高原城市中压天然气管道泄漏扩散的数值模拟.pdf

第 2 3 卷第 3 期 2 0 1 5年 9 月 北京石油化工学院学报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he m i c a l Te c hn ol o gy Vo I ． 2 3 NO ．3 Se p ．2 01 5 高原城市中压天然气管道泄漏扩散的数值模拟 杨 奇睿 ， 王 岳 ， 邵 慧龙 辽宁石油化工大学石油天然气 工程 学院 ， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要 针对高原城市 中压天然气管道泄漏情况 ， 研究 了多层 、 高层 建筑 物和风速对 天然 气管道泄 漏 和扩散 的影 响， 利用 C F D模 拟计算软件分别对高原气压 下 中压 A、 中压 B天 然气管道 的泄漏 扩散进 行 数值模拟 ， 并得到 了泄漏后 CH 的体积分数分布和危 险区域 。研究 结果表 明 高原城 市 中压 A天然 气 管道泄漏孔处 的质量 流量 与平 原地 区一致 ， 不受气压影 响 ， 高原城市 中压 B天然气管道泄漏 的危 险区域 随 时间的增加保持不变或 变小 。 关键词 高原 中压天然气管道 ；风速 ；高层建筑物 ；数值模拟 中图分 类号 T E 8 8 文献标 志码 A 近几年 ， 天然气以其清洁、 卫生、 环保和方 便等优势正逐渐取代罐装液化气 ， 成为城市居 民的主要生活能源 。高原地区因缺氧、 海拔高 等地理特征 ， 缺乏煤炭 、 石油、 天然气等能源 ， 常 规 能 源短缺 现象 严重 。天 然气 的大 力推 广和 安 全应用将会使高原人民逐步用上更加安全 、 环 保 、 经济的清洁能源口 ] 。城市 中压天然气管道 可分为 A级 管 内压 力在 0 ． 2 MP a P≤0 ． 4 MP a 之 间 ； B级 管 内压 力 在 0 ． 0 1 MP a 声 ≤ 0 ． 2 MPa之 间[ 2 - 3 ] 。 李 朝 阳等 ] 对架 空敷设 和埋 地 敷设 天然 气 管道泄漏的气体运动规律进行了研究 ， 得 出了 泄漏气体的扩散规律 。程猛猛等 对架空天然 气管道的泄漏扩散进行数值模拟， 得出了天然 气管 道不 同泄漏 位 置 的天 然气 泄漏 规律 。秦 政 先 6 对 天 然气管 道 泄漏及 爆炸 进行 了较 为全 面 的二 维 数 值模 拟 研 究 ， 总 结 出天 然 气 扩散 的主 要影响因素。 针对 气压对 不 同压力 等级 城市 天然 气管 道 泄漏 的影 响研 究 较 少 ， 笔 者综 合 考 虑 了气 压 和 建筑物对不同压力等级城市天然气管道泄漏扩 散的影响 ， 计算了在高原气压下不 同压力等级 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 0 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 No ． 7 1 3 7 3 0 0 3 。 作者简介 杨奇 睿 1 9 9 O 一 ， 男 ， 硕 士研究 生 ， 主 要研究 方 向 为油气管道安全 。E ma i l 2 1 4 4 8 0 4 2 7 q q ． c o rn。 的天然气管道泄漏孔处 的质量流量 ， 通过 C F D 模拟计算软件建立了 2种常见的高原城市天然 管 道泄 漏 模 型 ， 得 出了在 高原 气压 下 不 同压 力 等 级 城市 天 然 气 管道 的泄 漏扩 散 规 律 ， 为 高原 城市天然气管道泄漏事故的抢险和救援提供理 论 依据 。 1 模 型的建立 1 ． 1 数学 模型 1 质 量守恒 方程 V 一 0 1 d ‘ 式 中 p为密度 ， k g ／ m。 ； t为时间， s ； 分别为 x、 Y 、 z方 向 的速 度分 量 ， m／ s 。 2 动 量守恒 方程 l D 十 V “ 一 一 V p ,u V Z u 2 式 中 _厂为单位质量力的矢量 ， m／ s ； 为速度 ， m／ s ； 为动力 黏 度 ， P aS ； P为 流 体 微 元 上 的 压 力 ， Pa 。 1 ． 