用CFD软件模拟天然气放空对环境的影响

李育天，姬忠礼，吴长春，于阳

用CFD软件模拟天然气放空对环境的影响

李育天1, 2，姬忠礼1，吴长春1，于阳3

（1. 中国石油大学（北京），北京 102249； 2. 中国石油规划总院，北京 100083； 3. 中国寰球工程有限公司，北京 100012）

结合输气管道放空系统的工艺特点和有关规范要求，采用TGNET软件模拟放空立管口的泄放速率、温度、马赫数、流速等主要工艺参数。并运用FLUENT软件和PHAST软件模拟了放空天然气在大气环境中的对流和扩散后果，比较了二者的计算差异。最后对多种工况下的天然气扩散结果进行对比，结果表明，两种软件均适用于输气管道放空时的天然气扩散模拟。实际操作中PHAST软件的建模过程更为简便，模拟计算时间较短，计算结果可靠性较高，推荐其作为天然气扩散模拟的首选软件。

输气管道；放空；CFD软件；模拟；泄放速率；噪声；扩散范围

输气管道的投产和运行中，有时需通过阀室或站场放空系统将管段内的天然气释放到大气中。冷放空是最常用的放空方式之一，是通过放空立管，将天然气直接释放到大气环境中，具有系统结构简单，所需安全距离较短，不产生热辐射等优点。放空时天然气喷射到大气环境后会与空气逐渐掺混，形成易燃易爆的蒸汽云团。为了保障放空过程中周围人员和设备的安全，需要对天然气在空气中的扩散过程进行模拟，计算安全扩散半径，并依此设计和建设放空系统，并在放空过程中指导设立安全警戒范围。因此天然气放空过程的模拟和分析是放空系统设计、建设、放空方案编制的基础，对其进行深入研究有积极意义。

目前国外针对输气管道放空系统的设计标准主要包括美国行业规范ASME B31.8国际标准ISO13623，欧洲标准SB EN12186，通过对国际标准化组织、北美和加拿大等国家和地区的相关规范和工程实际进行对比分析，得出几点结论：

（1）输气管道的放空方式没有强制要求，多数执行不点火的放空方式；

（2）放空立管高度没有明确规定，多数要求计算确定，一般高于3m；

（3）大多数石油公司都没有给出最大允许防控总量和泄放速率的限制；

（4）在国外各规范中，放空作业是否需要集中排放没有要求，只要能够保证安全、快速排放到大气中，设置放空立管和放散管都是可行的，对放空立管的设计方式。

国内对于放空系统的研究起步较晚，多参考国外相关标准规范。截至目前我国针对输气管道放空系统的设计、建设、运维并没有统一的标准或规范，涉及到放空系统设计和建设的标准和规范主要包括GB 50251-2015[1], GB 50183-2004[2]和SY/T 10043-2002[3]。其中GB 50251-2015给出了输气管道放空系统设置的一个总体的规定。GB 50183-2004对于放空系统的设置给出了位置、高度、防火安全间距等要求。SY/T 10043-2002《卸压和减压系统指南》与美国标准API 521-1997《泄压和减压系统导则》[4]等同，用于指导分析过压原因、确定泄放速率、选择和设计处理放空系统

以上规范和标准对输气管道扩散作了原则性的规定，但是对具体计算和模拟没有限制。实际放空天然气在大气中的扩散过程受天然气和大气组分、温度、环境风速、大气稳定度、地形条件等多种因素的影响，扩散过程非常复杂，通常采用CFD软件对天然气扩散过程进行模拟分析，其中FLUENT和PHAST是较为常用的扩散分析软件。本文首次采用两款软件的分别模拟天然气扩散过程，并对模拟结果进行对比分析，对比模拟过程和结果，并推荐适合天然气放空模拟的软件。

1 天然气放空过程

输气管道阀室和站场的放空可以简化为固定容积内高压天然气通过放空阀的自由泄放过程。图1为某输气管道阀室放空的示意图。

图1 输气管道放空阀室示意图

如图1所示，当放空截断阀1和2之间管段的天然气时，关闭截断阀1和截断阀2，打开两个截断阀所在阀室内的手动阀，然后逐步开启阀室内的放空阀，将管段内的天然气通过放空管路和放空立管排入大气。当管段内天然气压力降低到接近当地大气压时，放空过程结束。

在条件允许的情况下宜采用计划放空方式，即通过控制放空阀开度调整泄放速率，以保证放空产生的噪声、放空管路振动、天然气最低温度、天然气扩散范围等关键指标在可接受范围之内。

