架空天然气管道泄漏数值模拟.pdf

第 4 3卷第 4期 2 0 1 4年 4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 ] ． 4 3 ． N 0 ． 4 A p r i ] ．2 Ol 4 架空天然气管道泄漏数值模拟 高 永 强 中石化石油J 二 程设计有限公司， 山东 东营 2 5 7 0 2 6 摘 要以计算流体力学软件为基础 ，利用组分输运模型，建立了天然气泄漏扩散控制方程 ，对高含硫架 空天然气管道泄漏数值模拟，研究稳态泄漏和非稳态泄漏两种情况。分析了风速 、重力、泄漏量 、T况、输送 压力等因素对天然气泄漏后扩散过程的影响，得到了硫化氢在不同工况下的扩散规律及安全区域云图。结合模 拟结果 ，分析了高含硫天然气的泄漏扩散规律，得到了不同风速条件对架空天然气管道泄漏的影响，且其模拟 结果可以为石油天然气行业制定相关应急预案及制定安全规章提供指导意义。 关键词天然气；泄漏；稳态；非稳态；数值模拟 中图分类号T Q 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 4 0 4 0 6 5 5 0 4 Nume r i c a l Si mul a t i o n on Le a k a g e o f Ove r he a d Na t ur a l Ga s Pi pe l i n e GAO Y o n g q i a n g S i n o p e c P e t r o l e u m En g i n e e r i n g De s i g n Co ． ， L t d ． ， S h a n d o n g Do n g y i n g 2 5 7 0 2 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e CF D s o f t wa r e ， ma k i n g u s e o f c o mp o n e n t s t r a n s p o r t mo d e l s ， t h e c o n t r o l e q u a t i o n o f l e a k a g e a n d d i flu s i o n o f n a t u r a l g a s wa s e s t a b l i s h e d ．n u me r i c a l s i mu l a t i o n f o r l e ak a g e o f o v e r h e a d h i g h s u l f u r n a t u r a l g a s p i p e l i n e wa s c a r r i e d o u t ， t wo c o n d i t i o n s i n c l u d i n g s t e a d y s t a t e l e a k a g e a n d u n s t e a d y s t a t e l e a k a g e we r e s t u d i e d ． Eff e c t o f wi n d s p e e d ，g r a v i t y ,l e a k a g e a mo u n t ，wo r k i n g c o n d i t i o n s ， t r a n s p o r t p r e s s u r e a n d o t h e r f a c t o r s o n t h e d i ff u s i o n p r o c e s s o f n a t u r a l g a s a f t e r t h e l e a k a g e wa s a n a l y z e d ， d i ffu s i o n l a w a n d s a f e r e g i o n a l c l o u d o f h y d r o g e n s u l fid e i n d i ffe r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s we r e o b t a i n e d ． Co mb i n e d wi t h t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， t h e d i ffu s i o n l a w o f h i g h s u l fur n a t u r a 1 g a s wa s a n a l y z e d ． a n d e ffe c t o f d i f f e r e n t wi n d s p e e d o n t h e 1 e a k a g e o f n a tur a l g a s wa s o b t a i n e d ． t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s c a n p r o v i d e g u i d a n c e o n f o r mu l a t i n g r e l a t e d e me r g e n c y p l a n a n d s a f e p r a c t i c e f o r o i l a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r y ． Ke y wo r d s Na t u r a 1 g a s ； L e a k a g e ； S t e a d y s t a t e ； Un s t e a d y s t a t e ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 天然气是重要的清洁能源 ，是世界一次能源的 l一大支柱之一 ， 2 0 0 7年天然气 占世界一次能源消费 总量的 2 3 ． 7 6 ％。近年来 ， 在世界石油价格不断攀升 的推动下 ，天然气勘探开发的速度 明显加快 ，其产 量年均增长率为 3 ． 1 ％～ 3 ．4 ％，是石油产量增长率的 3 倍⋯ 。目前 ， 世界管道总长度已超过了铁路总里程 ， 达到 2 3 0多万公里，其中输气管道 占近 6 0 ％ 。 