管道压力对综合管廊天然气管舱内天然气泄漏扩散的影响*

孙华 唐聪 周宁 李雪 袁雄军

(1.上海化学工业区公共管廊有限公司 上海 201507； 2.常州大学石油工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

地下综合管廊天然气管舱内管道输送压力各不相同，管道压力对于泄漏扩散影响较大，安全风险各异，因此亟需开展相关研究为天然气管舱设计和安全运行管理提供理论支撑。前人对管道压力对泄漏扩散的影响开展了一系列研究，取得了一些成果。钱喜玲等[1]对西安市某一地下综合管廊天然气管道进行数值模拟研究，发现当泄漏压力相同时，可燃气体扩散距离与泄漏时间呈正相关关系。WANG X M等[2]利用CFD软件对地下综合管廊天然气小孔泄漏进行数值模拟计算，分析了压力和通风换气次数之间的关系。邓小娇等[3]对综合管廊管舱内管道压力分别为200、400、800 kPa泄漏时的报警时间及泄漏扩散规律进行数值模拟研究，获得相关报警时间和可燃气云扩散规律。王雪梅等[4]对综合管廊燃气舱管道压力对泄漏扩散过程的影响进行数值模拟研究，得到管道压力与气云扩散过程的初步规律。李静毅等[5]开展了综合管廊燃气舱管道压力对泄漏的影响研究，结果表明，泄漏孔正上方燃气舱顶部天然气体积分数达到5%的时间随管道压力的增高而减少。综上目前虽然有不少学者对管道压力对泄漏扩散过程和气云浓度分布规律开展了系列研究，但在综合管廊天然气管舱内天然气管道压力不同时泄漏扩散过程管舱内的流场特性、可燃气云浓度分布规律、报警时间等研究还不充分，未从流场特性去分析压力对气云扩散加速的机制，因此本文采用FLUENT软件对天然气管舱内管道压力对泄漏扩散特性、流场特征等方面开展系统研究，以期揭示管道压力对泄漏扩散影响的机制，并为天然气管舱设计与安全运行提供基础数据。

1 物理模型及初始条件

由于整个综合管廊尺寸比较大，选择一个防火分区作为研究内容，即管舱长200 m，建设二维模型，建模尺寸为200 m×2.6 m，2.6 m为天然气管道泄漏口到舱顶的距离，泄漏口位于管道中心处，共设14个可燃气体报警探测器，天然气管舱顶部左边为通风口，右边为排风口，尺寸均为1 m×1 m，靠近防火墙两端的区域为通风死角区域，长0.5 m，泄漏口孔径为20 mm。t=0时，甲烷浓度为0。本文研究的自变量为不同管道压力，依次为0.2、0.4、0.8、1.6 MPa。对管道压力进行数值模拟研究时，泄漏口处边界条件类型设为质量流量入口或压力入口，通风换气次数为6次/h，换算风速为1.91 m/s。管廊管舱几何模型如图1所示，表1为泄漏口边界条件设置。

图1 管廊管舱几何模型

表1 泄漏口处边界条件设置

2 管道压力对管舱内天然气浓度扩散的影响

首先根据扩散云图和速度矢量图来分析云图的运动轨迹。图2是以管道压力0.8 MPa为例的天然气扩散浓度云图，图3为相同情况下的速度矢量图(x为管舱长度，y为管舱高度，单位均为m)。从图中可以看出，天然气一旦发生泄漏，泄漏口正上方管舱顶部就会有很密的速度流线，促使气体向管舱顶部射流，该射流过程主要经历了自由扩张、有限扩张以及收缩回流3个阶段。泄漏前期(10～50 s)，速度矢量大，主要体现为向管舱顶部扩散；泄漏中期(100～150 s)，由于受舱顶的限制，速度矢量流线开始向管舱两侧密布，再加上通风风速的影响，导致迎风区速度矢量大于逆风区，迎风区偏移扩散距离增大；泄漏后期(200～250 s)，由于动量不守恒导致的速度梯度和密度梯度，促使迎风区天然气横向扩散距离在不断增长的基础上又增强了预混气体的卷吸作用，纵向扩散距离也发生了变化，逆风区和迎风区的扩散距离都增大，但迎风区甲烷扩散浓度比逆风区高。随着泄漏时间的推移，迎风区大约7 m左右的地方出现“二次反射”现象，主要是因为迎风区泄漏量大，卷吸作用强，扰动性增强，湍流不稳定性加剧，涡团加速运动，扩散速度快。

