高压天然气管道泄漏及事故危害规律研究

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摘要：天然气长输管道泄漏扩散的基本理论，全面分析了影响天然气泄漏扩散的因素；建立了天然气长输管道泄漏模型，对不同影响因素下天然气泄漏的压力场、速度场、浓度场以及危险区域进行了模拟分析，阐述了不同工况下天然气长输管道泄漏的规律；通过模拟对比分析了不同泄漏孔径、不同泄漏压力对泄漏区域的影响；模拟分析了气体中含硫化氢和泄漏区域有建筑物时的泄漏规律。

关键词：高压管道；泄漏扩散；数值模拟；燃烧；热辐射

中图分类号：TE 832 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0082-04

根据燃烧伤害模型和爆炸伤害模型，分析了燃烧后的浓度场、温度场、压力场、密度场和速度场分布情况，对天然气泄漏燃烧热辐射情况和爆炸危险区域进行了计算研究，本文研究内容对于了解高压长输管道天然气泄漏扩散规律及制定相关安全事故的应急预案具有非常重要的指导意义。

1 天然气泄漏的数值模拟

天然气是由小分子饱和烃类气体和非烃类气体组成的混合物。其中低分子饱和烃类气体占95%以上。在饱和烃类气体中，甲烷（CH₄）占绝大部分，乙烷（C₂H₆）、丙烷（E3H8）、丁烷（C₄H₈）和戊烷（C₅H₁₂）含量不多，庚烷以上（C+5）烷烃含量极少。常见的少量的非烃类气体一般有二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、氮气（N₂）、氢气（H₂）、硫化氢（H2S）和水（H₂O）以及微量的惰性气体氦（He）、氩（Ar）等。

采用三维模型，需要建立三维立方体模型，入口即为圆柱形入口，由于后面所讨论的模拟尺寸大小及模拟精度的需求的限制，目前还无法进行大范围精确的三维模拟。

为了更好地模拟大范围内的天然气管道泄漏情况，本文采用二维网格模型，如图1所示，FLUENT的前处理软件GAMBIT把管道孔口的泄漏定义为狭缝扩散，而非圆孔扩散，FLUENT设置边界层参数选用Turbulence Specification Method的方法中的强度和水力直径（Intensity and Hydraulic Diameter）项来当作湍流选取。同时设置了压力出口的当量直径，这样就限制了管道狭缝的纵向长度，进而保证了二维的网格模拟为孔口天然气的基本知识及针对长输管道的泄漏FLUENT模拟的GAMBIT网格划分，根据需要建立合适的几何模型、划分网格及指定边界条件为后续FLUENT模拟计算做铺垫，然后通过几何模型选取相应的求解器、能量方程、确定天然气的材料特性，最后通过工程实例来确定入口处气流速度和马赫数进而选取相关的泄漏速率，通过相应的泄漏速率模型的选取来确定边界条件，为下章节FLUENT模拟结果及分析做了良好的铺垫。

2 不同因素对天然气泄漏的影响

2.1 不同泄漏时间下气体泄漏分析

2.1.1 不同泄漏时间下的压力场分布（图1）

在泄漏初期，泄漏1s时，在泄漏口的正上方较近处出现一个环状低压区，中间压力最低，以此为中心形成低压环。出现此种情况的主要原因是泄漏初期，泄漏口上方空气湍流强度大，空气相对较为稀薄，出现小范围的低压区。但随泄漏事件的增长，压力场分布逐渐均匀，最后成为以泄漏带为分界线的左侧压力略高于右侧压力的压力分布场图。

2.1.2 不同泄漏时间下的速度场分布

（1）不同泄漏时间下的垂直速度场分布（图2）

泄漏5s时，泄漏口略上方及偏右侧出现较为明细的高垂直速度分布区，主要由于此时泄漏气体的分布范围逐渐向上、向右。随泄漏时间的进一步延长，伴随泄漏气体的进一步扩大，垂直分速度也向上移动。最后形成了以泄漏带为分界的，泄漏带中心相对较高速度，向外速度逐渐减小的分布云图。

（2）不同泄漏时间下的水平速度场分布图泄漏1s时，以泄漏口正上侧直线为界，左侧形成水平速度低速核心区，且越远离界线，梯度越小，右侧形成高速核心区，且越远离界线，梯度越小。随泄漏时间的增长，水平速度分布趋于稳定。在泄漏50s后，水平速度对整个流场的影响不大，且分布均匀，只在泄漏口附近，出現较为明细的湍流区（图3）。

