埋地與架空輸氣管道泄漏數值模擬對比分析

摘 要

摘要：針對目前輸氣管道泄漏研究考慮因素單一、可靠性較差的不足，在參考前人研究成果的基礎上，利用計算流體力學仿真軟件對5種情況下的天然氣泄漏進行了數值模擬。分別得到了天
摘要：針對目前輸氣管道泄漏研究考慮因素單一、可靠性較差的不足，在參考前人研究成果的基礎上，利用計算流體力學仿真軟件對5種情況下的天然氣泄漏進行了數值模擬。分別得到了天然氣泄漏后的速度、濃度、爆炸范圍分布情況：①X方向(水平方向)埋地比架空速度稍大，都存在左偏的逆流區；持續泄漏速度比架空瞬間等值線向右偏移，左上和右下方存在兩個速度較大區；Y方向(豎直方向)瞬時泄漏在左側存在逆流區，持續泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區；埋地管道泄漏0速度線向左偏移；增大孔隙度時，速度等值線左偏移。②氣體濃度瞬時架空分布不規則，瞬時埋地呈圓形區域且在泄漏口有小范圍高濃度區；持續泄漏高濃度區向右下偏移；持續埋地分布呈對稱結構分布，存在左右兩個高濃度區；修改孔隙度近地面無爆炸危險。③埋地管道泄漏爆炸范圍大且影響時間長，爆炸范圍高度呈指數增加，而后濃度隨擴散而減低至爆炸下限外；架空管道在85s前增加且高度比埋地高，85 后降低；孔隙度越大其影響范圍越小。
關鍵詞：天然氣；埋地；架空；管道；瞬間；持續；泄漏；數值模擬
    目前對天然氣管道泄漏的研究主要集中在架空管道泄漏，考慮情況單一，結果缺乏對比性和可信度。對埋地管道泄漏的研究比較少見，而把兩者相結合，考慮土壤參數因素、瞬時和持續泄漏的更不多見。因此，本文利用計算流體力學軟件對架空敷設和埋地敷設天然氣管道瞬時和持續泄漏下的氣體運動規律進行研究，得出了泄漏氣體擴散規律。
1 控制方程
    由于泄漏口處速度較大，計算時采用標準的K-ε雙方程傳輸模型。
湍流脈動動能方程(K方程)：
 
湍流動能耗散方程(ε方程)：
 
湍流黏度：
 
式中ρ表示密度；k表示湍動能；ui、uj表示時均速度；μt表示湍流黏度；xi、xj表示空間坐標；σk、σε分別表示K方程和ε方程的湍流Prandtl數：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb表示浮力引起的湍動能k的產生項；YM表示可壓縮湍流脈動對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ表示經驗常數，分別取1.44、1.92、0.09、0.09.
2 數值模擬及結果分析
    以某天然氣輸送管道為例：管徑750mm，泄漏口直徑為10mm，環境壓力和溫度均為標準狀況，管內氣體泄漏初始速度為320m/s，環境風速為2m/s，天然氣中甲烷體積分數為94.5%，H2S體積分數為5.5%，甲烷的爆炸范圍介于5%～15%，H2S中毒下限體積分數為6.5×10-4。
    考慮5種情況下天然氣泄漏情況：A.架空瞬間泄漏；B.埋地瞬間泄漏；C.架空持續泄漏；D.埋地持續泄漏；E.改變土壤孔隙度瞬時泄漏。架空敷設(工況A、C)：模擬區域1.5km×1.5km；埋地敷設(工況B、D、E)：埋深1.2m，地面采用1.5km×1.5km模擬區域。
   泄漏點均在模擬區域底部中央。考慮計算量和計算的精確度，利用分區的網格劃分方法對模擬區域進行單元網格劃分，水平方向為X方向，豎直方向為Y方向。埋地管道模擬區域劃分85627個結點95345個單元，架空管道模擬區域劃分85961個結點95695個單元。埋地管道途經粗砂土壤帶的孔隙度為0.27，經黏質時土壤孔隙度修改為0.45。經計算，初始泄漏速度為320m/s；瞬時泄漏速度V=320-4t，80s后泄漏后速度減為0。根據公式編程，并導入仿真軟件，作為瞬時泄漏時泄漏口的邊界條件。
2.1 泄漏80s時速度分布
   X方向(水平方向)埋地瞬間泄漏、埋地持續泄漏、修改孔隙度泄漏管道比架空瞬間和架空持續泄漏速度稍大，等值線向右偏移，在區域的上方都存在逆流區；架空瞬間與架空持續泄漏速度等值線分布相似，但速度等值線向右偏移；在增大土壤孔隙度后，速度等值線左偏移，而架空持續泄漏和埋地持續泄漏在左上和右下方兩個速度較大區。
    Y方向(豎直方向)架空和埋地瞬時泄漏速度在左側存在逆流區，架空和埋地持續泄漏0速度線向左偏移；土壤孔隙度變大，速度變大，等值線向左偏移；架空和埋地持續泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區。
2.2 泄漏80s時濃度分布
    圖1為泄漏80s后甲烷濃度等值線分布。由圖可知：架空瞬時泄漏甲烷分布高濃度區擴散至(1450m，200m)高空，分布不規則；埋地瞬時泄漏則分布在(1000m，150m)高空，呈圓形區域，在泄漏口有小范圍高濃度區。架空持續泄漏與架空瞬時泄漏分布曲線相似，但持續泄漏高濃度區向右下偏移。埋地持續濃度分布呈對稱結構，高濃度區內存在左、右2個高濃度區，近地面存在長250m、高20m的扁長狀爆炸區。增大土壤孔隙度后近地面無爆炸危險，濃度分布與埋地瞬時相似，但濃度降低。
    圖2為泄漏80s后硫化氫濃度分布。對比圖1、2可知，硫化氫濃度等值線分布形狀幾乎與甲烷濃度分布相同。這是由于甲烷和硫化氫出泄漏口時均勻混合，在擴散過程中受到的影響因素相同，等值線分布重合。

