天然气集气站场内输气管道小孔泄漏数值模拟

张太亮，李朝晖，耿亚君，张旭，袁 磊

（1.西南石油大学化学化工学院四川 成都610500；2.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

目前天然气的输送普遍采用管道输送的方式进行。我国大部分管道已经使用多年，我国东部的部分管网运行时间更是有三十多年，老化现象十分严重。影响管道泄漏的因素主要包括：内外腐蚀、人为破坏、管道自身缺陷和各种自然灾害等。其中天然气管道泄漏一般为孔口泄漏或裂缝泄漏，其中大部分为小孔泄漏［1-3］。现阶段，国内外对气体泄漏扩散规律方面的研究已大有进展。M.Siddiqui等［4］使用CFD模拟来分析室内工业环境中氯泄漏扩散规律并提出相应的风险缓解措施。Qian-xi Zhang等［5］通过计算流体动力学 （CFD）方法预测城市地区天然气释放后风险区域在不同风向或不同释放速率条件下的情况，并研究了强风和微风环境下风险区随释放率增加的变化趋势。李朝阳等［6］对架空和埋地天然气管道泄漏时的气体扩散规律进行研究，对比了埋地天然气管道和架空天然气管道的泄漏爆炸范围。

集气站场内天然气储量大，若发生泄漏，将严重危害人民生命和财产安全。因此，研究天然气扩散规律，对于制定应急救援预案，降低环境、安全风险和天然气可持续开采具有重要的意义。

1 集气站管道小孔泄漏模拟研究

1.1 模拟初始条件

通常，管道内的天然气是压缩气体，为方便建模，本文泄漏孔口采用圆孔。在假定管内气体属于一维稳态流动且符合理想气体运动规律的条件下，天然气的泄漏扩散过程属于绝热过程，因此，天然气的泄漏扩散过程是在平面圆孔口处的绝热膨胀过程，为定熵过程［7］且气体泄漏速率等于起始最大泄漏速率u。

环境温度为300K，压力为101325Pa，天然气管道的运行压力为0.7MPa。临界压力小于管道运行压力，因此泄漏为音速泄漏，气体流动为临界流动，应使用式 （1.1）计算泄漏量。孔口泄漏量的表达式：

式中：Q表示孔口的泄漏量，kg／s；A表示泄漏孔面积，m2；CD表示孔口流量修正系数，一般为0.6-1；Pa表示泄漏口的绝对压力，Pa；R表示气体常数；M表示气体摩尔质量，kg／mol。

设置泄漏孔径分别为：10、20、30、40 mm，在静风、管道压力为0.7 MPa的条件下通过代入式（1）可以得到对应的泄漏量：0.0932、0.384、0.839、1.492 kg／s。

1.2 集气站管道小孔泄露模型建立

在一个长为150m、宽为60m，有管架、井口、收发球器、站控室等设备的集气站中，发生管道小孔泄漏，本文着重研究泄漏处的影响，因此，对模型进行简化研究，选择二维模型分析。在一个长为150m、宽为60m的集气站内部有一个13m×6m的办公区、15m×22m的辅助生产区和15m×50m的井架区域，管径200mm。图形右侧为风速进口。

本文使用ICEM CFD15.0对模型进行网格划分，并对泄漏孔周围的网格进行加密，管壁处设置100个节点，泄漏孔处设置10个节点，划分后的网格总数有328430，节点数为164801。

1.3 监测点的设置

由于天然气的小孔泄漏为非稳态泄漏，因此需要设置监测点对各点的天然气浓度进行监测，更好地去研究天然气泄漏扩散的规律，主要选取14个监测点，监测点位置分布如图1所示。

图1 几何模型中监测点的位置图

2 集气站管道小孔泄露天然气扩散的影响因素研

2.1 风速

风速是影响天然气泄漏扩散的重要因素，且风速不断地发生变化，本文中假设风速是恒定的。同时，风速的影响会加剧空气和天然气之间的传热传质，使得天然气得扩散更快。天然气泄漏扩散是一种非稳态过程，本文选取连续泄漏30 s后的数据进行比较。根据当地一年四季风速的大体情况，选择一下这四种风速的泄漏情况，进行模拟。主要模拟的风速有：1.5 m／s、3 m／s、4.5 m／s共四组，风向为从右至左，管道的运行压力为0.7 MPa，泄漏孔径取20 mm，此时泄漏量为0.384 kg／s。

天然气含有高浓度CH4，所以下面将主要模拟甲烷泄漏情况，经过模拟，对应的不同风速下的甲烷浓度分布云图如图2所示。由图2看出：

1）在静风条件下，由于周围障碍物的存在，因此，泄漏的天然气难以扩散到站场的外围，仅存在于站场内部；2）随着风速的略微增大，泄漏的天然气可以充分地扩散到处于下风向的站场外围，同时，处于上风向的天然气浓度降低；3）风速越大，处于上风向位置处的安全区域越大，同时，泄漏孔口周围的天然气浓度也得到了很好的疏散；4）处于两障碍物间隙处的下风向位置处的天然气能够获得更好地疏散；5）处于障碍物下风向的位置处的天然气不易获得疏散。

