埋地高压天然气集输管道泄漏对环境影响分析

2015-12-16 08:31张卫兵李长庆王新华屈波
油气与新能源 2015年5期
关键词:集输气流流场

张卫兵 李长庆 王新华 屈波

(1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司;2.中国石油天然气股份有限公司规划总院)

埋地管道具有受地形地物限制因素少、安全密封、不占地上空间、能较长期稳定运行等优点,因此,成为石油工业中最重要的油气集输手段之一。但是,随着管道运行时间的增长,以及不可避免地受运行磨损、环境腐蚀、自身缺陷、周边地理条件和气候变化等因素的影响,使埋地油气管道时刻面临着泄漏的风险[1]。

本文以油气田高压埋地天然气集输管道为研究对象,举例分析泄漏事故发生时的情景及对周边环境的影响。由于高压天然气集输管道内介质压力极高,当埋地高压管道发生泄漏时,天然气从泄漏口高速喷出,形成快速膨胀射流,瞬时高压气体膨胀会对周围环境产生破坏,甚至造成人员伤亡。鉴于研究危险可燃性气体泄漏扩散实验尚有较大难度,且费用高不易开展,因此,基于数值法开展相关研究是经济可行的[2-8]。本文采用计算流体软件 Fluent分析高压埋地天然气集输管道泄漏对周围环境的影响,从而为处理天然气集输管道的泄漏事故提供依据,并且,可以指导高压管道的设计方案和防护。

1 数值计算方法

1.1 问题描述及物理模型

当埋地高压集输管道的管壁破损后,高压气体瞬间泄漏,其分析计算模型见图1。

图1 天然气集输管道泄漏模型

图1中:H——管道埋深,m;1φ——高压管道直径,cm,本例中取32.5cm;2φ——泄漏口直径,cm;θ——泄漏口平面垂直方向与集输管道垂直方向的夹角,°。高压天然气通过泄漏口向外喷射,首先通过土壤层,然后逐渐扩散到周围环境中,表现为高压射流在空气中的高速膨胀。

分别模拟埋深2.0m、3.5m,泄漏口直径5cm、15cm,破口方向0°、45°,模拟区域范围为240m×300m时,高压集输管道天然气泄漏对周围环境的影响。由于天然气喷射特性主要与管内压力、温度及泄漏口尺寸有关,与集输管道的直径关系不大,因此,本文未考虑集输管道管径的影响。采用Fluent前处理软件Gambit建立物理模型,计算网格采用区域分块,全部六面体结构化网格,对冲击波聚集和参数变化剧烈区域进行了网格加密,既提高了计算域网格质量,同时,网格数目又可以大幅度减小。计算区域分为大气层和土壤层2部分。

1.2 控制方程

高压天然气从集输管中喷射出,是一种压力梯度大、速度高,并有冲击波,流动非常复杂的湍流流动。Fluent软件中的 Realizable k-ε模型,在求解平面射流、圆孔射流和高压力梯度、分离速度等条件下的涉及旋转、边界层的问题时,具有较高的精度[9]。因此,在模拟计算时,采用 Realizable k-ε湍流流动传输模型。数值模拟过程中采用的控制方程式为:

连续性方程:

动量方程:

Realizable k-ε湍流模型:

能量方程:

2 数值模拟的结果与分析

应用Fluent软件对高压集输管道泄漏进行模拟仿真。管道泄漏口采用压力入口边界条件,入口压力设为42.0MPa;环境外围采用压力出口边界条件,环境压力为0.1MPa;土壤层采用多孔介质模型,孔隙度为0.27,密度为2 000kg/m3,比热容为1 600J/(kg·K),导热系数为 1.412W/(m·K)[10,11];环境风速为0,天然气和环境温度均为300K。天然气和周围空气设置为理想气体,由于集输管道天然气中甲烷含量高于90%,为简化模型,模拟中假设集输管道泄漏的为纯甲烷气体,同时,不考虑周围环境中水分的凝结放热[12,13]。得到不同埋深(H=2.0m、3.5m)、不同泄漏口直径(2φ=5cm、15cm)和不同泄漏角(θ=0°、45°)时,泄漏口周围环境流场的速度和环境温度分布情况。

2.1 泄漏角为0°时周围环境流场的速度分布

当泄漏角θ=0°,不同埋深和泄漏口大小时,周围环境流场的速度分布情况详见图2。

图2 周围环境流场的速度分布(θ=0°)

