埋地天然气管道持续泄漏数值模拟.pdf

第 4 4卷第 8期 2 0 1 5 年 8月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N o ． 8 A u g u s t ，2 0 1 5 埋地天然气管道持续泄漏数值模拟 官 学 源 新疆油田公司工程技术研究院 ，新疆 克拉玛依 8 3 4 0 0 0 摘 要 针对埋地天然气管道泄漏扩散问题， 采用有限体积法， 建立埋地天然气管道泄漏扩散模型， 在 1 ～ 7 级风场条件下，考虑土壤和大气稳定度对泄漏气体扩散的影响，从安全的角度出发，分析埋地天然气管道泄漏 持续扩散情况，得出甲烷爆炸浓度云团在不同风场条件下的扩散规律。为埋地天然气管道的风险评估 、安全运 行和管理，事故分析，工程设计以及泄漏后应急措施等提供了参考理论。 关键词 数值模拟；泄漏 ；埋地管道 ；甲烷 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 8 1 9 7 4 0 3 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o n Co n t i n u o u s Le a k a g e o f Bu r i e d Na t u r a l Ga s Pi pe l i n e s GUAN Xu e - y ua n T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f X i n j i a n g O i l fi e l d C o mp a n y , X i n j i n g K a r a ma y 8 3 4 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f n a tur a l g a s l e a k a g e a n d d i ff u s i o n o f b u r i e d p i p e l i n e s ， t h e fi n i t e v o l u me me t h o d wa s a d o p t e d t o e s t a b l i s h t h e n u me r i c a l mo d e 1 o f n a tur a 1 g a s 1 e a k a g e a n d d i flu s i o n o f b u r i e d p i p e l i n e s ． u n d e r 1 ～ 7 g r a d e wi n d fi e l d ， c o n s i d e r i n g e f f e c t o f t h e s o i l a n d a t mo s p h e r i c s t a b i l i t y o n t h e g a s l e a k a g e a n d d i ffu s i o n ， f r o m t h e v i e wp o i n t o f s a f e t y , l e a k a g e a n d d i f l u s i o n c o n d i t i o n s o f n a tur a l g a s o f b u r i e d p i p e l i n e s we r e a n a l y z e d ． t h e d i f f u s i o n r u l e o f t h e e x p l o s i v e c o n c e n t r a t i o n c l o u d o f me t h a n e wa s o b t a i n e d ， wh i c h c o u l d p r o v i d e t h e o r y r e f e r e n c e f o r r i s k a s s e s s m e n t ， s a f e o p e r a t i o n a n d ma n a g e me n t o f b u r i e d n a t u r a l g a s p i p e l i n e s ． Ke y wo r d s Nu me r i c a l s i mu l a t i o n ； L e a k a g e ； Bu r i e d p i p e l i n e ； M e t h a n e 随着我 国天然气工业的高速发展 ，其需求量的 不断攀升带来了能源安全的新危机 。像其他 的工程 设备一样，管道也可能发生事故。目前我国大多数 在役管道已经处于老年化 ，这些陈旧管道有着相对 较高的泄漏事故发生率。近年来，输气管道安全事 故曾发生很多起 ，尤其是埋地天然气管道 。容易发 生泄漏 ，而且不容易被发现 ，这种特点的管道泄漏 会造成更大的意外风险，导致输气管道日常工作更 难 以管理 。 针对管道泄漏扩散问题 ，我 国学者考虑各种条 件 的影响因素下对天然气 的泄漏问题进行了大量的 数值研究” 。 。 