架空天然气管道泄漏扩散过程特性分析.pdf

第 4 9 卷第 4 期 2 0 1 2年 8月 化工设备与管道 P R O C E S S E QUI P ME NTP I P I NG Vlo l _ 4 9 NO． 4 Aug． 2 01 2 架空天然气管道泄漏扩散过程特性分析 刘庆 宝，王娇 阳 大庆油田有限责任公司天然气分公司，黑龙江 大庆1 6 3 5 0 0 摘 要在天然气管道集输过程中 ， 由于管道老化、 腐蚀等因素引起的泄漏事故时有发生， 会引起穿孔泄漏后的 天然气扩散， 可能会引发 火灾、 中 毒或爆炸。 因此， 进行架空天然气管道泄漏扩散过程的影响因素模拟研究及分 析， 对天然气管道输送安全运营和保障人生财产安全意义重大。 文章建立了 架空天然气管道在迎风坡和背风坡处 发生泄漏扩散过程的物理模型， 并利用CF DS k -f 对架空天然气管道泄漏后的甲烷气体扩散过程进行了数值模拟。 结果表明 泄漏的甲烷气体扩散 范围和速度非常大， 在泄漏时间3 0 0 s N - 泄漏距离已经达到4 0 m， 并在4 0 m处形成 高浓度的甲烷气团； 泄漏点在背风坡时， 山坡附近形成高浓度甲 烷气团。 关键词天然气管道；泄漏；扩散 中图分类号T Q 0 5 8 ． 8 1 ；T H 1 8 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 3 2 8 1 f 2 0 1 2 0 4 0 0 6 1 0 3 管道 运 输具 有安 全密 封 ，受地形 影 响小 ，能长 期安全稳定运行等优 点，已成为石油工业 中最重要 的 运输 工具 E 1 3 o天然气 主要 成 分为 甲烷 ，并含有 腐蚀 性气 体 ，其 对 管道 内壁 的化 学腐蚀 以及 长 期 的外腐 蚀 ，使管壁失效 ，在管 内气体压力 的作用下 ，出现 穿 孔泄漏 。管道穿孔泄漏是天然气管道泄漏最常见 的情 况之一 。当空气 中甲烷达到 5 ％～ 1 0 ％ 时遇火会 引 发爆炸。因此天然气管道发生泄漏时，有爆炸和中毒 的危险 ，从而对 人民群众的生命和财产安全构成严重 危害。天然气泄漏规律的研究对于安全输送和环境保 护具有重要 的现实意义 。 目前 针对 天然 气 管道泄 漏扩 散过 程 ，主 要利 用 半经验半理论计算公式对危险气体进行研究 [ 3 t 0 ] 。 这些公式具有计算快、编程简单等优点，其不足之处 是计算 的准确性对气体扩散条件与模型假设的接近 程度过于依赖 。随着计算流体 力学 、以及计算机技术 的发展 ，数值 模拟研 究方法开始应用于泄漏过程 的研 究。利用 C F D软件对架空天然气管道在迎风坡和背 风坡处发生泄漏 时的气体扩散规律进行研 究，得 出了 天然气 泄漏气体扩散规律 ，为天然气的安全输送及环 境 保护 提供了理论依据 。 1 泄漏 扩散 控制方程 个关于离散率的方程，是 目前广泛应用的湍流模型， 计算时采用标准的k - e 模型。 物质传输模型 【 6 ] 的湍流脉动动能方程 方程 p O k 蹦 瓦 c3k 毒 箦 j 考 l ㈩ p 瓦 j l ㈩ G k a b p e一 湍流动能耗散方程 ￡ 方程 P O k 一 O k 1 』 5 - 一o xi _J C1 c 、G 。 G h 一 。 P 孚 湍流粘度 ， p 3 其 中G 为平均速 度梯度 引起 的湍动能 k的 产 生 项 ，G 为浮 力 引起 的 湍 动 能 k的 产 生 项 ，y m 为可压缩湍流 中脉动扩张贡献。模型 中 C 1 ． 4 4 ， C 2 1 ．2 ，C 3 1 ，c u 0 ． 9 为经验常数 。 2数值模 拟及 结果分析 2 ． 1 模拟工况 模拟区域 见图 1 1 0 0 1 T 1 4 0 m， 土坡高度 41T I ， 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 3 0 由于管 内气体 压力 高 ，在 泄漏 口处传输 速度 较 作者简介 刘 庆宝 1 9 8 3 一 ，男，山东省泗水人 ，工程 师。从 事 大，为湍流流动。 s 是在湍流方程的基础上引入一 油气储运管理工作。 2 0 1 2年 8月 刘庆宝 ，等． 架空天然气管道泄漏扩散过程特性分析 6 3 都扩散到距离山坡 4 0 m处；泄漏的甲烷气体以大气 团形式聚集 在大气 中，在 4 0 m 处 的 甲烷 气体浓 度非 常 高。 2 通 过对 比泄 漏 点在迎 风坡 和背 风坡 时 的 甲 烷气体 分布图，可以发现在工况 2时 ，泄漏的 甲烷气 体 大量地 聚集 在 山坡 的背风坡附近 ，因此当泄漏 发生 在背风坡 时，进行现场天然气 管道 泄漏抢 修必须注意 现场 防爆 和明火控制。 [ 2] [ 3] 参 考 文 献 陈云涛，陈保东，杜明俊，等 ． 埋地输气管道穿孔泄漏扩散 浓度 的数值模拟 Ⅲ． 石油工程建设 ，2 0 0 8 ，3 6 4 1 - 3 ． 李刘建液化石油气管线泄漏事故分析及预 防 [ J ] ． 科技资讯 ， 2 0 0 8 ，2 4 5 8 5 9 ． 肖建 兰， 吕保和， F明贤 ，等 ． 气体 管道 泄漏模型研究进展 [ J ] ． 