2标准 f ． E的运 输方 程 湍 流脉 动 动能方 程 志方 程 3 k p u 3 k 3 I “ 差 ] ID z “ 十 l十 G G 一 一 Y 3 湍动扩散率方程 ￡ 方程 3 6 北京 石油 化工 学 院学报 2 0 1 5年第 2 3卷 P O k O k 3 I 亳 ] l0 十 z 十 l十 c G cs G 一 c lD 2 4 湍 流 黏 度 一 c 譬 式 中， G 为 平均 速度 梯度 引起 的 湍流 动 能产 生 项 ； G b 为浮力 引起 的 湍流 动 能产 生 项 ； Y 为 可 压缩 湍流 中脉 动扩 张贡献 ； 、 分 别 为 k方 程 和 s方 程 的湍 流 P r a n d t l 数 ； 经 验 常 数 f 一 1 ． 4 4， C 2 一 1 ．9 2， C 3 ￡ 一 0 ． 09， C 4 一 0 ． 08 4 5。 2 模 型建立及参数确定 2 ． 1 模 型 的建 立 模 拟 区域 的物理 模型 如 图 1所示 。 a 多层建筑物模型 b 高层建筑物模 型 图 1 模拟区域的物理模型 在有风情况下 ， 下风 向的城市建筑群 和人 员 密集 区 是 主 要 的 危 险 区 域 ， 故 建 立 二 维 模 型 ] 。由图 1 a 可知 ， 模 型的空 间范 围为 1 5 0 m1 0 0 r n， 两建筑物为多层建筑物 ] ， 两多层 建筑 物 间距为 1 0 m， 多层建 筑 物高 2 0 IT I 、 宽 1 O i n ， 泄漏孔距靠近泄漏孔 的多层 建筑物 3 0 m。 由图 1 b 可知 ， 模型 的空 间范 围为 1 5 0 1T I 1 0 0 I n ， 两 建筑物 分别 为多 层 建筑 和 高层 建 筑 ] ， 两 建筑 物 间距为 2 0 m， 高层建 筑物 高 5 O m、 宽 l 5 m， 泄漏 孔距 多层 建筑 物 3 0 1 T I 。 2 ． 2 参 数确定 及 边界条 件 2 ． 2 ． 1 参数确 定 天然 气 中 C H 、 C 。 H。体 积 分 数 分 别 取 9 9 ． 5 、 0 ． 5 ， 天然气的摩尔质量 为 1 6 ． O 7 g ／ too l ， 密 度 为 0 ． 7 2 k g ／ m。 ， 爆 炸 极 限 为 5 ～ 1 5 。选 取 高原 某 城 市 ， 海 拔 高度 2 0 0 0 13 1 ， 大 气压 强 为 8 O k P a E 9 ； 管道 属 于 中压 天然气 管 道 ， 取管 径 D一2 1 0 mm， 泄 漏 孔 为 圆形 ， 泄 漏 孔 直 径 4 O mm， 泄 漏 孔 处 管 道 中 心压 力 取 中 压 A天 然 气 管 道 0 ． 3 MP a和 中压 B天 然 气 管 道 0 ． 1 MP a ， 环境 温度 及燃 气温 度取 3 0 0 K。 由于 d ／ DO ． 2 ， 故采用小孔泄漏模型计算即认为整 个 泄 漏 过 程 为稳 态 泄漏 口 ， 2个 管道 阀 门之 间 间距 为 1 0 0 0 m， 泄 漏 到 1 2 0 S时 阀 门 自 动 关 闭㈨ 。 厂 r_ 一 k i l Q A P z √ 南 ， P a 南 日 ㈦ G一 7 一 Q t 8 其 中 ， Q 为质 量 流量 ， k g ／ s ； k为 比热 容 ； A 为 泄 漏孔面积， i n 。 ； M 为气体摩尔质量 ， k g ／ mo l ； R 为气体常数 ， R一8 ． 3 1 4 J ／ mo l k ； P 为管道 内压力 ， P a ； P 为大气压 ， 8 0 k P a ； G为质量 流 量 ， k g ／ m s ； T 为 温 度 ， K； p为 密 度 ， k g ／ i n 。 ； t 为 阀门关 闭后 的泄漏 时 间 。 由式 5 、 式 6 、 式 7 计 算 可 知 高原 城 市 中压天然气管道泄漏孔处的质量流量 高原城 市 大气压 强 为 8 0 k P a ， 管道 压 力 为 0 ． 1 MP a时 泄漏， G一4 2 3 k g ／ m。 s ； 高原城市大气压强 为 8 O k P a ， 管 道 压 力 为 0 ． 3 MP a时 泄 漏 ， G一 5 0 7 k g ／ m s 。 