高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟.pdf

第 5卷第 6期 2 0 0 9年 1 2月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u r n a l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 5 No ． 6 De c ． 2 0 0 9 文章编号 1 6 7 31 9 3 X 2 0 0 9 一 0 6 0 0 1 1 0 5 高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟 董 刚 ， 唐维维 ， 杜 春。 ， 杨君涛4 ， 于彦飞4 1 ． 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室， 南京2 1 0 0 9 4 2 ． 南京理工大学化 工学院 ， 南京2 1 0 0 9 4 3 ． 上海天然气管网有限公司， 上海2 0 1 2 0 4 4 ． 公安部上海消防研究所， 上海2 0 0 4 3 8 摘要 采用 C F D模型的方法对高压管道内的天然气泄漏和扩散过程进行了数值模拟。其结果表 明， 从高压管道泄出的天然气在大气 中主要表现为高速射流的泄漏过程和随后的扩散过程。在泄 漏过程中， 天然气在泄漏口附近为欠膨胀射流 ， 整个泄漏过程具有一定的高度； 在扩散过程中， 天 然气在浮力作用下以向上扩散的形式发展。研究了不同环境风速对扩散过程的影响， 较大的风速 可以使天然气向下风方向更远的距离扩散 ， 从而增大了天然气爆炸危险浓度的范围。研究结果可 为泄漏现场人员疏散和安全技术管理提供有效依据。 关键词 泄漏扩散， 天然气， 高压管道 ， 数值模拟 中图分类号 T Q 0 2 文献标识码 A Nume r i c a l s i mul a t i o n s o f r e l e a s e a nd d i s pe r s i o n pr o c e s s f r o m hi g h- pr e s s ur e n a t ur a l g a s p i p e l i ne DONG Ga n g 。 ，T ANG W e i ． w e i ，DU C h u n ，YANG J u n t a o ，YU Ya n ． hi 1 ． N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n B a l l i s t i c s ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a 2 ． S c h o o l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， N anj i n g 2 1 0 0 9 4， C h i n a 3 ． S h a n g h a i N a t u r a l G a s P i p e l i n e N e t w o r k C o m p a n y ，L t d ． ， S h a n g h a i 2 0 1 2 04 ， C h i n a 4 ． S h a n g h a i F i r e R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 8 ， C h i n a Abs t r a c t Th e n u me ric a l s i mu l a t i o n s o f r e l e a s e a n d di s pe r s i o n f o r na t u r a l g a s f r o m h i g h-- p r e s s u r e p i p e l i n e we r e p e r - f o r me d b y u s i n g CF D mo d e l i ng ．Th e r e s u l t s s ho w t h a t t h e g a s flo w v e n t e d f r o m h i g h pr e s s u r e i n c l u de s h i g h s p e e d j e t p r o c e s s a n d s u b s e q u e n t d i s p e r s i o n p r o c e s s ．F o r t h e j e t p r o c e s s ， a n u n d e r e x p a n s i o n j e t o c c u r s n e a r t h e r e l e a s e h o l e ， t h e w h o l e j e t ma i n t a i n s t h e c o n s i d e r a b l e h e i g h t ．F o r t h e d i s p e r s i o n p r o c e s s ， t h e g a s d i s p e r s e s u p w a r d d u e t o t h e b u o y a n c y e f f e c t ．