天然气场站气体扩散数值模拟分析

马新雨，殷建国，汤天平，徐飞

1.保山中石油昆仑燃气有限公司，云南保山651700

2.天津市振津工程设计咨询有限公司，天津300384

天然气场站气体扩散数值模拟分析

马新雨1，殷建国1，汤天平2，徐飞2

1.保山中石油昆仑燃气有限公司，云南保山651700

2.天津市振津工程设计咨询有限公司，天津300384

天然气门站是城市燃气管道系统的重要组成部分，属于易燃易爆场所，主要风险为天然气的扩散及其火灾爆炸。本文介绍了PHAST软件的功能和特点，举例说明了该软件在门站天然气扩散分析中的应用，论证了模拟分析对安全预防的重要意义，对模拟的情况采用移动遥测式甲烷激光探测仪进行了验证，模拟结果与实际检测结果比较一致。

门站；天然气泄漏；数值模拟；甲烷激光探测仪；应用

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是甲烷，另外有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然气在空气中的体积分数即使仅为5%，遇火源即可发生爆炸[1]，因此天然气的安全使用越来越受到政府、企业以及居民的重视。天然气管道漏失的天然气体积一般大约占输气总体积量的10%，漏失现象严重[2]。2015年6月23日，中石油在云南运营的昆明东支线在昆石高速小团山隧道旁的天然气管道被挖掘机破坏后发生泄漏，事发地点距离昆明约30 km，靠近一个高速公路隧道[3]。2015年10月底，美国洛杉矶郊区亚里索峡谷（Aliso Canyon）发生严重天然气储井泄漏事件，总共泄漏约2亿磅（1磅=0.454 kg）天然气，4 460户人家临时迁居到旅馆或短期住处，肇事方将面临9亿美元罚款[4]。由于天然气被视为清洁能源之一，因此国家大力推广天然气在工业、商业以及居民中的应用，在环保意识越来越强的今天，天然气的利用也越来越广泛，越来越贴近人民生活，因此加强天然气安全事故的预防就显得特别重要。

1　天然气场站事故类型

天然气集输系统如图1所示，门站与城市燃气管道密切相关，是城市燃气管道系统的重要组成部分，属于易燃易爆场所[5]。云南昆仑燃气保山公司天然气门站始建于2014年，设计输量55万m3/d，设计压力6.3 MPa，设计温度为常温，门站内有工艺装置区、综合设备间、综合办公楼以及放空区。天然气门站装置的主要事故类型为：天然气的扩散及由扩散引发的火灾、爆炸，见表1。

当天然气发生泄漏后，遇明火会引起火灾。而火灾的发生都伴随着热辐射的产生，当热辐射作用在可燃物上，能引起燃烧；当作用于人员，可能引起人员烧伤甚至死亡；当作用于容器设备时，能引发容器设备超压破裂。因此，研究火灾热辐射的影响距离对火灾救援和预防次生灾害的发生具有重要意义。不同热辐射强度影响效应如表2所示[6]，不同爆炸强度的危害情况如表3～4所示。

图1　天然气集输系统

表1　天然气门站装置可能引起的事故类型

表2　不同热辐射强度的影响效应

表3　爆炸强度对工艺设备和建筑物的危害

表4　爆炸强度对人的危害

2　PHAST软件在保山门站的应用

PHAS T（Process Hazard Analysis Software Tool）软件是由挪威DNV公司开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和计算的应用软件。在石油化工公司、工程建设公司、安全咨询公司中得到广泛应用。该软件通过输入假定发生事故时的一些数据，如设备类型、工艺介质、存储参数及周围环境因子（大气温度、湿度、稳定度、风速）等，即可模拟出石油化工装置可能发生的火灾及爆炸事故的影响范围和程度，可为事故发生后的应急处置和现场控制、相应的安全对策措施、企业应急预案的制订等提供科学的依据。我国GB 50074-2002《石油库设计规范》编制组也曾用该软件对油罐火灾进行模拟计算，为油罐安全间距设定提供参考。PHAST软件主要包括4方面功能：

（1）泄漏模块——计算物质泄漏到环境中的流速等参数。

（2）扩散模块——在天气情况和泄漏模块基础上计算得到云团的传播情况。

（3）燃烧模块——计算可燃性后果，用热福射与冲击波超压表示。

（4）毒气扩散模块——计算气体浓度变化与毒气致死情况。

本案例分别研究保山天然气门站在距离接入总管5 m和15 m处（见图2）发生泄漏后的影响，门站运行的基本信息如表5所示。

图2　保山门站位置图及模拟工况

表5　门站运行基本信息

2.1工况一

一般输气管道泄漏后，泄漏气体浓度达到爆炸极限，可能导致爆炸。爆炸产生的热辐射及冲击波对人体和设备都有极大的伤害。因此本案例主要模拟气体泄漏后浓度、热辐射及冲击波的影响范围。工况一为输气管道距接入总管5 m处泄漏扩散模拟，下列曲线图中（0，0）点为泄漏原点。