整个稳态泄漏过程分为 2部分 一部分 为 管道 阀门截 断 1 2 0 s 之前 ； 另一 部 分 为管 道 阀 门截 断之 后 ， 由于是 ／ b f L 泄漏 ， 故此 部分 的泄 漏 孔处的质量流量与管道阀门截断前保持一致 ， 不发生变化 ， 故 由式 8 可 知， 大气压强 为 8 o k P a ， 管道 压力 为 0 ． 1 MP a情 况下 ， 在 阀 门关 闭 第 3期 杨奇睿等 ．高原城市中压天然气管道泄漏扩散的数值模拟 3 9 中压 B天然 气 管道泄 漏 的危 险 区域 高 为 3 0 m， 水 平扩散 距 离大 于 1 0 0 m， 高原 城 市 中压 A 天 然 气管 道泄 漏 的危 险 区域高 为 4 0 m， 水平 扩撒 距 离大 于 1 0 0 m。下风 向 为多 、 高层 建 筑 物 ， 高 原城市中压 B天然气管道 泄漏 的危 险区域集 中在泄漏孑 L 与高层建筑之 间， 高为 4 0 m， 高原 城 市 中压 A 天 然 气 管 道 泄 漏 的危 险 区 域集 中 在 泄漏 孑 L 和 高 层 建 筑 物 之 间 ， 此 部 分 高 为 4 0 m， 沿高层建筑物壁面向上蔓延部分高度大于 1 0 0 m， 高原城市 中压 B天然气 管道泄漏的危 险 区域 随时 间 的增 加保 持不 变 或变小 。 2 城市建筑物对 C H 的泄漏扩散有重要 影响 ， 近 年来随 着城 市快 速 发 展 ， 兴 建 了越 来 越 多的高层建筑， 高层建筑对 C H 泄漏扩散阻挡 作用相对于多层建筑物较为明显； 泄漏孔和建筑 物迎风面之间 C H 的体积分数相对于建筑物街 谷之间堆积部分 C H 的体积分数高 4 以上。 3 C H 的泄 漏 扩 散 受 风 速 影 响 较 大 ， 在 风 速 影 响下 ， 风 速 可 以 加快 天 然气 向下 风 向的 输 送扩 散 ， 同 时风 速 也 可 以稀 释 泄 漏 的 C H ， 应根据泄漏时的风向情况 ， 在下风向紧急疏散 人 群 ， 设 置警 戒 区 ， 尤 其是 注 意疏散 建筑 物迎 风 面和两 建筑 物之 间形 成街谷 内的人群 。 参考文 献 [ 1 ] 汪开媛 ． 浅谈高原地 区天然气 L NG 的安全 应用 口] ． 中 国 石 油 和 化 工 标 准 与 质 量 ， 2 0 1 3 I 2 5 6 5 7． [ 2 ] 于畅 ， 田贯三 ． 城 市燃气 泄漏 强度计 算模 型 的探 讨[ J ] ． 山东建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 6 5 4 1 5 4 5 ． [ 3 ] 王海华． 城 市中压天然气管 网压 力级制及 管材 的 选择分析[ J ] ． 上海煤气 ， 2 0 0 8 1 1 2 ～ 1 4 ． [ 4 ] 李朝 阳， 马贵 阳． 埋地 与架空 输气 管道 泄漏 数值 模 拟对 比分 析 E J ] ． 天 然 气 工 业 ， 2 0 1 1 ， 3 1 7 9 O 一 9 3． E s ] 程猛猛 ， 赵玲 ， 吴 明 ， 等． 架空 天然气 管道 泄漏 扩 散 数值 模拟 L J ] ． 辽 宁石 油 化工 大 学 学 报 ， 2 0 1 3 3 3 2 3 4 ． [ 6 ] 秦政先． 天然气 管道 泄漏扩散及 爆炸数值 模拟研 究 [ D ] ． 四川 西南石油大学 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ] 朱 红 钧 ， 林 元 华 ， 谢 龙汉． F L UE N T 流体 分析 及 仿 真 实 用 教 程 [ M] ． 北 京 人 民 邮 电 出 版 社 ， 2O1 O 2 53 - 25 7． [ 8 ] 中华人 民共 和 国建设 部． G B 5 0 3 5 2 --2 0 0 5 民用 建 筑 设 计 通 则 [ s ] ．北 京 中 国 建 筑 工 业 出 版 ， 2 0 0 5 ． [ 9 ] 窦植． 海拔 、 气压 、 气温 、 相 对湿 度 与空气 密度 的 关 系及 其影 响 电工产 品之 分级 问题 的探 讨 [ J ] ． 环境技 术 ， 1 9 8 6 4 6 - 1 0 ． [ 1 O ] 崔斌 ， 韦忠 良． 燃气管道 非等温非稳 态泄漏模 型 [ J ] ． 油气储运 ， 2 0 1 0 ， 2 9 1 3 6 3 7 ． [ 1 1 ] 中华人 民共 和 国住 建部． G B 5 0 0 2 8 --2 0 0 6 城 市燃气设 计 规 范 [ s ] ． 