图2 不同风速下的甲烷浓度分布云图

监测点处浓度：经过模拟，风速为3m／s时，在风力作用下，处于下风向位置处的天然气浓度远远高于处于上风向位置处的天然气浓度，因此，我们在选择探测器位置的时候要优先选择下风向处的位置，这样更容易检测到其泄漏。同时，在同一x坐标位置处的point12和point13的质量分数分别为3.58×10-4和0.79×10-4，两者浓度相差很大，是因为point12位于障碍物的背风侧，障碍物的出现阻碍了天然气的浓度扩散。因此我们在选择探测器位置的时候还应选择障碍物背风侧的位置。

2.2 泄漏时间

朱远星［8］在净化站气体报警仪优化布点的研究中，检测数量最低检测百分率最低的情况下，需要11.3s即可进行预警，本文考虑30s的泄漏事件作为模拟时长。在风速为3m／s，管道运行压力为0.7 MPa，天然气泄漏孔径为20 mm的条件下对天然气的泄漏扩散进行模拟，此时泄漏量为0.384 kg／s，同时对泄漏时间为19、25、30 s的泄漏情况进行对比分析。经过模拟，可以分析出：

1）随着泄漏时间的增长，天然气逐渐向周围扩散，泄漏扩散得越充分，下风向站场位置处的危险区域减小，总体来说，站场内的安全区域增大；2）随着泄漏时间的增长，位于障碍物后侧难以扩散的天然气也逐渐得到了扩散；3）随着泄漏时间的增长，泄漏孔周围的天然气浓度得到了降低。

2.3 泄漏孔径

天然气的泄漏量与泄漏孔径密切相关，而泄漏量与站场的安全紧密相连。因此，在管道运行压力为0.7 MPa、风速为3 m／s、泄漏时间为30 s的条件下，选择一组孔径：10、20、30、40 mm，进行模拟后对比分析泄漏孔径对天然气泄漏扩散的影响。经过模拟，可以分析得到：

1）孔径与泄漏量呈正比关系，孔径越大，泄漏量越大，越难以扩散，但是这种影响比较细微；

2）在孔径增大的情况下，泄漏孔周围泄漏的天然气更加的难以扩散，更容易出现聚集现象。

2.4 小结

在相同的泄露情况下，风速越大，越不利于集气站内可燃性气体的聚集；随着扩散时间的增加，集气站内下风向天然气泄漏扩散得越充分；随着孔径的增大，泄露口附近的可燃性气体越难以消散。

本文在模拟过程中固定了集气站条件，因此在模拟过程中，没有考虑泄漏压力、天然气组分、温度等条件的变化对于泄漏情况的影响。

3 蒸气云爆炸模型

经过模拟，我们能够看出，站场内存在着许多的障碍物，在泄漏的天然气被点燃后会有一定的空间约束，导致形成的蒸气云团不能立即扩散。因此，本文采用蒸气云爆炸模型，由TNT当量法来估计蒸气云爆炸的严重程度，计算模型如下：

式中α表示蒸气云爆炸的效率因子，范围在0.03到0.05之间，本文取0.03；mTNT表示为蒸气云爆炸中燃料的总质量，kg；ΔH表示天然气的燃烧热，一般取47.321 MJ／kg；QTNT表示TNT的爆炸热，一般取 4.52 MJ／kg。

假设死亡概率百分数为50%，死亡半径公式如下：

重伤半径公式如下：

轻伤半径公式如下：

在压力为0.7MPa、温度为300 K、泄漏孔径为20 mm的条件下，泄漏量为0.384 kg／s，那么由上述公式可得不同泄漏时间下的爆炸能量和伤害半径如图3所示：

图3 危险半径随泄漏时间变化图

由图3表可知，当泄漏时间越长，这些危险半径越大，在天然气发生小孔泄漏30 s后，轻伤半径已达27.5 m。虽然小孔泄漏的泄漏量小，但随着泄漏时间的增长，所产生的风险是不容小觑的。因此，必须采用有效的措施，在站场内部建立合理的天然气浓度监测点，做好日常的设备巡回检查，尽可能地杜绝危险的发生；同时，制定相应的应急救援方案，使得危险尽可能地降低到最小。

4 总结

本文通过查阅相关的文献，简单介绍了天然气泄漏扩散的相关理论，使用FLUENT软件对不同泄漏孔径、风速及泄漏时间的条件下对气体泄漏扩散过程进行模拟，并通过计算危险半径对天然气的泄漏扩散的风险进行简要的分析，所得出的结果如下：

1）压力分布规律。天然气泄漏孔和障碍物周围压力较大，但在距离泄漏孔较短距离后，压力就降到了环境压力。风速越大，站场内的整体环境压力越低；在有风的情况下，随着泄漏时间的增长，泄漏孔周围压力反而降低，下风向的压力随之升高；孔径越大，站场内的整体压力越高，泄漏孔周围压力越高。

2）速度分布规律。天然气泄漏孔和障碍物周围的速度较大。风速越大，站场内和泄漏孔周围的气体流速均增大；泄漏时间越长，站场内气流扰动范围越广；孔径越小，站场内及泄漏孔周围的气体流速均增大。

3）天然气浓度分布规律。风速越大，处于上风向位置处的安全区域越大，处于下风向位置处的危险区域越大，障碍物背风侧的天然气浓度越大，且随着泄漏时间的增长，障碍物背风侧及泄漏孔周围的天然气浓度先增大后减小，站场内的安全区域先减小后增大；孔径越大，站场泄漏孔周围以及整个站场内部泄漏的天然气越难以扩散。

4）对于天然气泄漏扩散的探测器位置优先选择位于下风向的区域和靠近障碍物背风侧的区域。