摘要：隨著天然氣管道工業的發展，天然氣管道發生泄漏的事故越來越多。為了研究天然氣泄漏到大氣中的擴散情況，利用計算流體力學仿真軟件FLUENT對天然氣在大氣中的擴散情況進行模擬計算，并分析風速、壓力、泄漏孔徑以及障礙物的變化對擴散的影響。模擬結果與泄漏、擴散理論相符。所提出的研究方法為天然氣泄漏擴散研究提供了一種分析思路，分析所得到的規律對天然氣管道的安全運營和維護有一定的指導意義和參考價值。
關鍵詞：天然氣；泄漏；擴散；數值模擬；大氣環境
引言
近年來，由于石油價格持續上漲，石油危機的沖擊和石油、煤礦帶來的環境問題日趨嚴重，尋求替代能源，實現能源需求多元化的要求日趨迫切[1]。天然氣作為一種優質、高效、方便的清潔能源和化工原料，具有巨大的資源潛力，世界各國對天然氣的開發利用也日益重視。伴隨著天然氣工業的發展，大量天然氣管道的鋪設，燃氣管網泄漏問題成為燃氣管網系統安全領域研究的首要點[2～3]。城市燃氣管網引發的傷亡事故大多是由管道的泄漏引起的。城市燃氣管道故障發生泄漏后，極易造成中毒和環境污染問題。更為嚴重的是，泄漏的燃氣與空氣形成可燃混合氣，達到爆炸濃度范圍，遇點火將發生燃燒和爆炸，造成人身傷亡事故。
國外在氣體擴散方面的研究較多。研究工作始于七、八十年代，直到現在該領域的研究還比較活躍。在此期間，提出了不少擴散的計算模型[4-9]。在實驗方面，國外從20世紀80年代進行了一系列有關氣體及液化氣體的風洞模擬擴散試驗研究，試驗介質有LNG(液化天然氣)、LPG(液化石油氣)、液氨、氟里昂及氮氣的混合氣、氟化氫及二氧化硫等。
目前，國內也有部分關于氣體泄漏和擴散動態模擬的研究成果發表[10～14]。本論文試圖通過模擬天然氣管道因第三方破壞發生泄漏事故后天然氣在大氣中的擴散情況，說明天然氣擴散規律，并確定風速、泄漏壓力、泄漏孔徑和障礙物等對天然氣擴散的影響，從而對事故搶險、減少損失有一定的指導意義。
1. 天然氣管道相關參數
參考陜京輸氣管道工程中的推薦工藝方案，選取管道直徑：為660mm，考察長度為兩截斷閥間距離5km，考察段管道的起點壓力為4.5MPa，終點壓力為2MPa，天然氣年均輸量取15×108m3，設計年工作天數按350天計算，外界環境溫度最高氣溫40℃，最低溫度-10℃，平均氣溫17℃，天然氣的年平均氣溫為27℃。
2. 模擬所需相關參數的計算
以下選取：天然氣僅含甲烷一種氣體，平坦地勢，標準靜風條件下，管道在5km的管段的中間點(即距起點2.5km處)發生大孔泄漏[15～17]作為標準狀態算例來說明模擬所需參數的計算過程。
計算參數如圖1所示，管道起點為1，終點為4，長度為L，在距起點X處存在一點，發生泄漏。圖中：P1，T1，u1，ρ1表示管道起點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P2，T2，u2，ρ2表示與泄漏孔中心在同一直線上的管道內某點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P3，T3，u3，ρ3表示泄漏點的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；P4，T4，u4，ρ4表示這段管道終點處的運行壓力、溫度、氣體速度以及氣體密度；Pa，Ta，ua，ρs為管道外大氣的壓力，溫度，風速和空氣的密度。
2.1 管道起點1處參數的計算結果(計算過程略)
入口處的氣流速度u1 145.06m/s
入口處的馬赫數Ma1 0.336
2.2 管道中點2處參數的計算
P2=3.482MPa。u2=u1=145.06m/s。
2.3 泄漏點3參數的計算
泄漏半徑分別為：0.02m、0.44m和0.66m，分別屬于小孔泄漏，大孔泄漏和管道泄漏。
(一) 小孔模型(孔徑為0.02m)
即P3=Pc=P2×CPR=3482000×0.5397≈1879243Pa
(二) 大孔模型(孔徑為0.44m)
泄漏點3的壓力為：
(三) 管道模型(孔徑為0.66m)
當管道發生全截面斷裂時，氣體的泄漏模型為全管徑破裂模型。這時泄漏點3與管道內的2處的參數完全相同。故P3=P2=3.482×106Pa
3. 模擬方法及條件
3.1模擬軟件的選擇
論文選用流體力學仿真軟件FLUENT[18]對天然氣在大氣中的擴散進行模擬。
3.2 網格的繪制和模型的選擇
論文選用二維網格進行模擬，根據實際情況和硬件條件選取5000m×1000m模擬空間，20m步長繪制結構網格。