T h e e f f e c t o f w i n d s p e e d o n t h e n a t u r a l g a s d i s p e r s i o n wa s e x a mi n e d，i t i s s h o wn t h a t t h e h i g h - e r wi n d s pe e d c a n t r a n s p o r t t h e g a s f a rth e r a l o n g t h e d o wn wi nd d i r e c t i o n a n d i n c r e a s e t h e h a z a r do us r e g i o n o f e x p l o s i o n c o nc e n t r a t i o n l i mi t ． T he s t u d i e s c a n pr o v i d e t h e a v a i l a b l e f o u nd a t i o n for t h e p e o p l e e v a c u a t i o n a n d t h e s a f e t y ma n a g e me n t i n t h e s c e n e o f n a t u r a l g a s r e l e a s e． Ke y wo r d s r e l e a s e a n d d i f f u s i o n；n a t u r a l g a s ；h i g h p r e s s u r e p i p e l i n e ；n u me ri c a l s i mu l a t i o n 收 稿 日期 1 2 0 0 9 - 0 9 - 1 0 作者简介 董刚， 男， 研究员 ， 博士。 基金项 目 上海市科学技术委员会资助项目 编号 0 8 2 5 1 2 0 2 8 0 2 1 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 5卷 1 引言 天然气是重要 的工业和民用燃料 ， 由于天然气 “ 西气东输” 的需要 ， 其运输和存储过程也变得越来 越重要。城市中天然气的加工和使用往往通过高压 管 网进行运输 ， 一旦发生泄漏 、 扩散并遇到火源 ， 则 可能发生爆炸， 给人们生命财产带来极大损失 。因 此 ， 对高压管道中天然气泄漏和扩散过程进行有效 预测 ， 就可以对泄漏 事故现场人员的紧急疏散提供 宝贵数据， 对科学减灾决策和城市消防安全管理起 到重要的技术保证。 危险源泄漏和扩散过程的模拟预测通常可以采 用经验模型、 半经验模型和 C F D 计算 流体力学 模 型进行 。常见的经验模型包括 G u a s s i a n扩散模型和 S u t t o n扩散模型， 这类模 型由于计算简单而得到 了 广泛应用 ， 但仅适用于低 动量泄漏和扩散过程 的模 拟。半经验模型则通过一 一 定的动量和质量等守恒条 件再加上部分经验参数对危险源的泄漏扩散过程进 行模 拟， 典 型 的模 型 如 O o m 的 烟 羽 路 径 模 型 P ⋯及其改进 的重气扩散模 型 J 、 J o和 A h n 的射流扩散模型 等。这类模型考虑 了危险源泄 漏的高初速或高压力 特征 ， 为准确预测随后 的扩散 过程提供了更为真实的条件 ， 并发展 了相关 的计算 软件包， 如 D E G A D I S 【 5 和 S L A B _ 6 等。尽管如此 ， 目 前依赖于经验或半经验的模型仍然存在许多不足 ， 因此， 基于 C F D模型的危险源泄漏和扩散过程 近年 来得到了较 多应用 。但需要指 出的是 ， 高压管 道的泄漏是一个变压力和变密度的高速射 流过程 ， 一 些 C F D的模拟并没有很好地体现这一过程 ， 故影 响到了对随后扩散过程的准确预测 ， 因此 ， 相关研究 仍需要进一步开展。 本文采用 C F D方法对城市天然气高压管 网中 高压管道的泄漏和扩散 过程进行了数值模拟 ， 研究 了管道泄漏口附近的射流泄漏过程 ， 并考察 了不 同 风速条件对天然气泄漏和扩散过程的影响。 2数学模型 高压管道 内天然气的泄漏和扩散是一个复杂的 过程 ， 其过程包括四个 阶段 ， 如图 l中 I一Ⅳ所示 ， 其中， 管道轴线上 1点为参考点 ， 2点为泄漏 口对应 的轴线上状态点， 3点为泄漏 [ j 。 图 1 高压管道流动及泄漏扩散过程示意图 过程 I 1 点到 2点 为管道内的摩擦流动 ， 由于 管壁的摩擦作用 ， 流动过程为不可逆过程 ， 天然气 由 l 点到 2点 的总温和总压有所下 降。过程 Ⅱ 2点 到 3点 由于泄漏 口外为环境压力 ， 天然气迅速泄 出， 可以近似为绝热 和不可逆的等熵过程。根据等 熵流动的关系式 ， 可 以得 到状态点 2和 3之 间的温 度和压力关系式 P P 3 - M a ， 一 M a 1 式 中， P和 分别代表压力和温度 ， 下标数字代 表图 1中 的状态 点； Ma代表 泄漏 El处流 动 Ma c h 数 ， Mau ／ c ， 为天然气流动速度 ， C为天然气在泄 漏 口处的声速 ； 为天然气绝热指数。由于高压管 网的管道内压力较高 通常大于 1 Mp a ， 即， 满足如 下关系式 P 0 ／ P 23 s 后， 天然气扩散 已超 过 2 0 0 m的高度 ， 其爆炸危险浓度的范围也逐渐扩大。 图4的结果还表明， 在天然气泄漏 和扩散的过程 中， 其泄漏形成的射流高度始终保持在泄漏 口以上 5 0 m 左右 ， 并不随时间发生明显变化 ， 只是在湍流的作用 下在射流区末端受到一定的扰动。 图 4 无风条件下 ， 天然气泄漏和扩散的体积 分数分布图 等值线范围0 ． 