低压天然气管道在有限空间中泄漏计算研究

张佳兴, 马贵阳, 王 新

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001）

低压天然气管道在有限空间中泄漏计算研究

张佳兴, 马贵阳, 王 新

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001）

在有限空间内，可燃气体泄漏扩散极其危险，甚至会引起火灾，因此对低压天然气管道在有限空间中泄漏进行计算研究意义非常重大。存在障碍物的有限空间中，气体泄漏后，在有限空间内形成的危险区域会受到风速和障碍物的影响。用流体力学软件模拟泄漏后气体形成的危险区域浓度分布情况，对模拟结果进行分析可知，危险气体扩散受到障碍物的阻碍，会在障碍物周围形成不规则的危险区域，风速不同，危险区域的大小也不同。泄漏口位置对危险区域的大小也有影响，离障碍物近的泄漏口附近，气体容易堆积，危险系数相对较高。

有限空间；障碍物；低压天然气；泄漏

在建筑物密集的城市里，天然气管道泄漏事故时常发生。我国每年都会有多起天然气管道爆炸事故发生[1-5]，严重威胁了我国的经济发展，和人民生命财产安全，因此很有必要对泄漏扩散这个问题进行研究。国内外很多学者都对此进行过研究，建立了一些泄漏模型，得到了部分在不同因素影响下的泄漏扩撒规律【6-8】。在障碍物存在的情况下，有限空间内泄漏的气体不能及时扩散，气体淤滞区域形成爆炸区，这种情况非常危险[9]。国内也有学者针对存在障碍物情况下的泄漏进行过研究，其中大连理工大学的学者曾经对较小尺寸障碍物周围的二维湍流风场风洞试验和危险气体泄漏扩散进行了一系列的研究，研究表明障碍物和风速的确对气体泄漏有一定的影响[10-12]。这种研究多在楼群中，架空等室外条件下进行的，对于室内的研究相对较少。本文进行了室内泄漏模拟研究，同时变换风速和泄漏口位置，研究其存在障碍物时危险区域变化情况。研究结果可为天然气管道的设计和气体泄漏爆炸的预防提供参考，减少爆炸事故的发生，有效避免人员伤亡和财产损失。

1 计算方程

1.1 数学模型

该泄漏可以认定为多组分气体的湍流运动，甲烷和硫化氢气体与空气混合形成易燃易爆的混合气体，混合气体之间不发生化学反映。采用 - 湍流模型和组分运输模型来模拟有限空间内存在障碍物的情况下，气体泄漏扩散的过程，控制方程如下：连续方程：

动量方程：

能量方程：

紊动能（k）方程:

耗散率方程：

Cp—混合气体的定压比热；

Cpa—空气的定压比热；

Cpc—因均速度梯度产生的湍流动能源项;

ρ和μ—体积分数加权平均的密度和分子的粘性系数；

μt —紊流粘性系数;

Cμ—经验系数；

σk和σε—K和ε的紊流普朗特数；

C1ε和C2ε—方程常数；

1.2 计算模型及初始边界条件

数值模拟的物理模型如图1所示。

图1 模型图Fig.1 Model figure

该房间的内部尺寸为 1.3 m×1.1 m×2.2 m，在小房间的正中间有一个长方体实心水泥台，水泥台尺寸为 0.4 m×0.3 m×0.5 m，在水泥台北侧墙体的正中间有一个矩形的窗口，窗口尺寸为 0.6 m ×0.4m。在窗口正下方有两个泄漏口B(0,0.25,1.1),C(0,0.15,1.1)，与房门相对的墙体上有一个泄漏口A (0.52,0.25,0),泄漏口半径均为5㎜。假设该泄漏为持续性泄漏，三个泄漏口同时发生泄漏，泄漏事故发生时，房门为敞开状。本文设定了三种风速，无风0 m/s，微风0.8 m/s，较大风速4.5 m/s。当风分别以不同速度从窗口吹进时，泄漏气体会在房间内部湍流流动，并在障碍物周围不断的堆积扩散。