論文采用標準κ-ε模型和無反應多組份輸運模型來進行模擬[19]。
3.3邊界條件的選擇
對入口inlet選擇了壓力入口作為邊界條件。靜風條件下，選取出口wind，outlet-top，outlet-right為自由出流出口條件。有風條件下，將wind邊界條件設成速度入口。選擇wall為壁面邊界條件o
4. 標準狀態下的模擬結果
本文的標準狀態是指發生大孔泄漏(孔徑為0.44m)，無風速影響的情況。
4.1 速度分布
圖4和6是FLUENT直接導出的速度分布圖，其中6表示在泄漏孔處速度的局部放大圖，不同的顏色表示不同的速度值。圖5和7是Tecplot導出的相應速度等值線圖，等值線上數字代表流速。本文以后出現此類圖就不再一一解釋。
圖4、圖5可以看出，天然氣高速泄漏到大氣中，形成自由射流，在泄漏孔口處速度很高，但隨著高度增大速度降低很快，這是因為天然氣與空氣對流，空氣對天然氣有很大的阻力造成的。由圖6、圖7可以看出，同一截面上中心處的流速最大，離中心線越遠處的流速越小。隨著射流向上流動，其中心線處的流速逐漸減小，射流的寬度逐漸增大。
速度分布圖還反映出了以下幾點噴射流動特征：1.射流的流動總是伴有邊界層的出現。因為凡是流體都是有粘性的，而粘性的存在又總會使射流流層之間發生粘連作用，射流流動大多數是湍流流動，湍流射流中充滿著渦旋，它們在流動中呈不規則的運動，會引發射流流股微團間的橫向動量交換、熱量交換或質量交換，從而形成湍流射流邊界層。2.射流在其流動過程中，不同截面上的氣流參數分布彼此間保持一種相仿的關系，即射流的自模性。自模性的出現可溯源于射流主流與周圍介質的摻混呈線性漸進性，而且在射流各截面上，射流主流與周圍介質的混合長度沿射流寬度保持不變，但該長度與射流寬度成正比。反映在這里的速度分布圖上就是邊界層的外邊界及其初始段上的內邊界一般都是斜直線。3.由于射流的噴射成束的特性，流場中的軸向分速度要比橫向分速度大很多，所以射流分析計算中，一般都將流場中的橫向分速忽略掉，亦即射流的軸向速度即被視為射流的總速度。參見圖8和圖9可以看出，這一特性基本成立?；谠撎匦缘某闪?，本文之后給出的速度圖如不特別標注，均為天然氣的Y軸速度分布圖。
由圖8和圖9還可以看出，天然氣離開孔口以后其速度并非立刻減小，而是先增大到一個最大值后再逐漸減少的。這是因為，標準狀態下天然氣的密度小于空氣的密度，即該射流為正浮力射流。對于正浮力射流，由于浮力作用，其流速將沿程增加，直到射流核末端，混合區已擴展到射流的軸線上，環境流體的減速作用已經影響到了整個射流，故其流速又開始減小。正浮力射流的射流核末端恰恰位于最大軸向流速處。
圖10為泄漏孔口截面的速度分布圖，圖中的速度分布印證了前面所說的同一截面上中心處的流速最大，離中心線越遠處的流速越小的理論。并且可以讀出出口最大流速大概在1200m/s左右。而通過FLUENT計算出的流速是1122.785m/s，二者基本吻合。圖11是計算區域頂部的速度分布，可以看出，頂部后有速度的范圍主要集中在-1000m到1000m的范圍內，并且以中心點的速度最大。
4.2 濃度分布
對濃度場進行分析，主要是為了得出甲烷泄漏后危險范圍的區域。當對這種易燃氣體物料進行危險性分析時，既要考慮甲烷(由于本文認為天然氣只含有甲烷一種氣體，所以下文所說的甲烷均指天然氣)會導致爆炸的可能性，又要想到有毒氣體甲烷對人體的危害。
表1 甲烷在不同壓力下的爆炸極限
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壓力(atm)
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爆炸極限(V%)
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1
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5-15
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10
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5.8-17
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50