。对 于长距离输送油气 ，管输是最经济最高效的方式 。 但考虑到油气的易爆 、易燃和有毒等特点 ，发生事 故易引起爆炸 ，污染和中毒等严重后果 ，尤其发生 在人 口稠密区 ，同时还会造成恶劣的社会和政治影 响 。所以 ，含硫天然气管道泄漏扩散模拟具有现 实意义 。 1 天然气泄漏扩散理论及硫化氢气体 危害 1 ． 1 天然气泄漏量 孔 口泄漏和裂缝泄漏是天然气管道泄漏主要的 两种方式 ，南于气体具有可压缩性 ，致使管道泄漏 口附近一定范围之内的较长一段时期仍处于高危险 区。泄漏 口大小决定了天然气管道泄漏事故危害等 级 ，在分析过去的事故实例 中发现 ，f l , L 径泄漏事 故 比大孑 L 径泄漏事故发生的概率大得多。对于裂缝 等不规则开孔 的微小泄漏源可将其当量为孔 口出流 情况进行分析【 4 ] 。 假设天然气以小孔 出流方式泄漏 ，且泄漏过程 为绝热扩散过程 ，则伯努利方程和绝热方程可得到 下列计算式 厂厂_ _ 互 T V ／ R r 1 一f 1 l ＼ ／ 。 l L P i j 实际上由于孔 口摩阻损失的存在 ，泄漏速度往 往小于理论值，需要对流速进行修正，故得到的泄 漏速度如下 厂1■ j ／ R T 1 一 f 1 l V ‘ l L P i J 考虑到泄漏孑 L 形态 的多样性 ，这里引入流出系 数 ，对计算公式进行修订 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 1 4 作者简介高永强 1 9 8 1 一 ，男，河北石家庄人 ，研究方向油气储运设计相关工作。E - m a i l g a 0 y o n g q 1 a n g 7 7 1 6 3 ． c o rn 。 化 工 2 0 1 4年 4月 团高度达到 3 0 1 T I 左右 ，向下风侧进一步扩散 、倾 斜 ；当时间达到 1 0 S 时 ，气团高度已经没有明显的 增大了，泄漏天然气进一步向下风侧扩散、 倾斜， 范 围已经超过了 5 0 m。当风速达到 5 m ／ s 时 ，泄漏 时间为 1 S 时，天然气气团扩散高度将近 2 0 1T I ，倾 斜程度相对于风速 2 m／ s时幅度变大；当泄漏时间 为 5 S 时，泄漏气团达到 2 5 ln 左右高度，天然气在 下风侧进一步扩散 、 倾斜 ， 已经超出了 5 0 m的区域 ； 当泄漏时间为 1 0 S 时，气团高度已经没有进一步上 升了 ，而是继续向下风侧飘移 、扩散。有风速时 ， 危险区域主要集 中在近地面下风侧 区域。针对模拟 结果 ，可以看到，若要采取救援 ，在无风时 ，应带 好防毒面具 ，实施近地救援 ；当有风速时，应在上 风侧进行救援 ，以降低危险隐患 。 3 结论与建议 3 ． 1 总结 针对架空含硫天然气管道发生穿孑 L 泄漏 后的 扩散过程进行 系统分析 ，建立了泄漏扩散数学模 型 ，并借助计算流体力学软件进行求解模拟计算 ， 分析 了不 同工况下天然气泄漏扩散规律 ，主要结论 如下 1 系统分析了风速对天然气泄漏扩散的影 响规律，结合多相流体力学、传热学、工程热力学 等相关理论知识 ，建立了架空天然气管道泄漏后扩 散数学模型，应用有限体积法对模型偏微分方程组 离散 、转化为总体有限元方程 ，同时加上边界条件 进行求解方程。 2 利用计算流体力学软件对架空天然气管 道泄漏过程模拟计算，给出了硫化氢质量浓度安全 区域云图，计算结果符合扩散、着火爆炸理论，进 一 步验证 了所建立 的泄漏扩散模型是正确的。 3架空天然气管道泄漏后形成高压射流 ， 进入大气 中开始迅速膨胀 ，浓度和速度逐渐减小 ， 为高速喷射扩散过程 ，且天然气扩散规律受到气候 条件 因素的影响较大。 4影响天然气扩散规律的因素主要包括输 送压力、泄漏速度、风速、周围环境大气温度、管 道沿线地形、泄漏处位置等，不同因素对含硫天然 气扩散影响程度不同。 5 在重力作用下，各个组分会出现分层现 象 ，原因是多组分天然气发生泄漏而扩散时 ，重组 分会发生下沉 ，含硫天然气泄漏后 ，硫化氢气体会 在低洼地区发生沉积，造成人员中毒伤亡，使得危 险性增大。 6 为了有效防止天然气泄漏后引起中毒、 爆炸事故的发生 ，可以通过控制或人为改变某些 因 素 ，例如从扩散和爆炸的影响因素着手 ，从而降低 其危险性。 3 ． 2建议 天然气管道泄漏扩散和爆炸影响因素众多 ，机 理复杂 ，实验研究还 尚存一定 的困难 ，为了进一步 的研究其扩散规律和爆炸机理， 提出以下几点建议 1 本文所建立的天然气管道泄漏扩散模型与 实际工况下的泄漏扩散过程有一定的差距 ，因为它 是在一定的假设条件下建立的 ，为了进一步提高模 型的普遍适用性 ，则需要结合大量的现场数据和实 验做进一步的分析和研究 ， 。 2 由于天然气是一种多组分混合物， 其泄漏 后与一般的工业气体有较大的区别 。天然气管道发 生泄漏后，各种因素叠加，错综复杂，受到气候和 地形等条件的综合影响。虽然可以借助计算流体软 件进行计算，但是受到物理模型抽象和假定一些因 素不变所约束，还不能完全分析天然气管道的实际 状况及多种因素综合作用下的扩散规律。 3 可以根据本文的基础条件 ， 建立三维模型 ， 进一步对天然气管道泄漏过程进行模拟 ， 在实践中 ， 还需要多多观察 、记录 ，确定影响泄漏扩散的主要 因素 ，忽略次要 因素，进一步完善天然气 的泄漏扩 散模拟，要想完美的模拟出实际的扩散情况，还有 很多的工作需要做。 参考文献 [ 1 ] 贺永德．天然气应用技术手册[ M] ．北京化学T业 出版社 ，2 0 0 9 ． [ 2 ]张其敏 ，孟江．油气管道输送技术[ M】 ．北京中国石化 } n 版社 ， 2 0 0 8 ． [ 3] 杨莜蘅油 气管道安全工程[ M] ．北京中国石化出版社 ，2 0 0 5 ． [ 4] 胡栋 ，龙属川，吴传谦．可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰 的研究[ J ] ．爆炸与冲击 ，1 9 5 9 ，9 3 2 6 6 2 7 5 ． [ 5] 易俊 ， 王以朗， 朱俊， 谢代安．天然气采输作业硫化氢防护[ M] ．重 庆 西南师范大学出版社，2 0 1 0 ． [ 6]朱红钧 ，林元华 ，谢龙汉．F L UE NT 流体分析及仿真实用教程 f M1 ．北京 人民邮电出版社 ，2 0 1 0 ．