基于CFD的城镇天然气管道泄漏扩散研究

杨奇睿，王岳，官学源，邵慧龙，牛冉

(1． 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；

2． 新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000)



基于CFD的城镇天然气管道泄漏扩散研究

杨奇睿1，王岳1，官学源2，邵慧龙1，牛冉1

(1． 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；

2． 新疆油田公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000)

稿件收到日期： 2015-03-22，修改稿收到日期： 2015-06-19。

城市燃气的使用对居民生活水平的提高、工业的发展、生态环境的改善具有重要意义。但由于自然损坏、腐蚀穿孔、人为破坏、安装质量不达标，接口、阀门密封材料老化、机械振动等造成燃气管道系统产生裂纹、穿孔甚至断裂，或因为供气不正常及使用行为不当等原因，易引发燃气的泄漏。当泄漏的天然气与空气混合后，会产生易燃、易爆的气体，极易引发燃气爆炸或火灾事故。目前对于埋地管道泄漏扩散问题的研究较少，鉴于研究危险可燃性气体泄漏扩散实验尚有较大难度，从安全角度考虑，通过数值方法开展相关的研究工作是可行的[1-4]。根据天然气管道泄漏扩散数值模拟可迅速预测天然气泄漏后的扩散范围和危险范围， 为决策者及时疏散居民、采取救援措施提供科学指导。

由于气体释放后将与空气、蒸气、液滴及凝结所生成的水滴等结合从而形成混合气云，根据混合气云与环境大气密度的差异，可将其分为三类： 浮性气云，即轻气，密度比空气小，如天然气；中性气云，即中气，密度与空气相近，如一氧化碳；重质气云，即重气，密度比空气大，重气的形成不仅与释放物质的性质有关，而且与储存和释放的方式有关。以往对重气研究较多，并且多局限在二维情况下；然而天然气属于轻气，浮力作用明显，二维数值模拟不能直观描述泄漏天然气的实际扩散范围。以下采用三维数值模拟，力求全面了解城镇中埋地天然气管道泄漏扩散情况。

1模型的建立

1．1数学模型

1) 质量守恒方程：

(1)

式中： ρ——密度，kg/m3；t——时间，s；ux， uy， uz——x， y， z方向的速度分量，m/s。

2) 动量守恒方程：

(2)

式中： f——单位质量力的矢量，m/s2;u——速度，m/s；μ——动力黏度，Pa·s；p——流体微元上的压力，Pa。

3) 能量守恒方程：

(3)

1．2标准k-ε的运输方程

1) 湍流脉动动能方程(k方程)：

Gk+Gb-ρ ε-Ym

(4)

式中： μt——湍流黏度，Pa·s；ε——耗散项；ui——时均速度，m/s；xi,xj——空间坐标；σk——k方程的湍流Prandtl数；Gk——平均速度梯度引起的湍流动能产生项；Gb——浮力引起的湍流动能产生项；Ym——可压缩湍流中脉动扩张贡献。

2) 湍动扩散率方程(ε方程)：

(5)

式中： σε——ε方程的湍流Prandtl数；k——湍动能，J；C1ε,C2ε,C3ε,C4ε——经验常数，C1ε=1．44， C2ε=1．92， C3ε=0．09，C4ε=0．0845。

2问题描述

2．1模拟区域

模拟区域的物理模型如图1所示。x，y，z方向上长度分别为80m,50m,80m；建筑物位于x=40m,y=2m,z=40m处，建筑物的长、宽、高分别为10m,10m,20m[5]；泄漏孔位于x=25m,y=0,z=40m处；管道埋深为2m[6]。

图1　模拟区域的物理模型示意

2．2参数确定及边界条件

2．2．1参数确定

天然气中CH4和C2H6体积分数分别取99．5%，0．5%，天然气摩尔质量为16．07 g/mol，密度约为0．72 kg/m3，管径D=210mm，泄漏孔为圆形，孔口直径d=40mm。城市中压天然气管道根据管内压力可分为A级： 0．2MPa

(6)

(7)

式中：qm——质量流量，kg/s；z——绝热指数，天然气一般取1.2～1.3;A——泄漏口面积，m2；M——气体摩尔质量，kg/mol；R——气体常数，R=8．314 J/(mol·k)；p2——管道内压力，Pa；pa——大气压，101．3 kPa；T——温度，K；ρ——密度，kg/m3。

2．2．2初始条件及边界条件

泄漏进口质量流量为20．06 kg/s；左侧为风速入口，风速为2m/s；除底面外其他四面为压力出口， 无回流[12]，土壤部分设为多孔介质。

3数值模拟结果和分析

城镇埋地中压天然气管道发生泄漏扩散后，由于受土壤阻力作用，泄漏气体的动能衰减程度较大，速度大幅降低，泄漏气体不足以冲破管道上方的埋土，气体会在土壤中扩散，到达地表后向下风向扩散[13-14]。不同时间段CH4的爆炸范围见表1所列，t=300 s时不同x,y,z截面处的CH4体积分数分布如图2,图3，图4所示。