煤气 与热力，2 0 0 6 ，2 6 2 7 - 9 ． [ 4] Be r k o wi c z R．Mo d e l i n g S t r e e t Ca n y o n P o l l u t i o n Mo d e l R e q u i r e me n t s a n d E x p e c t a t i o n s [ J ] l J o u rna l o f E n v i r o n me n t a n d P o l l u t i o n ． 1 9 9 7 ，8 3 6 0 9 6 1 9 ． [ 5] 李又绿 ，姚安林 ，李永杰 ， 天然气管道泄漏扩散模型的研究 f J ] ． 天然气工业，2 0 0 4 ，2 4 8 1 0 2 1 0 4 ． 【 6 ] 王福军 ． 计算流体动力学分析 [ M1 ． 北京清华大学出版社， 2 0 0 4 9 ． 【 7] 张转连 ，王英 杰，于少平 ，等 ． 水 煤气管 道穿孑 L 泄漏原因分 析 [ J 1 ． 石油化 工设备 ，2 0 1 1 ， 4 0 4 8 6 8 8 ． [ 8] 段庆 全 ， 于 囝鹏 ， 张宏 ． 管道疲 劳裂纹 扩展数 值模拟 [ J ] ． 石 油化工设备 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 2 3 2 7 ． [ 9] 淡 勇，李俊菀 ，朱哲 ． 天然 气采 气管线 的状态评 估 [ J ] ． 化工 机械 ， 2 0 0 9 ，3 6 5 4 9 1 4 9 5 ． [ 1 0 ] 谢 龙 根 ． 天 然 气 管道 泄 漏 失效 分 析 [ J J l 化 l丁设 备 与管 道 ， 2 0 1 1 ． 4 8 5 5 4 5 5 ． An a l y s i s o f Le a ka g e a nd Spr e a d Ch a r a c t e r i s t i c s o f Na t ur a l Ga s Sk y Pi pe l i ne L I U Qi n g - b a o ，WA NG J i a o y a n g Da q i n g Oi lfi e l d C o m p a n y , P e t r o C h i n a , Da q i n g , 1 6 3 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f g a t h e r i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n o f n a t u r a l g a s ， l e a k a g e a c c i d e n t s c a u s e d b y p i p e a g i n g ， c o r r o s i o n a n d o t h e r f a c t o r s wi l l o c c u r o c c a s i o n a l l y j wh i c h wo u l d c a u s e t h e d i f f u s i o n o f l e a k e d n a tur a l g a s ， a n d wo u l d r a i s e fi r e ， p o i s o n i n g o r e x p l o s i o n ． Th e r e f o r e ， t h e s t u d y a n d a n a l y s i s o f t h e s i mu l a t i o n o f t h e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f t h e o v e r h e a d n a tur a l g a s p i p e l i n e s ’ l e a k a g e d i f f us i o n p r o c e s s e s we r e d o n e ，wh i c h h a d g r e a t s i g n i fic a n c e t o t h e s e c u r i t y o p e r a t i o n o f t h e n a t u r a l g a s p i p e l i n e t r a ns p o r t a t i o n a n d t h e g u a r a n t e e o f l i f e p r o p e y s a f e t y ． I n t h i s p a p e r , t h e p h y s i c a l mo d e l s o f o v e r h e a d n a tu r a l g a s p i p e l i n e ’ s l e a k a g e d i f f u s i o n p r o c e s s i n wi n d wa r d s l o p e a n d