含硫天然气管道泄漏事故数值模拟与分析.pdf

第 4 2卷第 2期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L ＆ GAS 2 O 1 含硫天然气管道泄漏事故数值模拟与分析 张 宝柱侯 文 祥 宋 永超 中国石 油天 然 气管道局 国 内事业部 摘 要 高含硫天然气管道在运行过程 中由于腐蚀等原 因经常会发生孔 口泄漏事故， 对周 围 人 身安 全和 环境 造 成危 害 。利 用 C F D软件 F l u e n t 对有 风状 态下 高含 硫 天 然 气 管道 发 生孔 口泄 漏 后 CH 和 H S的扩散 情 况进 行 了数 值 模拟 。结果表 明 ， C H 受 浮力影 响 向 高空扩散 趋 势 明 显 ， 其 爆 炸 范 围集 中在 泄 漏 口附近 ； H。 S由于初 始动 量较 大 ， 在 泄 漏孔 口附近 会 向 高 空扩 散 ， 但 随 着 动 量 的减少和扩散距 离的增加 ， 在重力的作用下会逐渐降落到地面附近 ； 对比 3 m／ s和 1 m／ s 风速情况 下 CH 和 H s的扩散情况， 在 1 m／ s 风速下 cH 的爆炸范围会略有增加 ， 高浓度 H S会达到更 高的范围， 且靠近泄漏 口附近的地 面浓度会更低。 关 键词 天 然 气管道数 值模 拟扩散 浓度 中图分 类号 TE 8 8文 献标 识码 A DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 3 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n a nd a n a l y s i s o f s u l f u r o u s na t u r a l g a s p i pe l i ne l e a k a g e a c c i d e nt Zha n g Ba o z hu，Ho u W e nx i a ng，So ng Yo ng c h a o Ch i n a Pe t r o l e u m Pi p e l i n e Do me s t i c Di v i s i o n，La n g f a n g 0 6 5 0 0 0，He b e i ，Ch i n a Abs t r a c t Or i f i c e l e a ki n g o f hi g h s ul f u r n a t ur a 1 g as pi p e l i n e h a p pe ne d f r e qu e nt l y du e t o c o r r o s i on an d o t he r r e a s ons i n o pe r a t i on pr o c e s s，wh i c h wi l l c a us e h a r m t o pe r s on a l s a f e t y a n d e n v i r o nm e nt ． I n t hi s p a p e r ，t he CFD s o f t wa r e Fl u e nt i S u s e d t o s i m ul a t e t he di f f u s i o n o f me t h a ne a nd h y d r o g e n s u l f i d e a f t e r o r i f i c e l e a k i n g o f s o u r g a s p i p e l i n e i n wi n d y c o n d i t i o n s ．Th e r e s u l t s h o ws t ha t be c a us e o f t he buo y a nt e f f e c t ， m e t ha n e d i f f us i o n t r e nds t o hi g h a l t i t ud e a nd i t s e xpl o s i ve r a n ge i s n e a r t he l e a ki ng ho l e ． H y d r og e n s ul f i de s p r e a ds t o hi g h a l t i t ud e du e t o t h e l a r ge i ni t i a l mome nt u m ne a r l e a ki n g ho l e，bu t wi t h t he de c r e a s e o f mome nt u m a n d t h e i nc r e a s e o f d i f f us i on di s t a nc e，i t gr a du a l l y f a l l ne a r t o gr ou nd un de r t he a c t i o n o f gr a v i t y ． By c o m p a r i s i on o f m e t ha n e a n d h y d r o g e n s u l f i d e d i f f u s i o n u n d e r t h e c o n d i t i o n o f wi n d s p e e d a t 3 m／ s a n d 1 m／ s ，t h e me t h a n e e x p l o s i o n r a n g e i n c r e a s e s l i g h t l y a t t h e wi n d s p e e d o f 1 m／ s ，h i g h c o n c e n t r a t i o n h y d r o g e n s u l f i d e c a n a c h i e v e h i g h e r r a n g e ，a n d t h e g r o u n d c o n c e n t r a t i o n c l o s e t o l e a k i n g h o l e wi l l b e l o we r ． Ke y wo r d sn at ur a l ga s p i pe l i ne， nu m e r i c a l s i m ul a t i o n， di f f us i o n c o nc e nt r a t i o n 高含硫 天 然气 在 集输 过程 中 ， 由于 H S对 管 道 内壁 的化学 腐蚀 以及 长 期 的 外 界 腐蚀 ， 使 管 壁 失 效 不能承受管 内的高压作用而出现泄漏 ， 一旦发生 管道泄漏可能导致喷射火的热辐射及受限蒸气云爆 炸 事故 ， 而泄漏 的剧毒 H S往 往 会 造成 严 重 的 人 员伤亡和环境污染Ⅲ 。