坡面天然气管道泄漏扩散数值模拟

李 一 庆

（中国石化广东石油分公司, 广东 广州 510620）

天然气管道由于管材缺陷、腐蚀老化、第三方破坏及施工缺陷等原因，经常发生泄漏，极易引起人员中毒、爆炸、火灾及环境污染等事故，严重威胁到人员安全和管道周围环境。为此国内外学者对城镇天然气泄漏扩散过程进行了大量研究，以期掌握规律进而降低其危害。天然气等危险性气体泄漏扩散过程的研究方法主要包括实验方法[1-3]、数值模拟方法[4-6]，其中数值模拟方法因其成本低、条件设置简便、计算速度快等优点成为研究气云扩散规律的重要手段。近些年，随着计算机技术的发展，CFD（Computational Fluid Dynamics）软件因其精确的环境参数、物性参数设置等，进而可以准确地模拟流场。朱红均等人对平坦地区含硫化氢技术管道的泄露过程进行了数值模拟[7]；刘延雷和董刚等人对高压天然气管道的泄露扩散过程进行了数值模拟[8-9]；李朝阳则对架空高含硫天然气管道泄露进行了数值分析，确定了硫化氢和天然气的扩散规律[10]。基于以上，本文以中西部某天然气管道为例，考虑山坡影响，利用CFD 软件，采用可实现 模型，对天然气管道泄漏扩散过程进行了数值模拟，综合分析了不同风速、不同泄漏口位置对扩散过程的影响，以期总结天然气泄漏扩散规律，为建立安全输送体系、制定应急方案提供切实的理论指导。

1 模型建立

1.1 物理模型

天然气泄漏扩散过程，宜受大气温度、风速、地形状况、泄漏位置、输送压力等因素影响。根据实际工程状况，选取一个足够大泄漏区域及扩散区域的空间，进而研究燃气的扩散过程。本文针对某山坡燃气管道泄漏过程进行了数值模拟，燃气管道布置在山坡，山坡高5 m，倾角为45°；泄漏口直径为0.1 m，泄露速度约为314 m/s，且向上倾斜15°（可变），燃气温度和环境温度均为288.15 K，大气压力为101.325 kPa。采用二维孔口模型进行数值模拟，模拟区域为15 m×10 m，具体模型及网格划分如图1 所示。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

连续性方程：

动量守恒方程：

式中: u—速度矢量，m/s；

ρ—密度，kg/m3；

p＇ —修正压力，Pa；

μeff—有效湍流粘度，Pa•s；

μt—湍流粘度，Pa•s。

能量守恒方程：

式中: htotal—总焓，kJ/kg；

T —温度，K；

τ —粘滞力，N；

SM—动量源；

SE—能量源。

k 方程

其中：κ—湍流动能，J；

ε —耗散率；

C1ε、C2ε、C3ε、C1、A0、σε、σκ—常数；

Gκ—因速度梯度产生的湍流动能源项；

Gb—因浮力产生湍流动能源项；

YM—在可压缩中波动扩张引起的耗散项；

ν —运动粘度，m2/s。

2 模拟结果分析

2.1 泄漏扩散过程分析

通过模拟得到了天然气泄漏后，不同时刻扩散过程甲烷的浓度值及危险区域（爆炸极限5%～15%），给出了 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 s 及 1 s 时刻泄漏扩散浓度图，并具体分析了泄漏5s 时甲烷浓度分布图及泄漏速度分布图。

由图2 可知，0.1 s 时甲烷从泄漏口高速射出，泄漏倾角为15°，此时受风影响，甲烷仅向斜上方扩散了一小段距离，大量气体聚集在坡面附近，形成气团；随着时间的增加，该气团沿着坡面逐渐向下扩散，水平方向扩散缓慢；到0.3 s 时，接近地表，0.4 s 时完全到达地表，0.5 s 时沿地表向水平方向扩散开来，并有回流趋势，1 s 时甲烷已经扩散到整个地表，但大量气体仍在坡面附近。

图2 泄漏1s 内甲烷扩散浓度图Fig.2 Concentration diagram of methane diffusion in 1 s

图3 泄漏5 s 时甲烷浓度扩散图Fig.3 Concentration diagram of methane diffusion in 5 s

由图3 可知，当泄漏5 s 时，大量气体由坡面扩散到地表，在水平距离5～6 m 时，爆炸下限5%浓度最高达到7.81 m，在坡面向下至10 m 内是甲烷高浓度区域，易发生爆炸及中毒现象。图4 给出了5 s 时甲烷的水平速度及垂直速度分布，由于倾角为15°，所以水平方向速度大于竖直方向速度。由图4（a）可以看出大量气体向x 正方向扩散，但在地表附近部分气体沿地表向x 负方向扩散，形成了涡流，这是因为气体由泄漏口高速射流，带动坡面附近的空气，形成卷吸效应，进而形成了涡流；而在竖直方向亦如此，如图4（b）所示。