天然气爆炸极限范围为5万～15万ppm（1 ppm=10-6体积分数），人体可承受最大热辐射通量为4 kW/m2，模拟本站气体泄漏后，爆炸下限及人体承受最大热辐射通量如图3～4所示。图5～9明确了气体浓度、热辐射、冲击波与泄漏原点的距离关系。

图3　泄漏浓度5万ppm影响范围GIS图

图4　辐射强度4 kW/m2影响范围GIS图

图5　泄漏浓度与距离关系平面图和剖面图

由图5可以看出：爆炸极限浓度与距离、大气状况密切相关。大气稳定度在5D、1.5D和1.5F工况下，极限浓度距离分别为15～23.5 m、18～22 m和18.5～20.5 m。大气越不稳定越有利于扩散，爆炸极限浓度的距离也会相应变大。

由图6～7可以看出：爆炸后产生的热辐射与泄漏中心点距离、大气稳定度之间的关系微乎其微，只有地面风速对其影响较大。

由图8～9可以看出：冲击波的影响范围与热辐射影响范围、泄漏中心点距离和大气稳定度密切相关。

图6　喷射火辐射强度与距离关系

图7　喷射火辐射强度4 kW/m2范围

图8　爆炸冲击波强度

图9　爆炸冲击波强度与距离关系

2.2工况二

图10～16是输气管道距接入总管15 m处泄漏扩散的模拟结果。

图10　泄漏浓度5万～15万ppm影响范围

图11　喷射火辐射强度4 kW/m2影响范围

图12　三种气象条件下泄漏浓度与距离关系平面图和剖面图

图13　喷射火辐射强度与距离关系

图14　喷射火辐射强度4 kW/m2范围

图15　爆炸冲击波强度

图16　爆炸冲击波强度与距离关系

根据工况二可以得出：如果输气管道在此处泄漏，对此门站的影响范围会进一步扩大（见图10～11），对门站站房中人员的伤害会加重。

根据两个工况的模拟结果可以得到：距离泄漏中心点100 m以外热辐射不会对人体造成伤害；距离爆炸中心点260 m范围内，冲击波将能使大部分人死亡，建筑物结构严重破坏。

2.3甲烷激光检测仪现场检测

经在保山门站采用移动式天然气管道泄漏探测仪进行测试并与以上数值模拟结果进行比较，根据当时的环境条件，模拟数据与测试结果误差在5%～10%之间，理论分析与实际结果基本吻合，因此数值模拟分析可为事故造成的影响进行预判。

3　结束语

通过对天然气门站泄漏的数值模拟，并结合我公司对现场的检测对比，其模拟结果与检测结果比较接近，模拟结果可为事故发生时的应急处置和现场控制，提供相应的安全对策措施、企业应急预案的制订等提供科学的依据，为保障门站安全运营奠定坚实基础。

[1]朱伯龄，於孝春.PHAST软件对液化天然气泄漏扩散的研究[J].计算机与应用化学，2009，26（11）：1 418-1 421.

[2]夏慧，刘文清，张玉钧，等.基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（3）：844-847.

[3]新华网.云南中石油昆仑燃气昆明东支线天然气管道泄漏[EB/OL].（2015-06-24）[2016-04-04].http://news. xinhuanet.com/energy/2015-06/24/c_127943520.htm.

[4]搜狐网.美国亚里索峡谷史上最大天然气泄漏事故，前因后果细说分明[EB/OL].（2016-02-19）[2016-04-04].http://mt.sohu. com/20160219/n437913749.shtml.

[5]蒋立军，刘峰，高震，等.PHAST软件在输气站场泄漏事故后果评估中的应用[J].当代化工，2015（1）：292-294.

[6]魏沁汝.天然气长输管道高后果区识别与风险评价研究[D].成都：西南石油大学，2015.

NumericalSimulation Analysis ofGas Diffusion at NaturalGas Station

MAXinyu1，YIN Jianguo1，TANG Tianping2，XU Fei2
1.PetroChina Baoshan Kunlun Gas Co.，Ltd.，Baoshan 651700，China
2.Tianjin Zhenjin Engineering Design&Consultant Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China

Natural gas gate station is an important part of urban gas pipeline system，which belongs to the inflammable and explosible places with the main risks of natural gas diffusion，fire and explosion.This paper introduces the functions and features of PHAST software，illustrates the application of the software in natural gas diffusion at gate station，demonstrates the significance of simulation analysis for the safety prevention.The simulated results are verified by the mobile telemetry methane laser detector.It is shown that the simulated results and the actually tested results are coincident.

gate station；naturalgas leakage；numericalsimulation；methane laser detector；application

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.014

马新雨（1984-），男，云南楚雄人，助理工程师，2006年毕业于华北科技学院安全工程专业，现从事城市燃气管理方面的工作。

Email：zectangtianping@163.com

2016-07-14；

2016-08-15