架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究.pdf

第 4 0卷第 1 O期 2 0 1 1年 1 0月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 0，N o ． 1 0 O c t ob er ，2 0 1 l 架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究 付吉强 ，熊新强 ，王 芸 ，杨志超 ，程 磊 1 ． 中国石油工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 0 6 2 5 5 2 2 ．中石化胜利石油有限公司现河采油厂采油二矿王岗联合站 ，山东 东营 2 5 7 0 0 0 摘 要建立了架空管道泄漏扩散过程控制方程，并对架空管道发生穿孑 L 时的稳定泄漏和非稳定泄漏过程 进行数值模拟，分析了泄漏V I 流速， 及风速对气体扩散规律的影响，并给出了不同工况下甲烷的爆炸极限范围 及硫化氢中毒范围，确定了实施营救的最佳时间。 关键词天然气；管道；泄漏 ；数值模拟 中图分类号T Q 0 1 9 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 1 1 0 1 0 7 9 0 5 Num e r i c a l Si mul a t i o n o f Le a ka g e a n d Di f f us i o n 0 f ove r he a d S o ur Ga s Pi pe l i ne s F U J i ． q i a n g 1 ， Xl oNGXi n q i a n g 1 ， WANG Y u n L ，Y A NG Z h i ． c h a o 1 ，C HE NG Le i 1 ． Ch i n a P e r t o l e u m En g i n e e r i n g No r t h Ch i n a Co mp a n y , He b e i Re n q i u 0 6 2 5 5 2 ． C h i n a ； 2 ． S i n o p e c S h e n g l i Oi l fie l d L i mi t e d Co mp a n y Xi a n h e Oi l P r o d u c t i o n P l a n t ， S h a n d o n g Do n g y i n g 2 5 7 0 0 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t A l e a k a g e a n d d i ff u s i o n e q u a t i o n o f o v e r h e a d p i p e l i n e s wa s e s t a b l i s h e d ， a n d s t a b l e a n d u n s t a b l e l e a k a g e p r o c e s s e s wh e n g a s p i p e l i n e p e r f o r a t e d we r e s i mu l a t e d ． Th e flo w r a t e o f l e a k a g e wa s a n a l y z e d a s we l l a s e ffe c t o f wi n d s p e e d o n t h e g a s d i ffu s i o n ． Th e e x p l o s i o n l i mi t o f me t h a n e a n d p o i s o n r a n g e o f h y d r o g e n s u l fi d e u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s we r e g i v e n ． wh i c h i s b e n e fi c i a l t o d e t e r m i n e t h e o p t i ma l t i me t o i mp l e me n t r e s c u e ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ； P i p e ； L e a k a g e ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 管线腐蚀穿孑 L 是天然气管道泄漏最常见的工况 之一。原因在于管线外部常使用多孔易吸水的保温 材料，致使水分与钢管进行长期电化学作用，表面 出现锈蚀 。加之天然气成分中含有少量 的硫化氢和 水蒸气，造成管道内壁化学腐蚀。长期的内外腐蚀 使管壁变薄不能承受管内的高压作用而出现穿孔泄 漏 卜 。 本章主要以含硫天然气管道为例 ，对短时稳定 泄漏及切断气源的非稳定泄漏过程进行数值计算， 分析 了地表风速 ，管内压力对扩散过程的影响 ，通 过数值计算，得出模拟区域内天然气云团的扩散特 性。对有效预测出甲烷爆炸危险区及硫化氢中毒危 险区域范围应对方案提出了理论依据。 1 架空输气管道稳定泄漏数学模型 输气管道泄漏后 ，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 模型 。 其控 制方程可以给出一个统一的表达式 0 d i v d i v F g r a d 1 f 其中 一变通变量； 厂一扩散系数； 一 速度 矢量 ； 一 源项 。 注意这里的 厂和 是对应特定 的变量 来 说 的 在通用的上面公式 中，从左到右 的 4项分别 是时间项 、对流项 、扩散项和源项 。