含硫天然气泄漏后H2S扩散模型对比分析

陈南熹 何佳坤 梁开武 廖凯 苏美意

(1. 重庆科技学院安全工程学院， 重庆 401331； 2. 重庆市九龙坡区消防支队六店子中队， 重庆 400041)

川渝地区气田采出的天然气大部分含有H2S，且含硫量较高。含硫天然气的危险性较高，一旦发生泄漏，容易引发中毒、火灾甚至爆炸等事故,后果严重[1-2]。含硫天然气是一种混合气体，主要由CH4和H2S组成，H2S属于重气。重气在大气中扩散受到环境风速、大气稳定度、地形条件等因素的影响[3]，其扩散规律相对复杂，目前没有统一的认识。含硫天然气泄漏扩散后，H2S的浓度分布及影响范围可运用重气扩散模型进行模拟计算。含硫天然气是混合气体，泄漏后CH4和H2S同时发生扩散，会使得H2S的扩散规律变得更为复杂，因而各类模型模拟计算的结果并不一定准确可靠。为了寻求适用于模拟含硫天然气泄漏后H2S扩散的模型，我们将分别运用代表性的高斯烟羽模型、UDM模型及CFD模型进行模拟计算，对比分析各模型的适用性。

1 重气扩散模型研究现状

20世纪70年代，国外开始利用现场试验的方法对重气扩散进行研究[4]。为了计算更加简便，基于大量重气泄漏扩散理论数据，国内外研究人员建立了多种扩散模型。

(1) 箱模型和相似模型。箱模型(Box Model，BM)可用于计算重气云团的平均半径、高度等特征。该模型概念清晰，计算量较小，但只适用于简单扩散的危险评价。在箱模型的基础上，经过一系列的拓展和修正，发展了相似模型。相似模型可以反映出重气云团内部不同的速度场和浓度场[5]。

(2) 浅层模型。浅层模型(Shallow Layer Model，SLM)是基于浅水近似(浅层)理论[6]而发展形成的模型，主要通过简化的重气扩散控制方程来描述其物理过程。浅层模型进一步弥补了箱模型和相似模型的不足，但模型不完全成熟[6]。

(3) 高斯模型。高斯模型分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型[7]。模拟含硫天然气的泄漏扩散，一般选用计算连续点源扩散的高斯烟羽模型[8]。模型如式(1)所示：

(1)

式中： [C](x,y,z) —— 给定地点(x,y,z)的重气质量浓度，kgm3；

Q—— 连续泄漏的重气质量流量,kgs；

u—— 风速，ms；

Hr—— 泄漏点到水平面的垂直距离,m；

σy、σz—— 侧风向、垂直风向的扩散系数；

x、y、z—— 下风向距离、侧风向距离和垂直风向距离，m。

使用该模型所需的假定条件较多，且只能模拟计算单一气体的扩散情况。但该模型具有应用较早、现有实验数据丰富、技术较为成熟、计算量较小等优势，因而在含硫天然气泄漏扩散研究方面得到广泛应用。陈晓坤等人以中国石油长庆油田第五采气厂输送管线为研究对象，结合具体场景，利用高斯烟羽模型对含硫天然气在不同工况下的连续泄漏扩散进行了数值模拟研究[9]。

(4) UDM模型。UDM模型(Unified Dispersion Model)是一种复合模型，它以时间和距离为条件，通过方程求解，得到重气扩散后的浓度分布。该模型适用于喷射扩散、重气扩散、被动两相扩散的模拟计算[10]。图1所示为UDM几何云团持续扩散运动轨迹[10]。

图1 UDM几何云团持续扩散运动轨迹

UDM模型应用相对成熟，刘墨山利用该模型对川渝地区含硫天然气的扩散过程及影响因素进行了分析研究[10]。但是，UDM模型模拟纯净物发生泄漏扩散的精度较高，而对于混合物扩散的模拟精度相对较低[11]。此外，UDM模型比较复杂，且计算量大，一般内嵌于Phast软件进行模拟计算。

(5) 三维流体力学模型。三维流体力学模型基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)理论，流体流动符合物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[12]。

质量守恒：

(2)

式中：ρ—— 密度，gm3；

t—— 时间，s；

u—— 速度，ms；

sm—— 连续相与离散相之间的质量交换以及任何自定义的质量源。

动量守恒(N-S方程)：

(3)

式中：ρ—— 静压，Pa；

τij—— 应力张量，N；

Fi—— 外部张力，N。

能量守恒：

(4)