2.3 甲烷爆炸范圍
    從圖3可知：與架空管道相比，埋地管道泄漏爆炸范圍大且影響時間長。埋地管道爆炸范圍呈指數增加，當達到一定高度后不再升高，濃度隨擴散而減低至爆炸下限外。而架空管道爆炸范圍在85s前增加，且高度比埋地要高，而在85s后降低。這是由于埋地敷設管道泄漏后，氣體速度經過土壤孔隙阻力、慣性阻力的作用，降低較快，甲烷爆炸范圍的起點較小，在一定時間內其爆炸范圍比架空要小；隨著泄漏的持續，甲烷向周圍環境緩慢擴散，由于受風力影響較小，在85s后其高度均比架空要高。孔隙度越大其影響范圍越小。

3 結論
    1) 氣體泄漏速度分布：X方向(水平方向)埋地管道泄漏(工況B、D、E)速度比架空管道(工況A、C)稍大，存在左偏的逆流區；持續泄漏(工況C、D)速度等值線比架空瞬間右偏；埋地持續泄漏在左上和右下方存在2個速度較大區；增大土壤孔隙度時，速度等值線左偏。Y方向(豎直方向)瞬間泄漏(工況A、B、E)速度在左側存在逆流區；埋地管道泄漏0速度線向左偏移；土壤孔隙度增大時，等值線向左偏移；持續泄漏等值線呈近橢圓分布，不存在逆流區。
    2) 氣體濃度分布：架空管道瞬間泄漏氣體濃度分布不規則，埋地管道持續泄漏呈圓形區域，在泄漏口有小范圍高濃度區；架空持續泄漏和埋地持續泄漏高濃度區向右下偏移，埋地持續泄漏呈對稱結構分布且存在左右2個高濃度區；修改土壤孔隙度后近地面無爆炸危險。
    3) 管道泄漏爆炸范圍：埋地管道(工況B、D、E)泄漏爆炸范圍大且影響時間長，呈指數增加達到一定高度后不再升高，隨氣體擴散濃度減低至爆炸下限外；架空瞬間及持續泄漏爆炸范圍在85s前增加且高度比埋地管道泄漏高，85s后降低；孔隙度越大其影響范圍越小。
    目前，把架空與埋地輸氣管道瞬間和持續泄漏過程綜合考慮的研究較少，且多采用改變風速和地形環境影響，這與實際情況有所不同。筆者認為在對輸氣管道泄漏進行模擬時，應考慮泄漏的瞬時性，使模擬結果更精確。
參考文獻
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(本文作者：李朝陽 馬貴陽 遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院)