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5.7-29.5
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125
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5.7-45.4
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實驗證明，甲烷-空氣混合物的壓力越大，溫度越高，則爆炸范圍越大，壓力對爆炸極限的影響更顯著。表1列出的是甲烷在不同壓力下的爆炸極限。可以看出隨著混合壓力的增高，爆炸下限基本保持不變，而上限卻大大增加。
但由于模擬結果顯示，整個空間中壓力在很小的范圍內就降低到了大氣壓，對整個模擬空間的影響很小，所以可以不考慮壓力對整個模擬空間中甲烷爆炸范圍的影響。所以取大氣壓下甲烷的爆炸上下限，5%～15%(體積比)。
由圖13和圖14可以看出，不論計算區域選多高，甲烷總能到達計算區域的頂部，這是因為甲烷的密度小于空氣，所以即使最后初始動量由于沿程卷吸靜止空氣而逐漸減弱殆盡，由于浮力的作用，它也會不斷上升。
另外，泄漏軸線上，甲烷的濃度很高，并隨著高度的升高而下降，在軸線兩側的半空中有兩個橢圓的區域甲烷的濃度也很高。這是因為甲烷泄漏到大氣中會與空氣混合形成可燃氣云，但由于甲烷的密度相對于空氣較輕，在擴散中以浮力作用為主，氣云主要是向上運動。沒有在泄漏孔口的兩側近地處聚集。而是在泄漏孔口的兩側距離地表150m出形成兩個半徑大約為500m的橢圓形的氣云團。
利用圖14中濃度等值線，找到甲烷濃度在5%～15%的區域，從而確定了擴散區域里的危險范圍。如圖180圖中紅色的部分表示甲烷的濃度處于爆炸極限范圍內，是有爆炸危險的區域。
從圖中可以看出，這樣的區域主要位于150m左右的高空處，近地表處濃度還是比較低的，對人類危害不大。
由圖16可以看出，首先，每一條甲烷的濃度等值線基本上沿噴射中心線呈兩邊對稱；其次，從噴口開始向外的空間里，甲烷濃度依次逐漸降低，甲烷等值線圖基本相對噴射中心線呈軸對稱這一現象證明了湍流標度率(Scaling Law，雷諾數很大的時候，出現的宏觀對稱性)的存在。
5. 不同條件對擴散的影響
5.1 風速影響
由圖19、20、21可以看出，隨著風速的從無到有，從小變大，濃度擴散區域也向右明顯偏轉，并且擴散區域變大，當風速為10m/s時，擴散區域已經超過了界定的區域。并且危險區域也隨風速變大而擴大，波及到下風向的近地面。
圖22、圖23和圖24是各自情況下的危險區域的圖，圖中紅色的部分表示甲烷的濃度處于爆炸極限范圍內，是有爆炸危險的區域。
比較三圖可以清楚的看出，有風以后，危險區域向下風向偏移。隨著風速的變大，危險區域也逐漸波及到下風向的近地面?？梢婏L對天然氣起著輸送作用。
5.2 泄漏壓力影響
對于大孔模型，若取P2分別等于2，3.482，4.5MPa時，計算這時泄漏點3處的壓力如下：
表2 不同泄漏壓力下泄漏點3處的壓力
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P2(MPa)
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2
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3.482
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4.5
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P3(Pa)
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1079406
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1879246
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2428664
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從圖25、26、27可以看出，隨著泄漏壓力的變大，甲烷擴散的范圍變大，因為流速的變大使甲烷更容易與大氣進行對流擴散，但變大幅度不大。所以可以通過降低壓力來增大安全區域。但效果不會很明顯。