2.2 风速及泄漏倾角对泄漏扩散的影响

笔者选取泄漏速度为314 m/s，泄漏倾角为15°，风速分别选取2, 5, 10 m/s，以此来分析风速对泄漏扩散的影响。模拟结果如图 5 所示，风速为 2 m/s时对泄漏扩散影响较小，在水平距离5～6 m 时达到最高区域为7.9 m，此后逐渐下降，曲线图呈抛物线状；随着风速增加，爆炸下限浓度曲线逐渐下移，当水平距离为5～6 m 时，爆炸浓度曲线最高区域分别为7.84 m 和7.81 m ，同比风速2 m/s 变化不明显。

图4 泄漏5 s 时甲烷速度分布图Fig.4 Concentration diagram of methane velocity in 5 s

图5 风速对甲烷爆炸下限影响Fig.5 The effect of wind speed on methane explosive lower limit

对于泄漏倾角的影响，笔者选取泄漏倾角分别为10°、15°和20°，风速10 m/s，以此来分析泄漏倾角对泄漏扩散的影响。模拟结果如图6 所示，当泄漏倾角为15°时，爆炸下限浓度曲线呈抛物线型，上升最高区域为7.81 m；当泄漏倾角为20°时，爆炸下限浓度曲线上升最高至8.88 m，危险区域大大增加，爆炸下限浓度曲线也呈抛物线型；当泄漏倾角为10°时，此时爆炸下限浓度曲线与地表形状类似，先沿着坡面下降，后沿着地表呈缓慢上升趋势，危险区域主要集中在地表。

图6 泄漏倾角对甲烷爆炸下限影响Fig.6 Effect of leakage inclination on methane explosive lower limit

3 结 论

（1）泄漏1 s 内，甲烷主要沿着坡面扩散，大部分集中在坡面附近；泄漏5 s 时，甲烷已经扩散到整个区域，且浓度爆炸下限最高达到7.81 m；在地表及坡面形成了涡流，危险区域大大增加；

（2）当泄漏倾角为 15°时，风速对爆炸浓度下限影响较小，且浓度曲线呈抛物线型；随着倾角的增加，爆炸下限浓度曲线上升，危险区域增大，最高区域达到8.88 m；当倾角减小到10°时，风速影响较大，使得气体主要沿着地表进行扩散，爆炸下限浓度曲线也沿着地表呈先减小后增大型。

（3）天然气管道泄漏在运行中不可避免，为天然气安全输送机紧急预案的制定提供一定的理论依据。

［1］D.J.Hall, S.Walker. Scaling Rules for Reduced-scale Field Releases of Hydrogen Fluoride [J]. Journal of Hazardous Materials,1997,54(1):89-111.

［2］姜传胜,丁辉,等.重气连续泄漏扩散的风洞模拟实验与数值模拟结果对比分析[J].中国安全科学学报,2003,13(2):8-17.

［3］罗音宇,蒋仲安,蔡嗣经.气田井喷硫化氢风洞模拟实验研究[J].中国安全科学学报,2008, 18(5):36-40.

［4］Steven R.Hanna,Olav R.Hansen,Mathieu Ichard,David Strimaitis.CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases in industrial and urban areas[J]. Atmospheric Environment, 2009,43(2):262-270.

［5］Yang Zhao, Li Xihong, Lai Jianbo. Analysis on the diffusion hazards of dynamic leakage of gas pipeline [J]. Reliability Engineering & System Safety, 2007, 92(1):47-53.

［6］程浩力,刘德俊,龙世华等.城市燃气管道泄露的CFD 模拟[J].油气储运,2011,30(8):647-651.

［7］朱红均,林元华,马成学.平坦地区含硫化氢集输管道的泄露扩散模拟[J].西南石油大学学报,2009,31(6):156-160.

［8］刘延雷,徐平,郑津洋等.管道输运高压氢气与天然气的泄露扩散数值模拟[J].太阳能学报,2008,29(10):1252-1255.

［9］董刚,唐维维,杜春等.高压管道天然气泄露扩散过程的数值模拟[J].中国安全生产科学技术,2009,5(6):11-15.

［10］李朝阳,马贵阳.高含硫天然气管道泄露数值模拟[J].化学工程,2011,39(7):88-92..