北 京 中 国建 筑 工 业 出 社 ， 2 0 0 6 ． Th e Nu me r i c a l S i m u l a t i o n o f t he M e d i u m Pr e s s u r e Ga s Pi p e l i n e Le a k a g e i n Pl a t e a u Ci t y Zo n e s YANG Qi r u i ，W ANG Yu e ，SHAO Hu i l o n g Co l l e ge o f Pe t r o l e u m a n d Na t u r a l Ga s En g i n e e r i n g，Li a o n i n g Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m C h e mi c a l ，Fu s h u n 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t To s ol v e t h e pr o bl e m of me d i um p r e s s ur e n a t ur a l g a s l e a ka g e i n p l a t e a u c i t y z o ne s，t h e i n f l u e n c e o f mu l t i l a y e r ，h i g h r i s e b u i l d i n g s a n d wi n d s p e e d o n t h e l e a k a g e a n d d i f f u s i o n o f g a s pi pe l i n e s i s s t ud i e d ． By us i ng CFD s o f t wa r e t O r e s p e c t i ve l y s i mul a t e t he l e a k a g e a nd di f f u s i o n of m e d i um v o l t a g e A a nd me d i um v ol t a ge B n a t ur a l ga s pi p e l i ne u nd e r t h e pl a t e a u pr e s s u r e， W e l o c a t e t he c on c e nt r a t i on di s t r i but i o n a nd t he d a ng e r ou s r e g i o n of CH4 l e a k a ge ． The r e s e a r c h r e s u l t s s ho w t ha t t he ho l e m a s s f l o w a t t he l e a ka g e o f me d i um v o l t a g e A n a t ur a l g a s pi p e l i n e，l i ke t he pl a i n a r e a， i s f r e e f r o m t he i nf l u e nc e o f pl a t e a u c i t y p r e s s ur e ． W i t h t i me i nc r e a s e s， t he d a n ge r o us l e a ka ge r e g i on of m e di u m vo l t a g e B na t ur a l g a s p i p e l i ne i n p l a t e a u c i t y z o ne s r e m a i ns t he s a m e o r s ma l l e r ． Ke y wo r d s pl a t e a u m e di u m p r e s s ur e ga s pi p e l i ne； t he wi n d s pe e d； hi g h r i s e bu i l di n gs ； t he n l 1 me r i c a 1 s i m I 】 1 a t i o n