埋地天然气管道持续泄漏数值模拟

官 学 源

（新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

埋地天然气管道持续泄漏数值模拟

官 学 源

（新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

针对埋地天然气管道泄漏扩散问题，采用有限体积法，建立埋地天然气管道泄漏扩散模型，在1～7级风场条件下，考虑土壤和大气稳定度对泄漏气体扩散的影响，从安全的角度出发，分析埋地天然气管道泄漏持续扩散情况，得出甲烷爆炸浓度云团在不同风场条件下的扩散规律。为埋地天然气管道的风险评估、安全运行和管理，事故分析，工程设计以及泄漏后应急措施等提供了参考理论。

数值模拟；泄漏；埋地管道；甲烷

随着我国天然气工业的高速发展，其需求量的不断攀升带来了能源安全的新危机。像其他的工程设备一样，管道也可能发生事故。目前我国大多数在役管道已经处于老年化，这些陈旧管道有着相对较高的泄漏事故发生率。近年来，输气管道安全事故曾发生很多起，尤其是埋地天然气管道。容易发生泄漏，而且不容易被发现，这种特点的管道泄漏会造成更大的意外风险，导致输气管道日常工作更难以管理。

针对管道泄漏扩散问题，我国学者考虑各种条件的影响因素下对天然气的泄漏问题进行了大量的数值研究[1-3]。

本文通过FLUENT软件，基于有限容积法，建立埋地天然气管道持续泄漏扩散模型，在1～7级风场条件下，考虑土壤和大气稳定度对泄漏气体扩散的影响，分析埋地天然气管道泄漏扩散的特点和规律。为埋地天然气管道的风险评估、安全运行和管理，事故分析，工程设计以及泄漏后应急措施等提供了参考理论。

1 数学模型

1.1 组分输运守恒方程

式中：Ri— 第i种组分在化学反应种的速率，kgmol/（m3·s）；

Si— 扩散相加上用户定义的源项；

Jj—组分j的扩散通量，mol/（m2·s）；

Yi—第i 种物质的质量分数，%；

u —流体流速，m/s；

ρ —密度，kg/m3；

t —时间，s。

湍流中的质量扩散

式中：SCt— 湍流施密特数；

Di，m— 混合物中第i种物质的扩散系数；

μt— 湍流粘度，Pa·s。

1.2 标准k-ε模型的运输方程

式中：Gk— 平均速度梯度引起的湍动能产生项；

Gb— 浮力引起的湍动能产生项；

YM— 可压缩湍流脉动膨胀对总得耗散率的影响；

经验常数C1ε=1.44，C3ε=1, Cμ=0.09;

μ — 动力粘度，Pa·s；

ε — 耗散项；

Sk, Sε—对应源项。

2 数值模拟与结果分析

2.1 问题描述

某埋地含硫天然气管道，计算管长间距为 5 km， 管道外径650 mm，埋深1.5 m。管道上层土壤作为多孔介质，孔隙度为0.267，密度2 650 kg/m3，导热系数1.512 W/(m·K)。埋地高含硫天然气的持续泄漏着火的模拟区域范围为5 000×1 001.5 m：泄漏口中心在x=0、y=-1.5处，泄漏口直径为0.05 m，泄漏速度为252 m/s，泄漏方向为垂直向上，天然气中甲烷含量为 95%，甲烷的爆炸体积浓度区间为5%～15%，环境温度与天然气温度相同为300 K，大气压力为101 325 Pa，风的等级见表1，选取表中参考风速，物理模型图见图1。

表1 风的等级划分标准[4]Table 1 Grading standards of the wind

图1 天然气管道泄漏物理模型图Fig.1 The physical model diagram of gas pipeline leak

2.2 FLUENT软件模拟结果

本文采用二维单精度SILPLE方法进行隐式耦合求解，采用矩形网格在泄漏口处网格加密，模拟结果图2-3。

图2 0.1 s时，甲烷爆炸浓度云图Fig.2 Explosive concentration of methane cloud at 0.1 s

图3 低空处甲烷爆炸范围图Fig.3 Methane explosion range diagram at low altitude

埋地天然气管道泄漏初期，由于管道上层存在土壤的影响，不能形成如架空管道泄漏时的高速射流，气体泄漏进入多孔介质，由于毛管的压力、土壤阻力以及地表的张力的共同作用，造成泄漏的气体的湍能的减少，由于气体持续泄漏，气体的湍能不断增大，气体仍然会通过土壤多孔介质快速的持续不断的涌出地表，进行相对低速的射流运动和扩散运动。土壤作为多孔介质，具有一定的孔隙度和独特的储存能力等特性。一定面积的土壤饱和后，气体将会继续向土壤横向扩散，造成更大面积的土壤污染，同时纵向方面气体将渗出土壤外地表，消耗气体动能。因此，在短时间内有大量的高浓度天然气聚集在泄漏口附近的地表处（见图2）。