2.2 不同泄漏孔径下气体泄漏的比较

不同泄漏孔径下气体泄漏的压力场分布规律不同，但可看出，均是以泄漏带的核心处为分界线，左侧压力较右侧压力高，泄漏带两侧的压力分布较为不规律，而远离泄漏带侧的压力场分布较为均匀。不同泄漏孔径下速度场分布规律较为明显，随泄漏孔径的增大，泄漏气体的速度场越发明显，且速度场湍流强度更强。泄漏孔径较小时，泄漏气体的喷射速度高度较小，且受自然风速的影响较大，明显偏向自然风的下风向。随孔径增大，喷射高度逐渐增高，且受自然风速影响逐渐减小，泄漏气体对周围空气的影响区域逐渐增大（图4）。

泄漏气体的浓度场分布随泄漏压力呈现不同的分布规律，浓度场的分布情况与速度场分布类似，但不完全一样。低泄漏压力时，泄漏气体的浓度场在下风向分布较多，随压力的升高，泄漏气体的浓度场呈现垂直的分布带，距离泄漏口近处浓度较高，且随距离的增大，浓度降低的梯度较小。

2.3 气体中含硫对天然气扩散的影响

含硫条件下气体泄漏的压力场分布见图6。

由含硫条件下的泄漏两种气体的浓度场分布情况可知，泄漏气体中所含H2S的浓度场分布呈现以泄漏口为起点的狭窄带状分布，而甲烷则为较宽的分布带。由于在预设条件中，设置H₂S含量为6.5%，故而含量低造成其浓度场分布较为狭窄。

由工程标准当H2S含量低于0.002%时，视为安全区域，图中黑色区域为危险区域。可见，虽H₂S含量较低，但其危险区域影响较大，主要分布在泄漏带的下风向。此种规律为突发泄漏工况时的安全生产提供参考。由工程标准当甲烷含量低于3.585%时，视为安全区域，图中非黑色区域为安全区域。可见，虽甲烷含量较高，但其危险区域相对H₂S较小，主要分布在泄漏带附近。

2.4 有建筑物对泄漏的影响

2.4.1 有建筑物时气体泄漏的压力场分布

当在泄漏口的附近有建筑物时，由其不同时间下的压力场分布图可知，泄漏初期，低压带在泄漏口的上方，上风向压力较高。随泄漏时间推移，低压带逐渐上移，高压带逐步向下风向推移。当泄漏时间为60s时，压力分布较为均匀，只在泄漏口和建筑物附近有较低的压力分布区存在（图7）。

由图7可知，有建筑物对气体泄漏的速度场分布也有较大影响，泄漏1s时，泄漏高速主要分布在泄漏口附近及其上侧，随泄漏时间的推移，速度场分布逐步均匀，至20s时已基本稳定，到泄漏60s时，呈现泄漏口附近泄漏速度较大，在建筑物上侧泄漏速度较大的分布规律。

2.4.2 有建筑物时气体泄漏的浓度场分布

有建筑物在下風向阻挡时，不同泄漏时间下的泄漏气体浓度场分布规律不太一致。在泄漏1s时，在泄漏口上侧形成一个含量相对较高的浓度核心区，而在此区域以下气体浓度更大。在建筑物右上侧，也形成了一个小的核心区，湍流强度较强。随着泄漏时间的增长，上侧核心区向下风向的右上侧移动，在泄漏口的近上侧，浓度再次加强。

泄漏20s时，泄漏浓度已基本稳定，形成以泄漏带右下侧为主要分布区的浓度场。在泄漏时间达到60s时，浓度规律已经稳定，形成向下风向的泄漏带，当泄漏带收到建筑物阻隔时，便绕过建筑物继续向下风向流动，且在泄漏口与建筑物结合处，形成一个高浓度湍流区（图8）。

3 结论

（1）泄漏气体的速度场和浓度场随泄漏孔径的增大，呈现泄漏喷射高度逐步增高，由最初的明显向下风向偏移向近乎垂直转变，喷射气体的流速逐渐增大。

（2）泄露压力的变化主要影响泄漏初速度的变化，随泄漏压力增大，泄漏气体的初速度也逐渐增大，泄漏气体的浓度场逐渐由偏向下风向的泄漏带向垂直方向的泄漏带偏转。

（3）泄漏气体中含有H2S对泄漏气体的压力、速度、浓度等流场分布影响不大，但由于H2S的较强的危险性，其低含量的有毒气体所造成的危险区域较大。

（4）在泄漏口下风向处如存在建筑物，会对泄漏过程的压力场、速度场、浓度场分布带来较大影响。泄漏初期，各流场湍流强度较强，分布规律不强。在泄漏达到稳定时，由于建筑物的阻挡作用，在泄漏口至建筑物间有较为明显的泄漏气体回旋，且泄漏带遇到建筑物时，会受到其阻挡从而，从其上方飘离。