5.3 泄漏孔徑影響
對應小孔模型，大孔模型和管道模型分別取了三種不同孔徑0.02m、0.44m、0.66m，考察不同泄漏孔徑下，天然氣在空氣中的擴散分布程度將如何變化。在小孔模型、大孔模型和全管徑破裂模型時，泄漏點3的壓力大小如表3。
表3 不同泄漏孔徑下泄漏點3的壓力
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模型
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小孔模型(d=0.02m)
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大孔模型(d=0.44m)
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全管徑破裂模型(d=0.66m)
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壓力P3(Pa)
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1879246
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1879246
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3482097
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比較圖28、29、90，可以看出當泄漏孔徑為0.02m時，由于泄漏孔徑很小，所以濃度等值線比較集中，甲烷和大氣對流擴散比較慢，擴散的范圍也比較??；而當泄漏孔徑為O.66m時，由于是全截面斷裂，孔徑較大，可以看出等值線變化比較大，擴散范圍也大。所以可以看出隨著泄漏孔徑的變大，甲烷可以更好在大氣中擴散，危險區域會變大。
5.4 障礙物影響
為了方便計算分析，假定房屋、建筑、樹木之類障礙物全部在泄漏源的下風向，在出口壓力為1879246Pa和風速為5m/s時，考慮障礙物的距離遠近和高低對噴射擴散的影響。
5.4.1 障礙物距離的影響
障礙物高度：為20m，距離泄漏口1m、5m時白勺天然氣噴射情況如下圖。
如圖31，在一定風速大小下，障礙物距離泄漏口較近的時候，障礙物對天然氣在近地面的偏轉擴散影響并不大，這是因為天然氣從孔口出來有一個噴射的過程，這個過程由于本身射流速度很大，所以并不太受風速的影響。到了擴散階段，由于障礙物離泄漏口很近，天然氣會在風力的作用下沿障礙物爬升，到障礙物頂部后才在風力作用下擴散開。如圖32，障礙物同等高度下，隨著障礙物到泄漏口的距離增大，天然氣噴射出來以后會先在風力作用下與障礙物發生碰撞，從而抵消了風速帶來的偏轉的動量，由于失去了速度，天然氣只能靠浮力作用沿障礙物迎風面艱難爬升，并且會在障礙物迎風面形成沉積氣團。比較圖31與32，可以明顯看出當障礙物距離泄漏口5m時，障礙物對天然氣擴散有更好的阻擋效果。
通過以上分析可以看出障礙物距離泄漏口遠近對泄漏擴散的影響主要體現在迎風面對天然氣的阻擋作用，阻擋沉積的量隨距離增大而增大。
5.4.2 障礙物高度的影響
障礙物到泄漏口的距離為5m，障礙物高度為20m和30m 時的天然氣噴射情況如下圖。
比較圖33和圖34可以看出，障礙物較高會對擴散的天然氣起到了進一步的抬升作用，使天然氣開始偏轉擴散的高度進一步升高。
通過以上分析可以看出，同等噴射速度和風力作用下，障礙物的高低對天然氣噴射擴散的影響主要體現在天然氣擴散到障礙物頂部后的擴散狀況。
6. 結論
目前，國內在天然氣擴散模擬方面的研究不是很深入，本文的研究給出了管道發生泄漏后天然氣擴散的濃度分布和速度分布，并考察了風速，泄漏壓力，泄漏孔徑以及障礙物等因素對天然氣擴散的影響，并給出擴散后的危險區域。本文的研究結果對應對突發事故，疏散人群，減少損失具有一定的指導意義。
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(本文作者：焦文玲 侯慶民 哈爾濱工業大學市政環境工程學院 哈爾濱 150090)
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