假设某待放空的输气管段长24 km、外径1 422 mm、壁厚32 mm、设计压力12 MPa。放空初始时刻管段内天然气已停止流动，其压力为5.0 MPa，初始温度为30 ℃，管存量为206.2×104m3。放空管路和放空立管直径为406 mm，可以手动控制放空阀开度，调节放空流量。由于工程上一般在管段两端同时放空，当两端放空条件和环境相同时，图1的放空模型可简化为1/2管段从一端放空，则初始时刻管段内天然气为103.1×104m3。

采用TGNET软件模拟该管段12 h放空过程的天然气流速和压力变化。放空过程采用固定泄放速率放空方式，通过实时调整放空阀开度，保持放空立管口的天然气泄放速率基本不变，最后一小时由于管段内压力急剧降低，泄放速率下降显著。模拟所得的泄放过程参数随时间关系趋势见图2。

图2 泄放速率、压力和温度随时间变化过程

放空过程持续12 h后，管段内剩余压力为0.1 MPa，剩余天然气总量2 010 m3。放空前11小时天然气的泄放速率基本稳定在25 Nm3/s，最低温度为-27 ℃，从放空立管口喷出的天然气质量流量约为18.8 kg/s，流速约为218 m/s。这些模拟结果将作为后续的天然气扩散过程模拟的已知条件。

2 FLUENT模拟天然气扩散

FLUENT已广泛应用于天然气等物质扩散模拟领域。FLUENT的应用可以分为前处理、模拟计算与后处理三部分。在进行天然气放空扩散模拟时，前处理包括确定模拟空间、划分模拟空间网格以及设置模拟空间边界条件等。模拟计算是根据设置的初始条件和扩散方程，用数值方法计算放空扩散全过程中模拟空间网格点（节点）上的天然气浓度，并输出计算结果。后处理是对计算结果进行可视化分析，以便于评价扩散过程的安全性。

根据经验[5]，选择如图3所示的六面体作为天然气扩散的空间模拟环境。六面体底面长25 m，宽10 m；顶面长25 m，宽20 m；顶面和底面间距为30 m。其中天然气放空立管口位于底面中心靠近上风向5 m的位置。

图3 天然气扩散模拟的三维空间

为实现计算精度与计算速度的，在划分模拟空间网格时，对天然气浓度梯度大的放空立管出口附近3 m区域采用较小的网格，其边长为0.05 m，而在浓度梯度小的其它区域采用较大的网格，其边长0.3 m。应用GAMBIT软件自带的自适应六面体网格对模拟空间进行网格划分。

对模拟空间设定的边界条件为：放空立管出口的天然气流速和温度，具体数据为前面介绍的TGNET模拟结果；上风面的空气流速和温度取当地当时的风速20 m/s和大气温度27℃；顶面、底面、两侧面及下风面的压力取当地大气压力。

基于上述模拟空间的网格划分及边界条件，利用FLUENT模拟放空过程前11 h天然气扩散范围，得到的模拟空间内天然气浓度分布见图4。第1张图是模拟空间的侧视图，显示天然气扩散时在长度和高度的影响范围。第2至4张图是放空口下游0、10和16.5 m处的正视图，显示天然气扩散时在宽度和高度的影响范围。其中最内层的是天然气爆炸上限以上范围（体积浓度高于16.5%），影响长度约为0.6 m，宽度0.4 m，高度3.2 m。中间区域的是天然气爆炸上、下限浓度范围（体积浓度介于4.4%~16.5%），影响长度约6.5 m，宽度约2.6 m，高度约4.8 m。最外层（绿色）的是天然气浓度小于1/2爆炸下限的范围，影响长度约16.5 m，宽度约4.2 m，高度约9.5 m。剩余区域是天然气浓度低于1/2爆炸下限。由此可见，天然气扩散范围受自然风的影响较大，影响区域集中在下风向，并斜向上的区域。工程上一般将天然气1/2爆炸下限作为安全扩散半径，因此FLUENT软件模拟的安全扩散半径为16.5 m。

图4　天然气扩散浓度FLUENT模拟结果

图5 天然气扩散浓度PHAST模拟结果

3 PHAST模拟天然气扩散

PHAST是一款适用于石油石化领域危险后果分析的软件，其泄放和扩散模型可模拟放空的天然气在大气中的扩散过程。只要输入放空立管高度和直径、天然气组分、泄放速率和温度以及大气温度、湿度、稳定度、风速等参数，PHAST就可模拟天然气从放空立管口进入大气以后的浓度分布，并用等浓度线描述气体云团的高度和下风距离，从而确定安全区域、易燃易爆区域和准危险区域[6]。