l e e wa r d s l o p e we r e b u i l t ． An d t h e me t h a n e d i f fus i o n s we r e n u me r i c a l l y s i mu l a t e d b y C FD s o f t wa r e a ft e r t h e l e a k a g e ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d i ff u s i o n r a n g e a n d v e l o c i t y a r e g r e a t ， a n d d i f fus i o n s c o p e i s 4 0 m wh e n t h e l e a k a g e t i me i s 3 0 0 s ， a n d t h e h i g h l y c o n c e n t r a t e d g a s ma s s o f m e t h a n e o c c u r r e d a t t h e p o s i t i o n o f 4 0 m ； wh e n t h e l e a k a g e p o i n t i s i n t h e l e e wa r d s l o p e ， t h e h i g h l y c o n c e n t r a t e d g a s ma s s o f m e t h a n e o f i s f o r me d n e a r t h e h i l l s i d e ． Ke y wo r d s Na t u r a l Ga s Pi p e l i n e ；Le a k a g e ；Di f f u s i o n ⋯Ⅱ 0， f 上接 第 2 8页 1 Re v i e w o f Co k i ng He a t e r Te c h no l o g y Us e d i n De l a y e d Co k i ng Co n s t r uc t i o n a t Abr o a d DO NG Gan g C P E C CE a s t - C h i n a De s i g n B r a n c h ， Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1 ， C h i n a Ab s t r a c t De s i g n p h i l o s o p h y o f F o s t e r Wh e e l e r a n d Co n o c o P h i l i p s i s e x p o u n d e d i n t h i s p a p e r i n c o k e r h e a t e r d e s i g n ，o f wh i c h t h e d e s i g n p e r f o r m a n c e f o c u s o n i n v e s t me n t r e t u rn r a t e ， s a f e t y d e s i g n a n d e n v i r o n me n t a l i mp a c t wi t h o u t p u r s ui n g e x c e s s i v e l y h i g h h e a t e r d u t y ． Th e t wo Co mp a n y 、 s c o k e r h e a t e r d e s i g n p r o s a n d c o n s i s a n a l y z e d i n t h e p a p e r c o v e r i n g b r i e f i n t r o d u c t i o n o f r a d i a t i o n c h a mb e r s h a p e a n d b u rn e r fl a me t y p e s ． T o t a l i n v e s t me n t ， o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e f o r t h e t wo Co mp a n y ’ s c o k e r h e a t e r a r e a l s o c o mp a r e d a n d e v a l u a t e d i n t h i s p a p e r ． Ke y W o r d s T e rra c e Wa l l T M d e l a y e d c o k i n g h e a t e r ；n e w b o r g e r c o k i n g f u r n a c e ；t e c h n o l o g y i n t r o d u c t i o n ；c o mp a r i s o n a n d r e v i e w