式中：T—— 温度，K；

K—— 流体传热系数，W(m2·℃)；

cd—— 比热容，J(g·℃)；

ST—— 黏性耗散系数。

CFD模型的计算过程复杂，计算量大，因此一般利用CFX、Fluent、FLACS等基于CFD的商用软件对重气泄漏扩散进行模拟研究。在模拟过程中，以常用的k-ε双方程[13]作为理论基础，再通过代入边界值和气体实际参数，将扩散后每时刻气体的浓度与距离之间的关系通过三维视图模拟出来，得到的结果与实际情况基本吻合，且精度较高。

CFD模型可模拟多种气体同时发生扩散的情况，在含硫天然气的泄漏扩散研究方面得到了广泛应用。高永强利用基于CFD的模拟软件和组分输运模型，模拟了高含硫架空天然气管道的非稳态泄漏和稳态泄漏[14]。张宝柱等人利用Fluent软件模拟了不同风速条件下，高含硫天然气管道发生的孔泄漏事故，以此来分析CH4和H2S的扩散情况[15]。

根据各类重气模型描述，对比分析各扩散模型的特点，如表1所示。

2 数值模拟实例分析

选择具有代表性的高斯烟羽模型、UDM模型及CFD模型，针对某地面集输工程高含硫天然气集输管线泄漏扩散场景进行模拟分析。该段集输工程天然气中H2S的平均质量浓度为32 gm3，管径为100 mm，管道平均压力为5 MPa。根据现场实际情况，选取泄漏孔径为25 mm、风速为2 ms的场景进行数值模拟。

表1 重气扩散模型对比分析

2.1 模拟结果

分别利用高斯烟羽模型、内嵌UDM模型的Phast软件和基于CFD的Fluent软件模拟相同工况下含硫天然气发生泄漏扩散的场景，获取H2S质量分数为300×10-6、100×10-6、10×10-6的H2S扩散云图(见图2)。

2.2 结果分析

在H2S质量分数相同的条件下，对比气体扩散可达到的最远距离。高斯烟羽模型模拟结果的数值最大，不同H2S质量分数下最远距离分别为35、73、347 m；UDM模型模拟结果的数值最小，不同H2S质量分数下最远距离分别为19、44、286 m。

高斯烟羽模型的模拟结果偏大，是由于该模型一般用于计算中性气体的扩散，之所以用来计算重气是因为重气扩散存在重力沉降、空气卷吸、云团加热和向中性气体转化等4个阶段的变化[16]。运用高斯烟羽模型计算出的是H2S扩散到最后阶段的结果，与另两个模型的结果相比，其值偏大。在实际工程应用中，不考虑安全成本的情况下，可以利用高斯烟羽模型模拟含硫天然气的泄漏扩散情况，以确定H2S的毒害范围。

UDM模型模拟含硫天然气泄漏扩散的结果偏小。这是因为含硫天然气是混合气体，在模拟过程中，H2S被CH4中和稀释了一部分(即CH4稀释了H2S的毒性)。这也印证了运用UDM模型分析混合气体扩散结果精度相对较低的情况。

通过CFD模型模拟的H2S云图可以看出，利用CFD模型预测含硫天然气的扩散效果最好，与实际情况吻合度最高。但是由于使用该模型的步骤复杂，计算量大且成本高，需要专业的人员才能操作，故该模型一般用于理论计算。在目前含硫天然气泄漏扩散规律的研究中，也多是利用CFD模型来进行模拟。

图2 3种模型的H2S扩散云图

3 结 语

对比分析了几种典型重气扩散模型的原理、适用范围、精度以及优缺点。可以看出，利用基于CFD模型的模拟软件来预测含硫天然气泄漏后H2S的扩散，精度最高，应用范围也最广。但应用该方法一般需要三维建模、网格划分、程序编辑等复杂工序，工作量大，运算速度慢，并且需要专业人员才能完成，故一般仅用于理论计算。高斯烟羽模型、UDM模型也可以用于预测含硫天然气泄漏后H2S的扩散情况，虽然精度低于CFD模型，但运算速度快，使用相对简单，故在工程实践中应用广泛。

CFD模型虽然精确度高，但运用此模型模拟时操作难度较高。在以后的研究中，可尝试使CFD模型在保持准确精度的基础上降低操作难度。另外，也可通过CFD数值模拟结果，对现有的重气扩散模型进行修正和优化，从而提高模型精度。