0 5～1 ． O O ， 间隔0 ． 0 5 为研究环境风速对天然气泄漏扩散过程的影响， 图5和图6分别给出了风速为 2 ． O m ／ s和 1 0 ． O m ／ s的 条件下天然气扩散浓度和速度场的分布。可以看出， 在有环境风速的条件下， 管道泄漏 口上方仍存在一定 高度的高速射流区域， 但和无风条件下 见图 4 的相 比， 其射流高度有所降低。图5 a 的结果显示， 当环境 风速较小时 2 ． O m ／ s ， 它对天然气扩散过程影响不大， 到 t 5 0 s 时， 其爆炸危险下限浓度的扩散在下风方向 是以涡旋形式存在的， 水平方向最远距离约为3 8 5 m， 距 地面最小高度约为2 0 m， 表明在 3 8 5 m和 Y 2 0 m的 范围内为安全区域。图 5 b 的速度分布也表明， 风速 对天然气射流速度的影响很小， 整个流场只在 4 0 0 m 的区域受天然气射流泄漏过程的控制。当环境风速较 大时 1 0 ． O m ／ s ， 图 6 a 显示天然气明显受环境风速 影响而向下风方向扩散， 在 t 5 0 s 的相同时刻， 天然气 的爆炸危险下限浓度水平方向最远距离约为 9 3 5 m， 并 在 3 0 0～ 7 0 0 m的范围内到达地面附近 ， 这表明， 当 环境风速增加后， 下风方向的危险区域有明显扩大。 图6 b 的速度分布表明， 当环境风速较大时， 除天然气 的高速射流控制了 6 0 0 m的区域 ， 也存在较大速度分布的区域 ， 这主要是 由于天然气高速射流形成的湍流涡旋在环境风速的作 用下向下游推移造成的， 正是这样的湍流涡旋， 带动了 天然气向更远的下游方向进行扩散。 x ／ m a 体积分数分布 x ／ m b 速度分布 图5 U 2 ． O m／ s 风速下， 天然气泄漏和 扩散的浓度和速度分布 ， t 5 0 s O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 x ／ m a 体积分数分布 x ／ m C o 速度分布 图 6 U 1 0 ． O m／ s 风速 下， 天然气泄漏和扩散的 浓 度和速度 分布 。 t 5 0 s 一 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第 6期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 1 5 图 7给出了天然气爆炸危险下 限浓度 体积分 数 0 ． 0 5 随着时间向下风方向扩散 的水平距离的变 化规律 。可 以看到 ， 不 同风速 的水平扩散距离在扩 散初始阶段 t 1 0 S 后， 风速大小对天然气扩散的 影响变得显 著起来 。当风 速为 2 ． 0 m ／ s时 ， 天然气 向下风方 向扩 散较慢 ， 在 本文 计算 的时 间范 围 内 6 0 s ， 其爆炸危险下限浓度仅向下风水平方向扩 散不到 3 0 0 m； 而当风速为 1 0 ． 0 m ／ s 时 ， 在 6 0 s内， 天 然气 的爆 炸 危 险下 限浓 度则 向下 风方 向扩 散 至 l O 0 0 m处。这一结果表 明， 较 高的环境风速可 以显 著增加天然气扩散的危险区域范围。 图 7 天然气爆炸危险下限浓度 体积分数 0 ． 0 5 水 平扩 散范围随时问的变化 曲线 4结论 本文采用 C F D方法对 高压管道 中天然气泄漏 扩散过程进行 了数值模拟 ， 得出如下结论 1 高压管道 内的天然气泄漏表现为具有一定 高度的超声速欠膨胀射流方式， 由于管内外较大压 力差的作用 ， 射流初始段存在激波和膨胀波交替出 现的现象 ， 这对天然气 的泄漏速率 以及随后的扩散 过程有显著影响。 2 天然气在大气浮力的作用下， 在扩散阶段 主要在表现为上升扩散方式 ， 且随着时问的进行 ， 其 浓度逐渐降低， 向上扩散的范围也逐渐扩大。 3 风速对天然气 的扩散过程有显 著影响 ， 当 环境风速较小时， 天然气 向下风方 向扩散范围较小 ， 更多地表现为浮力作用下的上升扩散； 当环境风速 较大时 ， 天然气向下风方向扩散范 围显著增加 ， 且危 险浓度更加接近地 面。 参考文献 [ 1 ] O o m s G ．A n e w me t h o d f o r t h e c a l c u l a t i o n o f t h e p l u me p a t h o f g a s e s e mi t t e d b y a s t a c k [ J ] ．A t mo s p h e ri c E n v i ron me n t ， 1 9 7 2， 6 8 9 99 0 9． [ 2] O o m s G，D u i j m N J ．D i s p e r s i o n o f s t a c k p l u m e h e a v i e r t h a n a i r [ C ] ．I U T A M S y m．o n A t m o s p h e ri c D i s p e rsi o n o f He a v y Ga s e s a n d S ma l l P a r t i c l e s ， De l f t ， T h e Ne t h e r - l a nd s， 1 98 3． [ 3 ] K h a n F I ，A b b a s i S A．Mo d e l l i n g and c o n t r o l o f t h e d i s p e rsi o n o f h a z a r d o u s h e a v y g ase s [ J ] ．