜊水平距离L ／m水平距禹L ／m b 硫化氢图5 有风速影响下甲烷和硫化氢浓度 体积分数 分布2 ．3 ．3 地形对甲烷、硫化氢扩散的影响以山顶地形为例，分析地形对扩散的影响，假设山高为i 0 0m ，数值模拟结果见图6 。图6 含硫天然气有风影晌时山顶地形条件下气体速度 m ／s 分布从图6 可以看出，山顶地形条件对天然气泄漏扩散的影响不大，其基本的扩散规律与平地地形条件下一致。甲烷和硫化氢的扩散见图7 。由图7 a 可见，甲烷的爆炸危险区域为下风向0 ～2 0 0m ，由于泄漏口位于山顶，所以其爆炸危险区域要高于平地，基本都在5 0m 以上。由图7 b 可见，硫化氢重气贴地降沉的影响致使下风侧硫化氢近地面处浓度较高，其中毒危险区域为0 ～6 5 0m 。对于山谷地形条件，由于硫化氢沉积在山谷间得不到稀释，不利于天然气的扩散。暑毫艟鲤矧崩毒镌越硼瑚图7 含硫天然气有风速影响时山顶地形条件下甲烷和硫化氢浓度 体积分数 分布3结论 1 甲烷受浮力作用，不断地往上扩散；硫化氢扩散时烟云高度降低，横向污染距离大，增加抢险救灾的难度。 2 对于平原地区，高含硫天然气在有风作用时，低空扩散受风速影响很小，随着高度增加，受风速影响加大，并且下风向的浓度及危险范围要远大于上风向。压力为3 ．5M P a 、含硫化氢5 ％的高压天然气管道断裂泄漏2m i n 后，在环境风速影响下爆炸危险范围为下风向1 5 0 2 9 0m ，中毒范围为0 - 2 7 0m 。 3 山顶地形条件下的扩散规律与平地类似，山谷地形条件下硫化氢将发生沉积而不利于扩散。参考文献[ 1 ]肖建兰，吕保和，王明贤，等．气体管道泄漏模型研究进展[ J ] ．煤气与热力，2 0 0 6 ，2 6 2 7 - 9 ．X I A OJ i a n - l a n ，L t B a o h e ，W A N GM i n g - x i a n ，e ta 1 ．S t u d yp r o g r e s so nl e a k a g em o d e lf o rg a sp i p e l i n e [ J ] ．G a s H e a t ，2 0 0 6 ，2 6 2 7 - 9 ．[ 2 ]B E R K O W I C ZR ．M o d e l l i n gs t r e e tc a n y o np o l l u t i o n m o d -e lr e q u i r e m e n t sa n de x p e c t a t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n ta n dP o l l u t i o n 。1 9 9 7 ，8 3 6 0 9 - 6 1 9 ．[ 3 ]李又绿，姚安林，李永杰．天然气管道泄漏扩散模型研究[ J ] ．天然气工业，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 2 1 0 4 ．L IY o u - l i t ，Y A OA n ．1 i n ，L IY o n g - j i e ．S t u d yo nd i f f u s i o no fg a sp i p e l i n el e a k i n g [ J ] ．N a t u r a lG a sI n d u s t r y ，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 2 ．1 0 4 ． 下转第1 3 1 页 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 ，第3 2 卷第2 期袁起民，等镧改性对催化裂化催化剂物化性能及抗氮性能的影响 [ 9 ] R I T r E RRE ，H E N D E R S O NDS ．C a t a l y t i cc r a c k i n go f n i t r o g e np a s s i v a t i n gc o m p o u n d [ J ] ．A p p l i e dC a t a l y s i s h y d r o c a r b o n s U S ，4 3 9 0 4 1 6 [ P ] ．1 9 8 3 - 0 6 - 2 8 ．A G e n e r a l ，1 9 9 2 ，8 4 5 3 1 舶． [ 1 0 ] A I T K E NE ，O C C E L L IM Le r o c e s sf o rc r a c k i n gn i t r o g e n - [ 1 7 ] C O R M AA ，M O C H O L IFA ．A c t i v ec o m p o n e n tf o rt h e c o n t a i n i n gf e e d s t o c k s U S ，4 7 3 1 1 7 4 [ P ] ．1 9 8 8 - 0 3 1 5 ．c a p t u r eo fb a s i cn i t r o g e ni nc a t a l y t i cc r a c k i n gc a t a l y s t s [ 11 ] S C H E R Z E RJ ，M C A R T H U RDP ．T e s t ss h o we f f e c t so f F C C U S ，5 4 9 2 8 7 4 [ P ] ．1 9 9 6 - 0 2 - 2 0 ． n i t r o g e nc o m p o u n d so nc o m m e r c i a lf l u i dc a tc r a c k i n g[ 1 8 ] S C H E R Z E RJ ．P r o c e s sf o r t h ec a t a l y t i cc r a c k i n go ff e e d - c a t a l y s t s [ J ] ．O i l G a sJ o u r n a l ，1 9 8 6 ，8 4 4 3 7 6 - 8 2 ． s t o c k sc o n t a i n i n gh i g hl e v e l so fn i t r o g e n E P ，0 2 9 2 1 1 4 ， [ 1 2 ] F UCM ，S C H A F F E RAM ．