针对上节相同算例，PHAST 获得的侧风向的天然气影响范围如图5。图中最内层对应天然气爆炸上限以上浓度范围（体积浓度高于16.5%），影响长度约为0.8 m，高度3.1 m。中间区域对应天然气爆炸上、下限浓度范围（体积浓度介于4.4%~16.5%），影响长度约7.2 m，高度约6.2 m。最外层对应天然气浓度低于1/2爆炸下限（体积浓度为低于2.2%），影响长度约16.3 m，高度约8.9 m。天然气扩散影响区域基本集中在下风向且向上倾斜的区域。从图5可知安全扩散半径为16.3 m。

4 模拟结果对比分析

FLUENT和PHAST的模拟结果对比如表1，可见二者模拟的爆炸上、下限区域较为接近，最大偏差为8%，且安全扩散半径的模拟偏差仅为1%。

表1 FLUENT和PHAST扩散模拟结果

表2 不同工况的扩散模拟结果

为了验证模拟结果对不同放空工况的适应程度，分别用FLUENT和PHAST对多种放空方案的扩散过程进行了模拟，见表2。其中，v表示泄放速率，m表示质量流量，表示流速，w表示风速。可以看出：在不同泄放速率、放空立管出口流速和环境风速下，分别用FLUENT和PHAST确定的安全扩散半径比较接近，四种工况模拟结果的最大相对偏差为8%，平均相对偏差为4%。

5 结论

（1）对应本文所涉及的放空方案，由FLUENT和PHAST模拟得到的天然气安全扩散半径的最大相对偏差为6%，平均相对偏差为4%。两款软件的模拟结果比较接近，均可作为天然气阀室和站场放空系统设计的参考依据。

（2）鉴于PHAST是专门用于石油化工领域危险后果分析的软件，应用于天然气放空扩散过程模拟比FLUENT更方便，模拟结果略偏保守，故推荐PHAST作为天然气放空过程模拟的首选软件。

［1］ 谌贵宇,汤晓勇,郭佳春,孙在荣,李强,郭辰华,等. GB50251-2015输气管道工程设计规范[M]. 中国计划出版社, 2015.

［2］ GB 50183-2004石油天然气工程设计防火规范[S]. 北京:中国计划出版社,2004.

［3］ SY/T 10043-2002. 卸压和减压系统指南[S]. 北京:石油工业出版社,2002.

［4］ 董刚, 唐维维, 杜春, 杨君涛, 于彦飞. 高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(6): 253-256.

［5］ 王赟, 李晓青, 孙建宇, 赵志超, 周瑞. 基于Fluent的坡面天然气管道破裂泄漏扩散模拟[J]中国安全生产科学技术,2014, (s1): 753-757.

［6］梁俊奕. 天然气长输管道火炬放空扩散规律研究[J]. 当代化工. 2016, 45(3): 559-563.

Environmental Impact Simulation of Gas Pipeline Venting by CFD Software

1,2,1,1,3

（1. China University of Petroleum at Beijing, Beijing 102249, China; 2. PetroChina Planning & Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. China Huanqiu Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100012, China)

Based on the process characteristics and corresponding standard specification of the ventilation system, the main operation parameters of natural gas vertical pipe, including discharge rate, temperature, Mach number, flow rate, etc., were simulated by TGNET. Then FLUENT and PHAST were applied to simulate the convection and diffusion process of the natural gas under air condition, and the results simulated by the two kinds of software were compared. Finally, the natural gas diffusion results under various conditions were investigated. The results show that both FLUENT and PHAST can be applied to simulate the diffusion process of natural gas pipeline venting system. But the modeling process of PHAST software is more simple, the calculation time is shorter, and the reliability of the results are more credible, so the PHAST software is recommended as the preferred software for simulating the diffusion process for natural gas.

Gas pipeline; Venting; CFD software; Simulation; Flow rate; Noise; Diffusion range

TE 624

A

1671-0460（2017）12-2556-04

2017-05-25

李育天（1985-），男，陕西省渭南市人，工程师，博士，2014年毕业于中国石油大学（北京），主要从事油气长输管道、油气田地面工程、液化天然气储运等领域的规划、设计和研究工作。E-mail：lyt18@163.com。