将 驭为不同 的变量，并取扩散系数和源项为适当的表达式，就 可以得到，对应着连续方程、 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，具体如表 1 嘲 。 表中F ，F 一 x ，Y方向上的质量力分量； 一 动力粘性系数； P 一压力 ； P 一密度； J p一湍动能生成项； ， 涡粘性系数； 一 温度； ， ，O - ， 。 和 C 一湍流模型经验系数。需要 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 1 7 作者简介 付吉强 1 9 8 7 一 ，男 ，黑龙江牡丹江人，助理工程师，硕士研究生，2 0 1 1年毕业于辽 宁石油化工大学油气储运工程专业，研究方 向天然气管道泄漏数值模拟。E - m a i l f j q i 2 7 I 2 6 ．c o rn 。 第 4 0 卷第 1 O期 付吉强，等架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究 1 0 8 3 上接 第 1 0 7 2页 [ 6 ]霍猛． 生物制乙烯技术浅析阴．化工进展，2 0 0 9 0 9 4 8 4 9 ． [ 7 J龚林军，韩超，谭天伟． 乙醇制备乙烯的研究f J 1 l现代化工，2 0 0 6 ，2 6 4 4 4 4 7 ． [ 8 ]黄英 明，李恒，黄鑫江，胡耀池． 生物乙烯研究进展f J 】 ． 生物加工过 程 2 0 0 8 0 1 ． [ 9 】高滋 ，何 明元，戴逸云． 沸石催化与分离技术[ MI ． 北京 中国石化出 版社 ，1 9 9 9 ． [ 1 0 ]B r e e n J P ， B u r c h R ，C o l e m a n H M．Me t a l c a t a l y s e d s t e a m r e a r m i n g o f e t h a n o l i n t h e p r o d u c t i o n o f h y d r o g e n f o r f u e l c e l l a p p l i c a t i o n s [ J ] ． A p p l i e d C a t a l y s i s BEn v i r o n me n t a l ，2 叭0 3 9 6 9 7 7 ． [ 1 1 ] B a t i s t a M S ， S a n t o s R K S ， A s s a f E M． C h a r a c t e r i z a t i 0 n o f t h e a c t i v i t y a n d s t a b i l i t y o f s u p p o r t e d c o b a l t c a t a l y s t s for t h e s t e a m r e for mi n g o f e t h a n o l 『 J I． J o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s ， 2 0 0 3 2 4 9 9 - 1 0 3 ． 【 1 2 ] H a w y S A ，Mo h a me d M A．T h e e f f e c t o f d i f f e r e n t Z n O p r e c u r s o r s o n t h e c a t a l y t i c d e c o m p o s i t i o n o t e t h a n o l [ J ] ．J o u r n a l o f M o l e c u l a r C a t a l y s i s A C h e mi c a l ， 2 0 0 5 ， 9 8 6 3 6 8 ． [ 1 3 ]顾 志华． 乙醇制 乙烯技术现状与展望『 J 】． 化工进展 ，2 0 0 6 ，2 5 8 8 4 7 8 51 ． [ 1 5 ]潘锋 ， 吴玉龙 ， 张建安 ， 童军茂．生物发酵乙醇催化脱水制乙烯发展 状况【 J I．现代化工 ，2 0 0 6 1 0 ． 2 0 1 2年 化工机械征订启事 化工机械是国内外公开发行的中央级化工机械专业技术刊物，由天华化工机械及 自动化研究设计 院 原化工部化工机械研 究院与 中国化工学会化工机械专业委员会合办 。 化工机械 主要报道化工机 器、化学工程及设备，化工材料及防腐蚀 的科技成果、适用技术、革新经验和科技信息，可供从事科研、 设计生产和教学工作者参考 。 化工机械创刊于 1 9 7 4年，3 0余年 的风雨历程使本刊成为化工期刊 中发行 量最大、影响面最广的刊物之一 。继 已多次荣获国家、部省级奖励后，2 0 0 4年入选中国科技核心期刊 科 技部 ，2 0 0 5年获 “ 第三届国家期刊奖百种重点期刊”称号 ，2 0 0 8年又获甘肃省优秀期刊奖。 化工机械为双月刊， 大 1 6开本 ，逢双月 2 0日出版，单价 1 5 ． 0 0元，全年 9 0 ． 0 0元，全 国各地邮 局均可订阅，邮发代号 5 4 ～2 2 。漏订读者可汇款到编辑部补订。 本刊承接彩色、黑 白广告业务，愿热忱为国内外企业服务 ，宣传企业形象，推广产 品技术。 地址兰州西固合水北路 3号 电话 0 9 3 1 7 3 1 1 0 7 3 E - m a i l h g j x c h e m a c h ． c o m h t t p 邮编 7 3 0 0 6 0 传真 f 0 9 3 1 7 3 1 1 0 7 3 ／ ／ h g j x ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n