E f f e c to fn i t r o g e nc o r n ． [ P ] ．1 9 8 8 ．1 l - 2 3 ． p o u n d so nc r a c k i n gc a t a l y s t s [ J ] ．I n d u s t r i a l E n g i 一[ 1 9 ] 许明德，钟孝湘，范中碧，等．催化裂化抗氮剂的探 n e e r i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h ，1 9 8 5 ，2 4 1 6 8 - 7 5 ．讨[ J ] ．石油炼制，1 9 9 3 ，2 4 4 3 4 - 3 9 ． [ 1 3 ] H OTC ，K A T R I T Z K YAR ，C A T OSJ ．E f f e c to fn i t r o g e n X UM i n g d e ，Z H O N GX i a o r x i a n g ，F A NZ h o n g b i ，e t c o m p o u n d so nc r a c k i n gc a t a l y s t s [ J ] ．I n d u s t r i a l E 唔- a 1 ．E l e m e n ts t u d i e so fF C Cn i t r o g e nr e s i s t a n tc a t a l y s t s n e e r i n gc h e r I 】i s 何R e s e a r c h ，1 9 9 2 ，3 1 7 1 5 8 9 - 1 5 9 7 ．[ J ] ．P e t r o l e u mP r o c e s s ，1 9 9 3 ，2 4 4 3 4 3 9 ． [ 1 4 ] S C H E R Z E RJ ，M C A R T H U RDP ．C a t a l y t i cc r a c k i n go f [ 2 0 ]张瑞驰，施文元．催化裂化吸附转化加工焦化蜡油 h i g h - n i t r o g e np e t r o l e u mf e e d s t o c k s e f f e c t o fc a t a l y s t工艺的研究与开发[ J ] ．石油炼制与化工，1 9 9 8 ，2 9 c o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e s [ J ] ．I n d u s t r i a l ＆E n g i n e e r - 11 2 2 - 2 7 ． i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h ，1 9 8 8 ，2 7 9 15 7 1 - 15 7 6 ． Z H A N GR u i - c h i 。S H IW e n - y u a n ．D e n i t r i f i e dc a t a l y t i c [ 1 5 ] Y O U N G GW ．F l u i dc a t a l y t i cc r a c k e rc a t a l y s td e s i g nf o r c r a c k i n g D N C C t e c h n o l o g yf o rc o k i n gg a t c hp r o c e s s n i t r o g e nt o l e r a n c e [ J ] ．J o u r n a lo ft h eP h y s i c a lC h e m i s i n g [ J ] ．P e t r o l e u mP r o c e s s i n g a n dP e t r o c h e m i c a l s ， t r y ，1 9 8 6 ，9 0 2 0 4 8 9 4 - 4 9 0 0 ．1 9 9 8 ，2 9 1 1 2 2 - 2 7 ． [ 1 6 ] C O R M AA ，M O C H O L IFA ．N e ws i l i c a a l u m i n a m a g - 编辑刘为清 n e s i aF C Ca c t i v em a t r i xa n di t sp o s s i b i l i t i e s 鹬ab a s i c 上接第1 2 2 页 [ 4 ]钱新明，冯长根．易燃易爆危险物质泄漏扩散仿真及 其应用的研究[ J ] ．中国安全科学学报，1 9 9 7 ，7 3 3 0 ．3 3 ． Q I A NX i n m i n g ，F E N GC h a n g g e n ．S t u d yo ns i m u l a t i o n a n da p p l i c a t i o no ft h er e l e a s ea n dd i s p e r s i o no ff l a m m a b l e a n de x p l o s i v em a t e r i a l s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aS a f e t yS c i - e n c e ，1 9 9 7 ，7 3 3 0 - 3 3 ． [ 5 ] P A T R I C KR a m b a n d ．N u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm o d e l ． i n go fp o l l u t a n td i s p e r s i o ni nas t r e e tc a n y o n [ J ] ．W i n d E n g i n e e r i n ga n dI n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s ，2 0 0 2 ，9 0 3 2 1 3 3 9 ． [ 6 ] 赵焕卿，李增亮，孙浩玉．井下旋流油气分离器流场数 值模拟[ J ] ．中国石油大学学报自然科学版，2 0 0 7 ，3 1 4 9 5 - 9 7 ． Z H A OH u a n q i n g ，L IZ e n g l i a n g ，S U NH a o - 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