天然气门站工艺区泄露扩散模拟分析

杜 娟, 吴 琦, 杜 强

（1. 贵州燃气热力设计有限责任公司，贵州 贵阳 550004； 2. 中煤科工集团重庆设计研究院， 重庆 400016）

随着全球经济快速发展，天然气作为当代能源重要组成部分之一，其开发与利用已成为越来越多国家及地区的重中之重。一波又一波的以覆盖主要天然气应用区域为目的的天然气基础设施建设高潮正开展而来。天然气门站是设在长距离输气管线与城市燃气输配系统交接处的综合型站场，它包括燃气净化、调压、计量等设备及其配套附属设施。门站将来自长距离输气管线的天然气，先经过滤器清除其中机械杂质，然后通过调压器、流量计进入城市燃气输配系统。天然气工艺设施与石油工艺设施相比，压力更高、泄漏后危害更大，因此，更应该引起相关技术人员的重视。门站内通常有控制室、变配电室、办公室、休息间等建筑物。天然气工艺装置一旦发生腐蚀破坏、开裂等情况，天然气的泄露将对站内乃至站外的人员财产形成威胁。运用计算机及计算流体力学数值计算软件对门站内天然气工艺设施损坏后的扩散进行仿真能较为准确预测天然气装置的泄露扩散，及其对门站内部主要设施的影响。以便对门站的设计及泄露事故抢险处置方案提供有力的理论支撑。

1 研究现状

上世纪末,国内外已经开展了对有毒有害气体泄露方面的研究。Arnaldos[1]引用小孔泄漏率模型分析计算了气体扩散。魏利军[2]数值计算了泄漏的全过程，计算得到整个泄露空间的气体分布情况和速度场。潘旭海[3]研究了不同的外界环境下的气体扩散过程。Young[4]通过化简，建立管道小孔泄漏率算法模型。张文艳[5]针对各种风速影响并结合现场实际计算了天然气泄露及其分布。刘中良[6]应用热力学和气体动力学理论，结合理想气体方程，研究分析天然气的泄漏过程，给出了在临界泄漏阶段与亚临界泄漏阶段的泄漏速率计算公式。姜焕勇[7]以某天然气分输站场为例，采用定量风险评价软件PHAST RISK对其工艺设施和管道发生泄漏或破裂导致的主要事故类型进行了后果模拟和定量风险评价。李白力、李胜利[8]等采用CFD软件对天然气泄漏扩散进行了典型地形条件的的三维数值仿真计算，考虑了风速随高度变化的情况，并编写自定义函数对风速进行修正。范开峰、王卫强[9]等采用 VOF模型对海底天然气管道泄露进行数值模拟，观察到了泄漏天然气气团由“半球”形、“水滴”形到“球”形的过渡过程，得到了天然气在水中上升过程的体积分数分布特性。

2 模拟方法

在流体力学领域，纯数学方法是用数学推导和解析求解的方法。但这种方法只能求解一部分比较简单或经过大量化简后的情况。随着计算机及其应用技术的成熟，计算流体力学是弥补数学分析方法的不足而发展起来的。计算流体力学通过求解不同的边界条件和初始条件下的平衡方程实现模拟真实过程中各场的分布。计算流体力学数值模拟具有应用范围更广、成本低廉和求解迅速的特点，是物理实验及数学方法所不能及的。很多CFD软件已经提供了计算流体力学的计算平台并有了一定应用领域。

2.1 物理模型

随着我国西部开发的不断推进，全面加快川东北天然气开发，给四川省达州市宣汉县经济社会发展带来了前所未有的发展机遇。宣汉是川气东送的气源地，是达州建成天然气化工基地的主战场，宣汉普光经济开发区作为宣汉县的核心经济区，将成为宣汉县经济社会发展的重要引擎。普光天然气门站基础设施作为工业园区气量调度的枢纽站，承担50×104m3的天然气处理量，将建设过滤、计量、调压等生产设施和相应的辅助设施。该门站占地约6亩，建筑物总面积178.2 m2，定员8人。本站包括直接生活建筑及生产配套建筑。生产建筑面积根据工艺要求确定，充分满足生产运行、设备安装及检修的要求。站场布置详细情况见图1。本文针对四川达州普光天然气门站工程进行工艺管道破裂泄露后的扩散情况计算分析。

图1 门站平面布置图Fig.1 Plot plan of gate station

依据宣汉县普光地区风向频率玫瑰图，工艺装置区与综合用房之间风力较大。风力分布见图2。

图2 风向频率玫瑰图Fig.2 Rose diagram of wind direction frequency

2.2 数值求解

流体的运动要遵循的守恒定律：质量守恒、动量守恒和能量守恒定律[10]。本课题不考虑温度的影响，因此不启动能量方程。

质量守恒方程又称连续性方程，其守恒的微分形式为：

源项Sm是加入到连续相的质量。

动量方程：

其中：τij— 应力张量；

p — 静压力；

gi和Fi— 分向量上的重力和外力。

2.3 模拟参数

接合宣汉县普光门站布置及其相关参数，按照天然气装置破裂泄露扩散分析。分别考虑不同环境及运行状况下，甲烷扩散分布随时间的变化情况。在模拟计算分析时，取爆炸极限的下限 5%为分析临界点。应用上述设定，计算天然气装置区泄漏扩散后天然气分布随时间的变化情况。

