高含硫天然气管道泄漏数值模拟.pdf

第 3 9卷 第 7期 2 0 1 1 年 7月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo l _ 3 9 No ． 7 J u 1 ．2 01 l 高含硫天然气管道泄漏数值模拟 李朝阳，马贵阳 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 高含硫天然气管道经长期的内外腐蚀， 经常发生泄漏事故。为了减少和降低天然气管道泄漏事故对人的危 害， 对甲烷及硫化氢的扩散规律进行研究 日趋重要。利用计算流体力学的方法， 采用仿真软件对高含硫天然气架 空及埋地管道穿孔泄漏后的甲烷、 硫化氢气体的扩散进行了数值模拟。架空管道泄漏初期为体积分数等值线呈对 称分布的射流， 泄漏至 6 0 S 后无爆炸危险； 泄漏 9 0 S 后地面硫化氢体积分数较大， 1 8 0 S 后无中毒危险。埋地管道 泄漏短时间内泄漏口地面附近聚集大量的高浓燃气， 与架空管道泄漏相比地面其爆炸范围和中毒范围较低， 但地 面附近受危害的时间较长。为天然气管道的维修和安全输送提供了理论依据。 关键词 天然气管道； 泄漏； 数值模拟 中图分类号 T E 8 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 1 0 7 - 0 0 8 8 - 0 5 0 f h i g l l s u l f u r c o n t a i n e d n a t ura l g a s p i p e l i n e l e a k a g e LI Zh a o- y an g ，M A Gui - y a ng C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e ri n g ， L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y ， F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， L i a o n i n g P r o v i n c e ， C h i n a Ab s t r a c t B e c a u s e o f l o n g - t e r m i n t e r n a l a n d e x t e r n a l c o r r o s i o n t o t h e h i g h s u l f u r c o n t mn e d n a t u r al g a s p i p e l i n e ，t h e l e a k a g e a c c i d e n t s o ft e n o c c u r ．I n o r d e r t o r e d u c e t h e h a r m t o p e o p l e d u e t o g a s p i p e l i n e l e a k a g e a c c i d e n t s ，t h e r e s e a r c h o n t h e d i f f us i o n o f me t h a n e a n d h y d r o g e n s u l p h i d e i s b e c o mi n g mo r e a n d mo r e i mp o r t a n t ． Me t h a n e a n d h y d r o g e n s u l fi d e g a s d i f f u s i o n f r o m o v e r h e a d a n d u n d e r g r o u n d p i p e l i n e s wa s n u me ri c a l l y s i mu l a t e d b y u s i n g c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s C F Dm e t h o d a n d s i m u l a t i o n s o f t w are ．T h e r e s u l t s h o w s t h a t i n t h e e a r l y s t a g e o f o v e r h e a d p i p e l i n e l e a k a g e ，t h e v o l u m e fr a c t i o n i s o l i n e p r e s e n t s a s y mm e t r i c al d i s t ri b u t i n g j e t ，a n d n o e x p l o s i o n d a n g e r a f t e r 6 0 S ；H2 S v o l u me fra c t i o n o n t h e gro un d i s h i g h e r a f t e r 9 0 S，a n d n o p o i s o n i n g d a n g e r aft e r 1 8 0 S ．Th e l e a k a g e o f b u rie d p i p e l i n e g a the r s a l o t o f h i g h c o n c e n t r a t i o n g a s n e ar t h e s u r r o u n d i n g gro u n d o f l e a k a g e p o i n t i n a s h o rt t i me，a n d t h e e x p l o s i o n r a n g e a n d p o i s o n i n g r an g e o f wh i c h are l o w e r tha n t h o s e o f o v e r h e a d p i p e l i n e， b u t t h e t i me o f h a z a r d t o t h e s u rr o u n d i n g gro u n d l a s t s l o n g e r ．