由图3和表2可知，在低空处，随着风的等级的不同，甲烷的爆炸浓度范围成不同规律的变化。1～2级风（即软风和轻风）时，大气稳定度为A～C，泄漏气体主要向高空扩散，同时由于其风场作用力小，使大气对泄漏气体的稀释程度不高，甲烷爆炸浓度主要聚集在泄漏口下风向高空处，而在低空处扩散范围有限，危险程度最低。在2～12 min时，软风条件下，下风向低空处甲烷的爆炸浓度的水平最远距离逐渐减小至饱和，12 min时刻，最远距离为29 m；轻风条件下，下风向低空处甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈先扩大再减小的趋势，12 min时刻，最远距离为98 m。对比轻风和软风条件下泄漏气体危险浓度的扩散，轻风风场危险程度高于软风风场。6～7级风（即强风和疾风）时，大气稳定度为C～D，泄漏气体主要贴近地面扩散，同时由于其风场作用力大，使大气对泄漏气体浓度大量稀释，低于 5%体积浓度的甲烷气体扩散范围较远，而爆炸浓度的甲烷扩散范围有限，危险程度中。在2～12 min时，强风条件下，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离先扩大再减小至饱和，12 min时刻，最远距离为283 m；疾风条件下，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈逐渐减小趋势，12 min时刻，最远距离为208 m。对比疾风和强风条件下泄漏气体危险浓度的扩散，强风风场危险程度高于疾风风场。3～5级风（即劲风、微风和和风）时，大气稳定度为B～D，泄漏气体危险浓度云团与地面呈一定角度向大气扩散，部分云团将扩散到高空，同时由于其风场作用力相对1～2级和6～7级风场适中，大气对泄漏气体的稀释作用可使甲烷的爆炸浓度区域有效的扩大，危险程度强。在2～12 min时，微风条件下，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈逐渐扩大趋势，12 min时刻，最远距离为528 m；和风条件下，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈逐渐扩大趋势，12 min时刻，最远距离为517 m；劲风条件下，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离先扩大在减小至饱和，12 min时刻，最远距离为413 m。对比微风、和风和劲风条件下泄漏气体危险浓度的扩散，微风风场危险程度最高，和风次之，劲风最低。

表2 大气稳定度的因素[5]Table 2 Atmospheric stability factor

3 结 论

在7个等级的风场影响下，埋地天然气管道泄漏扩散甲烷的爆炸浓度云团随着风速的增大呈先扩大再减小的规律，微风情况下的泄漏问题最为严重。对于甲烷的防范，可分为3个等级，对其采取不同等级的安全措施。1～2级风（即无风、软风和轻风）采取低级别防范措施；6～7级风（即强风和疾风）采取中级别防范措施；3～5级风（即劲风、微风和和风）采取高级别防范措施。

［1］孙宏新，张丹.天然气管道泄漏数值模拟[J]. 中国科技博览，2010（4）：89-90.

［2］程浩力,刘德俊,刘倩倩,等.城燃管道街道峡谷泄漏扩散CFD数值模拟[J].石油化工高等学校学报，2011（4）:60-63.

［3］程浩力,刘德俊.城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2011,2（31）：27-31.

［4］Daniel A Crowl, Joseph F Louvar. Chemical Proeesssafety-fundamentals with applieation[M].New Jersey:Prentice-Hall，1990:121-15.

［5］王鹏飞.评唐代李淳风化“占风情”方法[J] . 自然科学史研究，2010,29（4）：389-403.

Numerical Simulation on Continuous Leakage of Buried Natural Gas Pipelines

GUAN Xue-yuan
（Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjing Karamay 8340001，China）

Aiming at the problem of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, the finite volume method was adopted to establish the numerical model of natural gas leakage and diffusion of buried pipelines, under 1～7 grade wind field, considering effect of the soil and atmospheric stability on the gas leakage and diffusion, from the viewpoint of safety, leakage and diffusion conditions of natural gas of buried pipelines were analyzed, the diffusion rule of the explosive concentration cloud of methane was obtained, which could provide theory reference for risk assessment, safe operation and management of buried natural gas pipelines.

Numerical simulation; Leakage; Buried pipeline; Methane

TE 832

A

1671-0460（2015）08-1974-03

2015-02-06

官学源（1987-），男，辽宁沈阳市人，助理工程师，硕士，2013年毕业于辽宁石油化工大学业，从事地面工程工作。E-mail：guanxueyuan00@126.com。