本文研究的主要是家用天然气管道泄漏的数值模拟，其主要成分是各类烷烃。当天然气的浓度范围为 5%～15%时发生爆炸，本文主要研究天然气泄漏扩散遇障碍物的情况。三个泄露口分别设定为压力出口，窗口设定为速度进口，门设定为速度出口，模拟过程考虑全浮力，泄漏口温度设为300 K，与室温相同，泄漏口压强为2 000 Pa。

2 模拟结果的分析研究

本文研究在风速不同的情况下，房间内气体的危险区域变化情况。因为本文主要研究泄漏后的气体分布情况，分析时把气体在空间中分层研究，研究不同层面中危险气体的浓度变化（本文主要研究了房间内两个横切面，即距地面0.15 m和0.25 m的两个与地面平行的截面的气体平均浓度分布情况）。气体泄漏300 s时，比较泄漏口位置不同，风速不同时，障碍物附近危险区域的变化规律，并探寻障碍物对气体扩散的影响，分析结果如下：

图2y=0.15，t=300 s; 图3y=0.25，t=300 s。为无风时爆炸浓度区域图。

图2 浓度分布云图(1)Fig.2 Cloud picture of concentration distribution (1)

图3 浓度分布云图(2)Fig.3 Cloud picture of concentration distribution (2)

由图2和图3可知，在无风的情况下，障碍物附近没有明显的危险区域，泄漏口C和泄漏口B附近的墙体角落里有小范围的危险区域。因为在无风的情况下，气体泄漏后会先沿着墙壁慢慢向四周扩散，没有风的推助力，气体扩散速度较慢，300 s时只有少量气体到达障碍物周围，因此障碍物周围没有明显的危险区域形成,此时的危险区域分布于墙角附近。

y=0.15，t=300 s，风速0.8 m/s爆炸浓度区域图，图5为y=0.25，t=300 s，风速0.8 m/s爆炸区浓度域图。当有微风从窗口吹进时，危险区域发生了明显的偏移，开始慢慢向障碍物方向靠近，如图4，图5所示。

图4 浓度分布云图 (3)Fig.4 Cloud picture of concentration distribution (3)

图5 浓度分布云图(4)Fig.5 Cloud picture of concentration distribution (4)

图5中障碍物附近的危险区域明显比图4中障碍物附近的危险区域大。其原因是当气体刚刚发生泄漏时，主要是小孔泄漏，小范围喷射，气体主要集中于近地面处。随着时间的推移，由于天图7为y=0.15，t=300 s，风速4.5 m/s爆炸浓度区域图，图8为y=0.25，t=300 s，风速4.5 m/s爆炸浓度区域图。从图6和图7可以看出，当风速变大时，危险区域明显比无风和微风时大，障碍物靠近B，C泄漏口的一侧已经开始出现一定范围的危险区域，且障碍物近B点处危险区域小于近A点处，此时仍然是远离地面处比近地面处所形成危险区域大。因为天然气比空气轻，泄漏气体总是会不断的向上方扩散，并不断的在室内形成湍流流动，然后向窗口、门口方向扩散开来，在扩散的过程中遇到障碍物的阻挡，扩散受到阻碍，于是开始不断的在障碍物周围堆积，有些气体没有遇见障碍物的阻碍，从旁边绕流过去了，离窗口近的就从窗口排向了室外，离门近的就从门排向了室外，因此在门口和窗口处危险区域非常小。离障碍物近的地方危险区域较大。离障碍物远的地方危险区域较小，说明离障碍物远时，受障碍物影响较小，气体可以沿着附近的墙体进行扩散，而离障碍物近的地方受到障碍物的影响较大，气体容易堆积，危险系数相对增加。然气比空气轻，且近地面处的温度比远离地面处的温度要高，气体泄漏一定量后开始逐渐以湍流的方式向上方偏移扩散，当扩散的气体遇到风后开始偏离原射流中心，呈歪斜的蘑菇云状。

图6 浓度分布云图(5)Fig.6 Cloud picture of concentration distribution (5)

图7 浓度分布云图(6)Fig.7 Cloud picture of concentration distribution (6)