3 结果与分析

首先，在无外界风的环境下，模拟计算了天然气工艺设备泄露后，气体在空间扩散随时间的变化情况，如图3。

天然气工艺管道破裂后，形成紊态喷射，开始速度很大，在阻力的影响下，形成了蘑菇状气云。随着扩散范围的扩大，扩散气体受到浮力、阻力与重力的影响，扩散速度减慢，进而逐步达到平衡，速度场保持不变。泄露的喷射压力随着喷射过程的递减。泄露气体的密度由于在泄露扩散被稀释，气体的密度不断与空气接近，也导致泄露气体扩散速度的减慢。

其次，根据当地气象部门的相关资料，并以近期建设的天然气处理规模来考虑，计算模拟了泄露 后天然气在空气中的扩散结果，如图4。

图 3 近期工况无风情况下的泄露过程Fig.3 Leak process of short term working condition with no wind

图 4 近期工况有风情况下的泄露过程Fig.4 Leak process of short term condition with wind

图 5 远期工况下的泄露过程Fig.5 Leak process of long term working condition

有风速影响下的甲烷浓度分布梯度在气体出口附近较大，扩散一定距离后，分布梯度减小。泄露口处气体动能高，风力对泄露影响较小。随着扩散时间的延长，泄露气体收到风力和站场内的综合影响，形成涡状气流，泄露气体浓度也随之降低。由图可以看出，在门站近期建设规模工况下，天然气泄露对有人值守的综合用房影响较小，说明依据国家规范进行设计的工艺装置区与综合站房的间距是合理且安全的。

最后，根据气象资料并按照远期建设的天然气处理规模考虑，计算模拟了泄露后天然气在空气中的扩散结果，如图5。

考虑远期工况工艺设备处理量较大时，发生泄露扩散的气团因动量较大的原因，扩散的高度高于近期工况天然气泄露情况。由于远期工况的泄露量较大，泄露后天然气气体对综合用房有了一定的影响，具有一定的安全隐患。需要对天然气工艺装置区采取一定的安全防护措施。

图 6中的曲线表示天然气门站工艺装置区发生泄漏后，泄露的天然气浓度在同一高度上的变化情况。

图 6 甲烷浓度变化曲线Fig.6 Methane concentrations changes curve

在风速为零时，天然气工艺区泄露的天然气对相邻区域的影响较小；在当地最大风速情况下，近期工况天然气工艺装置区泄出的天然气对综合用房影响较小，在远期工况下天然气工艺装置区泄出的天然气对靠近综合用房一侧影响较大。综上所述，天然气门站场区内工艺区装置泄漏后，危险区域受环境的影响发生了明显的改变。在有风影响下的情况站场内安全已经受到威胁。

［1］J.Arnaldos，J.Casal,H.Montiel，et al.Design of a computer tool for the evaluation the consequences of accidental natural gas releases in distribution pipes[J].Journal loss prevention in the process industries,1998,11(2):135-148.

［2］魏利军.重气扩散的数值模拟[J].中国安全科学学报，2000,10(2):26-34.

［3］潘旭海,蒋军成.化学危险性气体泄漏扩散模拟及其影响因素[J].南京化工大学报,2001,23(1): 19～22.

［4］J.D.Young,B.J.Ahn.Analysis of hazard areas sociated with high-pressure natural-gas pipelines[J].Journal of prevention in the process industries 2002,15(3):179-198.

［5］张文艳.风力对天然气管道泄漏后扩散过程的影响研究[J].天然气工业,2006,26，(12)：150-152.

［6］刘中良,罗志云,王皆腾. 天然气管道泄漏速率的确定[J]. 化工学报,2008(8):2121-2126.

［7］姜焕勇,韩 丽,邵 勇,王学军,等. 输气站场泄漏事故后果模拟与定量风险评价[J].油气储运,2009,28(9):23-26.

［8］李白力,李胜利, 李长胜.天然气泄漏扩散的三维数值模拟[J].油气储运,2010,29(4):266-271.

［9］范开峰,王卫强,衣照秋,刘人玮,于爽.海底天然气管道泄漏数值模拟[J].当代化工,2013,42(4):503-506.

［10］郝安佳,吴琦,等.街道峡谷内燃气管道泄露扩散模拟分析[J].当代化工,2012,41(7):756-759.

［11］程猛猛，赵玲，吴明，等.架空天然气管道泄漏扩散数值模拟［J］.辽宁石油化工大学学报，2013,33（3）：32.

［12］付俊涛，李玉星，梦令雅，等.输气管道泄漏音波与干扰信号特征提取［J］.石油化工高等学校学报，2012,25（2）：53.