表1　不同时间段CH4的爆炸范围

图2　t=300s时不同x截面处CH4的体积分数分布示意

图3　t=300s时不同y截面处CH4的体积分数分布及三维视图

从图2中看出： 在泄漏孔处(x=25m)CH4在地下扩散距离z=28～52m，扩散高度y=8m，地下部分CH4的体积分数较高，处于爆炸范围内。建筑物迎风面(x=40m)CH4在地下扩散距离z=26～54m，扩散高度y=20m。建筑物背风面(x=50m)CH4在地下扩散距离z=29～51m，扩散高度y=22m，此部分CH4的体积分数并没有处于爆炸范围之内，仅处于伤害范围。在下风向(x=70m)CH4在大气空间中扩散、高度y=10～26m，在土壤中没有CH4，这是建筑物对CH4在大气中扩散的阻挡作用与空气浮力共同作用的结果。

从图3中看出： 地表截面处CH4扩散范围集中在x=16～60m，z=26～54m。建筑物中部(y=12m)CH4的扩散范围集中在y=30～70m，z=26～52m，由于建筑物的绕流和阻挡，CH4在建筑物背风面形成回流。建筑物顶端(y=22m)CH4的扩散范围集中在x=50～80m，z=26～52m，此部分CH4的体积分数较低，仅处于伤害范围内。

图4　t=300s时不同z截面处CH4的体积分数分布及三维视图

从图4中看出：z=35m截面处，在风速和空气浮力的共同作用下CH4向下风向和空间上部扩散，此部分CH4的危险性范围集中在x=18～60m，y=0～30m。z=40m截面处泄漏孔与建筑物迎风面间的CH4体积分数较高，此部分较为危险并处于爆炸范围内，建筑物背风面之后CH4的体积分数较低，处于伤害范围内。z=45m截面处CH4的扩散情况与z=35m截面CH4的扩散情况一致，两截面的CH4体积分数呈对称结构分布，这是因为两个截面均没有建筑物的阻挡，CH4可以自由扩散。

4结论

1) 城镇埋地中压天然气管道泄漏时，泄漏孔附近有呈对称结构分布的CH4高体积分数区。由于受土壤的阻力作用，因而竖直方向上CH4的扩散速率明显小于在水平方向上的扩散速率。由于建筑物的阻挡，CH4在建筑物背风面形成回流，建筑物左右两侧的CH4体积分数呈对称结构分布。

2) 由于建筑物的阻挡，使CH4在建筑物迎风面附近堆积，加大了建筑物迎风面附近CH4的体积分数和危险性，此部分的CH4体积分数处于爆炸范围，在抢险救援时应注意防范建筑物迎风面附近的CH4爆炸着火。

3) 在泄漏一段时间后，一定空间范围内CH4的爆炸范围将不随时间增长产生变化，风速可以加快天然气向下风向的输送扩散，但同时也可以稀释泄漏的CH4，应根据泄漏时的风向情况，紧急疏散位于下风向地表附近的人群，设置警戒区，天然气泄漏时人员疏散的安全范围为x=16～60m，z=26～54m。

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赛默飞发布水质中氰化物测定解决方案

近日，科学服务领域的世界领导者赛默飞世尔科技(以下简称： 赛默飞)发布水质中氰化物测定解决方案。氰化物属于剧毒物质，对人体毒性主要是与细胞色素氧化酶中的三价铁络合，生成氰化高铁细胞色素氧化酶，引起组织缺氧窒息，极低的量可使人畜致死，所以各类氰化物是污水排放和水质检测的重要监测项目。

在《GB/T 5750—2006生活饮用水标准检验方法》中，推荐采用异烟酸-吡唑酮或异烟酸-巴比妥酸进行氰化物显色反应，对水样中氰化物的测定限值为0.002 mg/L。根据对比发现，现行方法对Ⅰ类水质的限值需求仅勉强满足，且测定过程中，往往易受到亚硫酸盐、硫代硫酸盐等其他还原性物质的干扰。同时，诸多毒性较强的显色试剂的使用，也极易造成实验操作人员的二次中毒。(赛默飞世界科技(中国)有限公司)

摘要：针对城镇中埋地天然气管道的泄漏情况，研究了土壤、建筑物和风速对天然气管道泄漏和扩散的影响。利用CFD模拟计算软件对城镇中埋地天然气管道泄漏进行三维数值模拟，并得到了泄漏后三维空间不同截面位置处CH4的体积分数分布和爆炸范围及天然气泄漏时的人员疏散安全距离。研究结果为天然气管道泄漏事故现场人员疏散及安全抢修提供了理论依据。

关键词：埋地中压天然气管道风速三维数值模拟

Study on Leakage Diffusion of CFD Based Town Natural Gas Pipeline Yang Qirui1， Wang Yue1， Guan Xueyuan2， Shao Huilong1， Niu Ran1

(1． College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Liaoning University of

Petroleum & Chemical， Fushun，113001， China; 2． Technology Research

Institute of Xinjiang Oil Field Company， Karamay， 834000， China)

Abstracts： Focusing on leakage of buried natural gas pipeline， effects of soil， buildings and wind speed on natural gas pipeline leakage and diffusion are studied． 3D numerical simulation is conducted for town buried natural gas pipeline leakage utilizing CFD simulation calculation software． CH4volume fraction distribution at different cross section location in 3D space after leaking， explosion range and safe distance for staff evacuating during leaking are obtained． The research result provides a theoretical basis for personnel evacuation for natural gas pipeline leakage accident scene and safe emergency repair．

Key words：buried; medium pressure natural gas pipeline; wind speed; 3D numerical simulation

中图分类号：TP274

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)05-0052-05

作者简介：杨奇睿(1990—)，男，辽宁鞍山人，辽宁石油化工大学在读硕士研究生，主要研究方向为油气管道安全。