J ． s s P r e v e n t i o n i n the P r o c e s s I n d u s t ri e s ， 1 9 9 9， 1 2 2 3 5～2 4 4 ． [ 4] J o Y - D， A h n B J ．A n a l y s i s o f h a z a r d a r e as 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 ．L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P roc e s s I n d u s t ri e s ， 2 0 0 2， 1 5 1 7 9～1 8 8． [ 5 ] S p i c e r T， H a v e n s J ．U s e r s G u i d e for t h e D E G A D I S 2 ． 1 D e n s i t y G a s D i s p e rsi o n m ode l [ R] ．E n v i ron m e n t a l P r o - t e c t i o n Ag e n c y ， EP A- 4 5 0 ／ 4 - 8 9 - 0 1 9， 1 9 8 9． f 6 ] E r m a k D L ．U s e r ’ 8 G u i d e f o r t h e S L A B A n A t mo s p h e ri c D i s p e r s i o n m o d e l fo r D e n s e r T h a n A i r R e l e a s e [ R] ．U ． S ．L a w r e n c e L i v e r mo r e Na t i o n a l L a b o r a t o r y ， 1 9 9 0 ． [ 7 ] 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[ J ] ． 石油化工高等学校学报， 2 0 0 7 ， 2 0 4 8 l～ 8 4 ． L I U Ya n - l e i ，Z HE NG J i n - y a n g ，L I U Yo n g - z h i ，e t a1． Nume ric a l s i mu l a t i o n o f b a r r i e r i n flu en c e o n di ffu 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 [ J ] ．J o u r n a l o f P e t r o - c h e m i c a l U n i v e rsi t i e s ， 2 0 0 7 ， 2 0 4 8 1～ 8 4 ． [ 8 ] 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 [ J ] ． 太 阳能学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 0 1 2 5 2～ 1 2 5 5 ． L I U Ya n ， l e i ，XU P i n g ，Z HENG J i n y a n g，e t a 1 ．Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n t h e d i s p e rsi o n o f h y d r o g e n a n d n a t u r a l g a s d u e t o h i g h p r e s s u r e d p i p e l i n e l e a k a g e [ J ] ．A c t a E n - e r g i a e S o l a ri s S i n i c a ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 O 1 2 5 2～1 2 5 5 ． [ 9 ] 李振林 ， 姚孝庭， 张永学， 等． 基于 F L U E N T的高含硫 天然气管道泄漏扩散模拟 [ J ] ． 油气储运， 2 0 0 8 ， 2 7 5 3 8～ 4 1 ． LI Zh e n l i n，YAO Xi a o t i n g，ZHANG Yon g x u e，e t a 1 ． N u me ric a l s i mu l a t i o n o f l e a k a g e a n d d i s p e r s i o n o f n a t u r a l g a s c o n t a i n i n g s u l p h u r f r o m p i p e l i n e [ J ] ．O i l a n d G a s S t o r a g e a n d T r a n s p o rt a t i o n ， 2 0 0 8 ， 2 7 5 3 8～ 4 1 [ 1 0] D a n e s h y a r H．O n e - d i m e n s i o n a l c o mp r e s s i b l e f l o w[ M] ． UK，O x f o r d P e r g a mo n P r e s s ， 1 9 7 6 ．