本文通过 F L U E N T软件 ，基于有限容积法 ，建 立埋地天然气管道持续泄漏扩散模型，在 1 ～ 7 级风 场条件下，考虑土壤和大气稳定度对泄漏气体扩散 的影响，分析埋地天然气管道泄漏扩散的特点和规 律。为埋地天然气管道的风险评估、安全运行和管 理 ，事故分析 ，工程设计以及泄漏后应急措施等提 供 了参考理论 。 1 数学模型 1 ． 1 组分输运守恒方程 v v R 1 f 式中R 一 第i 种组分在化学反应种的速率 ，k g m o l ／ IT I3 - s ； S一 扩散相加上用户定义的源项； 组分， 的扩散通量，to o l ／ ／ 1 1 2 s ； y 一第i种物质的质量分数，％； U一流体流速 ，m ／ s ； P一密度，k g ／ m ； t 一 时间。s 。 湍流中的质量扩散 一 【 兰 JV 2 式中S e t 一 湍流施密特数 ； n． ～ 混合物中第i 种物质的扩散系数 ； 一 湍流粘度，P a 1 ． 2 标准 k -s模型的运输方程 p 8 k 瓦Ok 专 鸶 ] 考 ] G 一 一 c 3 p等 筹 毒 考 ] c 、G G 卜 p 譬 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 2 0 6 作者简介 官学源 1 9 8 7 一 ，男，辽宁沈阳市人，助理工程师，硕士，2 0 1 3 年毕业于辽宁石油化工大学业，从事地面工程工作。 E -ma i 1 g u a n x u e y u a n D 。 l 2 6 ． c 0 m。 1 9 7 6 当 代 化 工 2 0 1 5年 8月 气体危险浓度的扩散，轻风风场危险程度高于软风 风场。6 ～ 7级风 即强风和疾风 时，大气稳定度 为 c D ，泄漏气体主要贴近地面扩散，同时由于其 风场作用力大，使大气对泄漏气体浓度大量稀释， 低于 5 ％体积浓度的甲烷气体扩散范围较远，而爆 炸浓度的甲烷扩散范围有限， 危险程度中。在 2 ～ 1 2 rai n时，强风条件下 ，下风 向甲烷的爆炸浓度 的水 平最远距离先扩大再减小至饱和，1 2 ra i n时刻 ，最 远距离为 2 8 3 I n ；疾风条件下 ，下风向甲烷的爆炸 浓度的水平最远距离呈逐渐减小趋势， 1 2 m i n 时刻， 最远距离为 2 0 8 m。对比疾风和强风条件下泄漏气 体危险浓度的扩散，强风风场危险程度高于疾风风 场。3 ～ 5级风 即劲风 、微风和和风 时 ，大气稳 定度为 B ～ D ，泄漏气体危险浓度云团与地面呈一定 角度向大气扩散，部分云团将扩散到高空，同时由 于其风场作用力相对 1 ～ 2 级和 6 ～ 7级风场适 中，大 气对泄漏气体的稀释作用可使甲烷的爆炸浓度区域 有效的扩大，危险程度强。在 2 1 2 m i n时，微风条 件下 ，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离呈逐 渐扩大趋势，1 2 mi n时刻 ，最远距离为 5 2 8 m；和 风条件下 ，下风向甲烷的爆炸浓度的水平最远距离 呈逐渐扩大趋势 ，1 2 ra i n时刻 ，最远距离为 5 1 7 m； 劲风条件下 ，下风 向甲烷的爆炸浓度 的水平最远距 离先扩大在减小至饱和 ，1 2 mi n时刻 ，最远距离为 4 1 3 m 。 对比微风、 和风和劲风条件下泄漏气体危险 浓度的扩散，微风风场危险程度最高，和风次之， 劲风最低 。 表 2 大气稳定度的因素 T a b l e 2 At mo s p h e r i c s t a b i l i t y f a c t o r 3 结 论 在7 个等级的风场影响下，埋地天然气管道泄 漏扩散 甲烷 的爆炸浓度云团随着风速的增大呈先扩 大再减小的规律， 微风情况下的泄漏问题最为严重。 对于甲烷的防范， 可分为3 个等级， 对其采取不同等 级 的安全措施 。1 ～ 2 级风 即无风 、软风和轻风 采取低级别防范措施 ；6 7 级风 即强风和疾风 采取中级别防范措施 ；3 5 级风 即劲风 、微风和 和风 采取高级别防范措施 。 参考文献 [ 1 ]孙宏新 ，张丹． 天然气管道泄漏数值模拟f J 1 l 中国科技博览，2 0 1 0 4 8 9 9 0 ． [ 2] 程浩力， 刘德俊， 刘倩倩， 等． 城燃管道街道峡谷泄漏扩散 C F D数值模 拟『 J I l石油化工高等学校学报 ，2 0 1 1 4 6 0 6 3 ． [ 3] 程浩力， 刘德俊．城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟f J 】 l辽宁石油 化工大学学报 ，2 0 1 1 , 2 3 1 2 7 3 1 ． [ 4] D a n i e l A C r o w l ， J o s e p h F L o u v a r ． C h e mi c a l P r o e e s s s a f e t y f u n d a m e n t a l s w i t h a p p l i c a t io n [ M ] ．N e w J e r s e v P r e n t i c e H a 1 l ， 1 9 9 0 1 2 1 - 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