由图2可知,气流从泄漏口流出后向四周高速流动,流速高达420m/s,影响范围较大,水平方向可达约100m,高度方向可达约300m。速度呈对称分布,中心区域的速度最大,逐渐向两侧减小。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少,高速气流的区域逐渐增大。在高度方向为 100~150m、水平方向大于100m的区域,大泄漏口(2φ=15cm)且小埋深(H=2.0m)时,气流速度高达 140m/s,而小泄漏口(2φ=5cm)且大埋深(H=3.5m)时,气流速度降至约40m/s。

2.2 泄漏角为0°时周围环境流场的温度分布

当θ=0°,不同埋深和泄漏口大小时,泄漏口周围环境的温度分布情况详见图3。

由图3可知,高速气流从泄漏口喷出后,在周围环境中膨胀,温度降低。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少,低温区域的范围增大,最低温度降低至约200K,会对人员、设备和环境产生较大损害。在泄漏口上方约50m处形成一较高的温度区,随着高度的增加温度开始下降,且呈对称分布,中心区域温度较低,逐渐向两侧增加,在水平方向50m以后温度又升高至约300K。

图3 周围环境流场的温度分布(θ=0°)

2.3 泄漏角为45°时周围环境流场的速度变化

当θ=45°,不同埋深和泄漏口大小时,泄漏口周围环境的速度分布情况详见图4。速度图例与图2一致。

图4 周围环境流场的速度分布(θ=45°)

由图4可知,气流经泄漏口高速向外界流动,速度高达400m/s。由于泄漏口方向θ=45°,速度分布的对称性被破坏,在泄漏口方向出现高速区域,在泄漏口方向的两侧流速逐渐降低,且泄漏口方向的背侧速度降低较快。随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少,高速气流的区域逐渐增大。在高度方向100~150m、泄漏口的前侧水平方向大于120m的区域,大泄漏口(2φ=15cm)且小埋深(H=2.0m)时,气流速度高达120m/s,而小泄漏口(2φ=5cm)且大埋深(H=3.5m)时,气流速度降至约60m/s。

2.4 泄漏角为45°时周围环境流场的温度分布

当θ=45°,不同埋深和泄漏口大小时,泄漏口周围环境的温度分布情况详见图5。温度图例与图3一致。

图5 周围环境流场的温度分布(θ=45°)

由图5可知,高速气流的膨胀,可使周围环境温度降至约200K。由于泄漏口的方向θ=45°,温度分布的对称性被破坏,在泄漏口方向出现低温区域,随着泄漏口尺寸的增加、埋深的减少,低温区域的范围增大。在泄漏口方向的两侧温度逐渐升高,且泄漏口方向的前侧温度升高较快。在 100~150m的高度上,泄漏口方向背侧50m的水平方向上,温度升至290~300K;泄漏口方向前侧100m的水平方向上,温度升至290~300K。

2.5 模拟结果分析

在θ=0°且埋深H=3.5m的情况下,当水平距离大于150m时,气流速度可降至小于10m/s,环境温度约为 300K;对于θ=45°且埋深H=3.5m的情况,主要考虑泄漏口方向前侧的速度和温度情况,当水平距离大于 150m时,气流速度可降至小于40m/s,环境温度约为 300K。若继续增大埋深,在泄漏角θ=0°或θ=45°的条件下,当水平距离大于150m时,气流速度和环境温度均不会对人员和设备造成伤害。因此,当泄漏压力为42.0MPa时,安全距离设定为150m,安全埋深为大于3.5m。

分别模拟当天然气管道内压力为 30.0MPa和54.0MPa时,天然气泄漏对周围环境的影响。根据模拟结果,发现当管内天然气的压力不同时,引起周围环境中速度场和温度场的变化非常相似,并且,随着天然气泄漏压力的升高,高速流在水平和高度方向的影响范围扩大,速度的波动范围增加,低温区域也呈现扩大的趋势,即,随着泄漏压力的增大,对周围环境的影响增大,危险区域的范围扩大。因此,为了防止灾害的发生,随着管内压力的增加,应该增大集输管道的埋深,并适当地增大安全距离。根据模拟计算结果,得到不同压力下的安全距离和安全埋深,具体见表1。

表1 不同压力下的安全距离和安全埋深

3 结论及建议

由于高压集输管道内气体压力极高,当发生泄漏时,在泄漏口附近较大范围内(水平及高度方向),存在高流速和低温区,对附近人员、设备财产会产生巨大影响。

通过分析不同管道埋深、不同泄漏口尺寸、不同泄漏口方向和不同泄漏压力情况下,发生泄漏后温度和速度分布情况可知,在水平和高度方向100m范围内,天然气泄漏会产生较大影响,而且,管道埋深越浅、泄漏口尺寸越大、泄漏压力越大,影响越大。因此,建议在设计及施工铺设高压集输管道时,应考虑发生泄漏时对周围环境的影响,适当增大管道埋深及安全距离。

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