图2 0.8 MPa时泄漏口附近浓度扩散云图

图3 0.8MPa时泄漏口附近速度矢量图

分析管道压力分别为0.2、0.4、0.8、1.6 MPa时各监测点甲烷浓度随时间的变化关系。结果表明，无论哪种压力情况，泄漏口附近的监测点(x=±22.5 m，y=2.3 m)甲烷浓度先达到峰值，对称监测点甲烷浓度成对称分布情况。管道压力为0.2 MPa时，各监测点浓度变化不明显。故低压时，气体射流较弱，泄漏量较少，参与湍流扩散的气体量较少；管道压力为0.4 MPa时，各监测点甲烷浓度变化比0.2 MPa时起伏大，越靠近泄漏口体积分数变化越大，监测点(x=±22.5m，y=2.3 m)同一时间达到浓度峰值。150～250 s期间，各监测点峰值呈波峰波谷变化，振荡波形紊乱；管道压力为0.8 MPa时，迎风区和逆风区甲烷浓度开始出现分层变化，迎风区监测点浓度波动变化较大，尤其是靠近泄漏口附近的监测点8，逆风向监测点浓度变化缓慢，这说明管道压力为0.8 MPa时，迎风向受卷吸作用和湍流干扰强；管道压力为1.6 MPa时，迎风区和逆风区甲烷浓度变化分层现象明显，迎风区甲烷浓度变化趋势较0.8 MPa时稳定，随泄漏进程的加快，振荡变化幅值逐渐趋于零，而逆风区甲烷浓度刚开始只有微小波动后迅速趋于一条直线，迎风区和逆风区浓度峰值最大振幅差约为0.16，迎风区浓度波动变化情况：0.8 MPa>0.4 MPa>0.2 MPa>1.6 MPa，而逆风区0.4 MPa>0.2 MPa>0.8 MPa>1.6 MPa。

3 管道压力对管舱内流场分布的影响

流场变化最能反映天然气扩散运动的规律。图4为不同压力情况下管舱内流场分布情况，可以看出，管道压力为0.2 MPa时，泄漏量较小，只有泄漏口附近出现射流，形成小尺寸涡团，扩散过程中预混气体卷吸作用不强，迎风向和逆风向湍流变化不明显，涡团变化较稳定，新涡团主要为壁面约束形成的壁面涡团；管道压力为0.4 MPa时，除了逆风向回流区出现不规则涡团后，逆风向涡团变化稳定，迎风向区域不断有新涡团产生，加速扩散进程；管道压力为0.8 MPa时，逆风向区域泄漏口附近涡团尺寸逐渐变小，迎风向区域涡团尺寸逐渐变大，这是因为迎风向动态扩散气体与逆风向静态空气相比压差变大，速度梯度较大，湍流扩散主要向迎风向区域运动，逆风向区域只有少量低浓度气体偏移扩散；管道压力为1.6 MPa时，泄漏量大，射流现象明显，迎风向区域扩散距离增大的同时，逆风向收缩回流区也增大，故泄漏口附近迎风区和逆风区都由于湍流运动诱导了涡团的形成，迎风区涡团尺寸较大。综上，随着管道压力增大，泄漏量增大，射流喷射加速，动态天然气和静态空气密度梯度、速度梯度及压力梯度相差越大，受到重力惯性力和浮力的影响越大，出现强迫卷吸现象越明显，加速涡团形成与运动，促进天然气扩散。

(a)0.2 MPa

(b)0.4 MPa

(c)0.8 MPa

(d)1.6 MPa

4 管道压力对报警响应时间的影响

报警时间与报警浓度直接相关，天然气报警浓度是指天然气爆炸下限的20%，(20%LEL)爆炸极限为体积分数的5%～15%(LEL～UEL)。表2、表3、图5表示的是不同压力情况下各监测点报警时间的变化关系，可以看出通风死角处监测不到报警时间，最短报警时间出现在迎风向区域靠近泄漏口位置，最长报警时间出现在逆风向远离泄漏口位置，即通风死角处。管道压力越高，动量交换越快，涡团运动越剧烈，监测点浓度分层现象越明显，天然气扩散越快，迎风区浓度分布变化波动越大，最大波动出现在管道压力为0.8 MPa的情况下，而逆风区浓度分布逐渐稳定。且管道压力越高，同一位置处的报警时间逐渐减小，变化幅度最大值位于x=80.5 m、y=2.3 m处，说明管道压力与报警时间成反比关系。为了能更好的表示出报警时间和监测点位置变化的关系，根据1stOpt对报警时间(t)和监测点位置(x)进行拟合，拟合度均达到0.999，得到如下函数关系式：

表2 逆风区报警时间和监测点位置的关系

P=0.2 MPa时，t= 27.39-0.23x+0.05x2+8.09×10-5x3-9.58×10-6x4-1.49×10-8x5+8.06×10-10x6

P=0.4 MPa时，t= 23.67-0.19x+0.04x2-3.18×10-6x3-4.37×10-6x4+2.72×10-11x5+2.24×10-10x6

P=0.8 MPa时，t=18.21-0.22x+0.03x2+2.16×10-6x3-3.95×10-6x4-2.02×10-10x5+2.02×10-10x6

P=1.6 MPa时，t= 15.11-0.25x+0.03x2-9.48×10-6x3-3.65×10-6x4+6.74×10-10x5+1.85×10-10x6

图5 报警时间随监测点位置的变化关系

5 结论

本文通过数值模拟深入研究综合管廊管舱内天然气管道压力对管舱天然气管道泄漏扩散特性的影响，主要得到以下结论：

(1) 随着管道压力逐渐增大，监测点浓度出现分层现象，迎风区浓度变化波动较大，最大波动出现在0.8 MPa压力情况下，而逆风区浓度变化逐渐稳定。

(2)随着管道压力增大，泄漏量增大，射流喷射加速，动态天然气和静态空气密度梯度、速度梯度及压力梯度相差越大，受到重力惯性力和浮力的影响越大，强迫卷吸现象越明显，加速涡团的形成与运动，促进天然气扩散。

(3)管道压力越高，报警时间越短，管道压力与报警时间成反比。