3 结 论

（1）有限空间存在障碍物时，轻质气体泄漏扩散易受风速的影响，风速较大时气体容易在障碍物附近和空间上部堆积，爆炸的危险系数较高，此时应防止空间局部爆炸事故的发生。

（2）泄漏口的位置不同，障碍物周围的危险区域大小也不同，当泄漏口离障碍物近，且离房门、窗口远时，障碍物周围形成的危险区域较大，危险系数较高，同时当轻质气体发生泄漏时，相对地面较高位置的泄漏口在障碍物周围形成的危险区域较大。因此在发生轻质气体泄漏事故时首先要检查远离门窗，离障碍物较近，相对地面较高的管道是否有泄漏口。

（3）室内装修时避免把天然气管道进行封闭式包装。室内发生天然气管道泄漏事件时，首先将可以移动的障碍物移到其他房间。若此时室外无风，可同时开门窗透气；若风速较大，应避免开窗，尽量让气体从门向室外排出，避免风力加速气体在残留障碍物周围迅速形成危险区域，有效的争取了更多检测时间，降低爆炸事故的发生概率，减少人员伤亡。

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春节后耐碱性分散染料或继续涨价

分散染料是一类水溶性较低的非离子型染料。此前，宁夏中卫工业园区被曝光有“水库晾晒”高浓度工业废水的情况存在，而耐碱性分散染料中间体还原物的生产龙头——宁夏明盛新厂便坐落在该工业园区内。

虽然宁夏当地媒体随后便发文称，中卫将严格整治企业非法排污，中卫工业园区蒸发池废水也将在6月前回抽处理完毕，但业内预计，该问题在短期内仍难得到解决，宁夏明盛新厂投产还有难度，还原物供应紧张趋势不变。近年来，环保压力加大、原料成本增加，印染企业利润有所收窄，一些小企业甚至因为环保压力而倒闭。宁夏明盛新厂能否逆流而上，一定程度上还得由市场情况来决定。“从年前的情况看，下游染厂的生意好于此前预期，其中对活性染料的需求尤其要好，因此初步预计元宵节前后染料价格就会全面上调。”来自染料企业的内部人士说。一位染料经销商肯定了上述说法，他并表示，届时分散染料可能会在目前5～5.5万元/吨的价位上继续涨价5000元/吨以上。而从染厂人士处了解到的信息则显示，今年春节后染厂开工普遍要稍晚于去年，整个行业仍略显萧条，究其原因，这或与环保压力等多方面因素皆有关。“虽然企业开工晚了，但也不能说行情不好，因为从目前的订单情况来看，下游需求维持稳定，并没有大起大落。”浙江省印染行业协会的一位相关人士表示。据数位业内人士表示，由于货源紧张，春节后活性染料涨价基本已成定局，而在上游中间体还原物供应紧张的压力下，耐碱性分散染料继续涨价的可能性亦比较大。

Computing Research on Low Pressure Natural Gas Pipeline Leak in the Limited Space

ZHANG Jia-xing,MA Gui-yang,WANG Xin

（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Within the limited space, combustible gas leakage and diffusion is extremely dangerous, even causes fire, so it is very significant to calculate and research the low pressure gas pipeline leak in the limited space. There are obstacles in the limited space, after the gas leak, danger zone can be formed in the limited space, and it will be affected by wind speed and obstacles. In this paper, fluid mechanics software was used to simulate concentration distribution of leak gas which formed a dangerous zone. By the analysis of simulation results, it’s found that the hazardous gas diffusion will be hindered by obstacles to form irregular dangerous zone around the obstacle. Along with different wind speed, the dangerous zone will be different. The location of the leak point will also affect the size of the dangerous zone. If the leak point is near the obstacle, the leak gas is easy to accumulate, the risk is relative higher.

Limited space; Obstacle ; Low pressure gas ; Leak

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）03-0605-03

2014-10-31

张佳兴（1988-），女，辽宁盘锦人，硕士研究生，2012年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：天然气管道泄漏。E-mail：575599528@qq.com。