天然气管道泄漏一般为孑 L 口 作者简介 张宝柱 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河北石家庄人 ， 毕业 于中国石 油大学 北京 安全技术及工 程专业 ， 硕 士研究生 ， 现任 职于 中国石油 天然 气管道局国 内事业部 ， 主要从事 HS E相 关工作 ， 发 表学 术论 文多 篇 。地址 0 6 5 0 0 0 河北 省廊坊 市广 阳道 8 7 号 。E - ma i l g o o d 一 2 0 7 1 6 3 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 2 张宝柱 等 含硫天然气管道泄漏事故数值模 拟与分析 泄漏或裂缝泄漏 ， 其 中以小孔径泄漏事故发生概率 偏大_ s ] 。为了研究管道泄漏时气体 的扩散规律， 国 内外许多学者做了不懈 的努力[ 6 - 9 3 ， 如建立 了天然气 在大气 中的扩散传播模型和有 限元模 型， 对高斯烟 羽 、 烟 团模 型 、 Ga u s s i a n模 型 、 S u t t o n模 型 等进 行 了 修正 。目前， 对有害气体的扩散研究主要是利用半 经验半理 论模 型_ 】 ， 然 而这些模型存 在一定 的缺 陷 ， 使其准确度受到一定影 响。随着计算机技术 的 不断发展 ， 数值模拟技术优势越来越明显 ， 目前 ， 数 值研 究方 法 已开始 应用 于对泄 漏过 程 的研 究[ 1 1 3 。 本 文利 用 C F D软件 F l u e n t 在 考 虑 风速 的影 响 下 对管道 泄漏 事故 中 C H 和 H。 S扩 散后 的浓 度分 布情况进行研究 ， 期望研究结果在划分应急区域 ， 制 定应急预案及开展应急抢险救援方面提供参考n 。 l 数值模拟及分析 1 ． 1 初始 条件 假 设 发 生 孔 口泄 漏 的 天 然 气 输 送 管 道 直 径 为 5 0 0 mm， 管道的运行压力为 6 ． 5 MP a ， 输送气体温 度为 2 7。 c， 管道 中 H S体积 分数为 5 ， 不 考虑 C O。 、 乙烷等其他气体的存在 ， 剩余气体均为 C H 。 管道 中气体泄漏质量流量 与流动状态有关 ， 对 于天 然气管道 ， 泄漏率采用式 1 计算_ 】 引 Q C d A P √ 1 式 中 Q 为气体 的质 量 流 量 ， k g ／ s ； C 为 泄 漏 系 数 ， 气体 通 常取 0 ． 8 5 ～1 ， 圆形孔 口取 1 ； A 为孔 口面 积 ， m ； P为管道内气体压力 ， P a ； K 为气体绝热指 数 ， 无量纲， 天然气取 1 ． 3 ； M 为分子量 ； R为气体常 数 ， 8 ． 3 1 J ／ mo l K ； T为气体绝对温度， K。计算 得 到质 量流 量为 3 7 3 k g ／ s 。 1 ． 2建立 模型 为 了研 究含 硫天 然气管 道在 发生 孔 口泄 漏 时的 扩散情况 ， 利用 Ga mb i t 软件建立 了三维立体模型， 如图 1所示 。模型的底面为地面， 地面位置有管径 为 5 0 0 mm 的弧形天然气 管道， 左侧 为风速 人 口。 模 型 总长度 为 2 0 0 m， 宽 度 为 1 0 0 m， 高度 为 7 0 m， 泄漏 孔 口位 于沿 x方 向的 中心 线 上 ， 距 离模 型左 侧 边缘 2 0 m， 设 定孔 口直径 为 0 ． 2 m。从 以往 的研究 中可 以看出， 在初始扩散阶段 ， 无论是轻气体还是重 气体在初始动量及风的影响下都会 向高空扩散 ， 为 简 化起 见 ， 模 型 的建立 未 考 虑 在 地 面位 置 有 障 碍物 存 在或地 势不 平等状 况 ， 假定其 为平 坦地 面 ， 这 样在 保 证模 拟结 果 的 同 时 为建 模 和 划 分 网格 提 供 了方 便 。 图1 整体模型 图 Fig． 1 Ov er a l l mod el d i a gr am 1 ． 3网格划分 网格 划分 时采 用 六 面 体 的结 构 化 网格 ， 如 图 2 所示 。由于泄漏 口附 近压 力 变 化 极 大 ， 在 泄漏 口及 其附近要保证有足够的网格密度，否则计算可能发 散_ 1 。为了避免相邻 网格体积变化过大影 响计算 结果 ， 在孑 L 口位置及其周围将网格划分得较为密集 ， 随着距离孔 口位置的增加 ， 网格逐渐稀疏 ， 最终达到 较为稳定的状态。模型最终被分成 1 5 7万个六面体 单 元 ， 形 成 1 6 2万个 网格 节点 。 图2 网格划 分图 F i g． 2 Ov er al l me sh i n g map 1 ． 4 边 界条件 设 置 在 F l u e n t 计 算 中使 用 速 度 人 口边 界 条 件 容 易 较快地得到收敛结果 ， 根据初始条件计算得到的质 量 流量 和相关 条件 ， 结合气 体 的可压 缩性 ， 最终 得到 气体的泄漏速度为 2 6 7 m／ s ， 因此模拟计算 中设置 喷射口为速度入 口， 速度方 向竖直 向上。左侧边界 为风速入 口 ， 一般 当 风速 为 1 ～ 5 m／ s 时 ， 有 利 于泄 漏 气体 扩散 ， 危险 区域较 大 口 ” ] ， 因此 设 定 风 速为 3 m／ s ， 方向水平 向右。计算 区域底部边界 给定无 滑 移条件 ， 顶部 采用 对称 边界 ， 除此 之外 的周边 出 口均 采用 自由出流。计算采用非耦 合隐式解法， 并选取 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m