T h i s s i mu l a t i o n p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c al b a s i s f o r n a t u r al g a s p i pe l i n e ma i n t e na n c e a n d g a s s afe t y t r a n s p o rta t i o n a s we l l a s e n v i r o nme n t al p r o t e c t i o n． Ke y wor d s na t u r a l g a s p i p e l i n e；l e a k a g e；n u me ric al s i mu l a t i o n 天然气主要成分为 甲烷 ， 含有少量 的硫化氢气 体 ， 当硫化氢体积分数高于 5 ％时就可称为高含硫 天然气 。硫化氢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_ l J 。管线腐蚀穿孔是天然气管道泄漏 最常见 的情况之一_ 2 j 。当空气 中甲烷达到爆炸下 限时遇明火引发爆炸 ； 当空气中硫化氢体积分数 达到 6 ． 51 0。时对人体有毒害作用。天然气管道 发生泄漏时 ， 有爆炸和中毒的危险 ， 对人 的生命财产 和安全构成了严重危害。因此， 高含硫天然气泄漏 规律的研究对于天然气 的安全输送和环境保护具有 重要的现实意义 。 目前主要利用半经验半理论计算公式对危险气 体进行研究 _ 5 J 。这些公式虽具有计算 快、 编程简单 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 1 - 2 0 作者简介 李朝阳 1 9 8 4 一 ， 男 ， 硕 士研 究生 ， 主要 从 事计算 流 体力 学在 油气 储运 中 的应用 研究 ， 电话 1 3 8 9 8 3 1 5 5 1 0， E - m a i l l i z h a o y a n g 5 2 0 8 8 4 0 1 2 6 ． c o rn。 李朝阳等高含硫天然气管道泄漏数值模拟 8 9 等优点， 但其不足之处更明显。其计算的准确性与 气体扩散条件和模型假设的接近程度相关联 6 。 随着计算机技术和计算流体力学 C F D 的发展， 数 值研究方法开始应用于对泄漏过程的研究 J 。目 前对天然气泄漏的研究主要集 中在单一 的架空后埋 地泄漏 ， 对于二者相结合不多见 。利用 C F D软件对 架空和埋地天然气管道泄漏时的气体扩散规律进行 研究， 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 泄露 扩散 控 制方 程 由于管内气体压力高， 在泄漏 口处传输速度较 大， 计算时采用湍流模型， 湍流模型选择标准 k - 6模 型， 压力速度耦合算法选择 S I M P L E算法 ， 控制方程 的离散格式选择二阶迎风格式。 湍动能 k 方程 Ok O k 瓦 , , ／ O k ， 1P -E p u 【 I ／ J G G b p 一y M 1 耗散率 方程 P - 5-； p u 差 薏 】 【 I J J c - 詈 G c ， G 一 } 2 湍流黏度 3 占 ，G b 每 器 ， G 券 眠O u j ] O u i，y M 2 p 6 M a t2 , 4 式中 p为密度 ； | i} 为湍动能 ； u i ， 为时均速度 ； 为 湍流黏度 ； ， 为空间坐标 ； P r ， 分别为 k方程 和 占方程的湍流普朗特数 G k 为 由于平均速度梯度 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 ； P r 表示湍 动普 朗特数 ， 取 0 ． 8 5 ； y M为 可压缩湍流脉动对总的耗散率的影 响； C ， C ， C ， 表示经验常数 ， 分别取 1 ． 4 4， 1 ． 9 2 ， 0 ． 0 9 ， 0 ． 0 9 ； 为重力加速度在第 i 方 向的分量 ； 为热膨胀系数 ； Ma 为湍动马赫数 ； o l 为声速。 2 数值模拟及结果分析 2 ． 1 划分网格 工况 1 架空敷设 ， 模拟区域 1 5 0 0 m x 1 5 0 0 m。 工况 2 管道上层土壤为多孔介质， 孔隙度 0 ． 2 7 ， 密 度 2 0 0 0 k g ／ m ， 比热容 1 6 O O J ／ k g K ， 导热系数 1 ． 4 1 2 W／ I n K ， 模拟区域 1 5 0 0 I n1 5 0 1 ． 2 m。 考虑计算量和计算的精确度 ， 利用三角形和 四边形 网格相结合及分 区的网格划分对 模拟 区域 进行单 元 划 分 。最 终 生 成 图 1所 示 的 结 构 化 网格 。 a 架空 b 埋 地 图 1 局部 网格放大图 F i g ． 1 L o c a l d a mp l i fi c a t i o n fig u r e 2 ． 2 边界条件 对于组分因素， 使用不发生化学反应的物质 运移模型。管道 泄漏被 监测 系统 及 时发现 ， 并 立 刻关闭阀门。随着泄漏进行， 管内外压力梯度减 小， 当管内压力与环境压力相等时， 泄漏停止。经 计算 ， 泄漏初始速度 2 4 0 m ／ s ， 6 0 s 泄漏速度减为 0 。泄漏速度 2 4 04 t 为 泄漏 口的速度边 界条 件 ， 见表 1 。 表 1 边界条件 T a b l e 1 B o u n d a r y c o n d i t i o n s 泄漏点坐标上边界 左边界 右边界 架空管道泄漏 7 5 0 ， 0 速度入口 压力出口 压力出口 埋地管道泄漏 7 5 0 ， 一1 ． 2 速度入I 1压力出口 压力出口 9 2 化学工程2 0 l 1 年第 3 9卷第 7期 3结论 1 架空管道泄漏初期 为射流 ， 泄漏 口附近泄 漏气体体积分数等值线比较密， 体积分数等值线呈 对称分布 ， 垂直方向高度越高 ， 体积分数越小。随着 泄漏的进行， C H 的爆炸范围在减少， 当泄漏至 6 0 S 时 ， 无爆炸危险。泄漏 9 0 s内 ， 地面硫化氢体积分 数较大。9 0 S后 中毒危 险范围在 l 2 5 -2 6 0 m 内， 1 8 0 S 后无中毒危险。 2 埋地管道泄漏 ， 短时间内泄漏 口地面附近聚 集大量的高浓燃气 ， 附近长时间处于爆炸体积分数和 中毒范围内， 其爆炸范围和中毒范围比架空要低。 目前 ， 对把架空与埋地输气管道泄漏过程相结 合的气体扩散体积分数问题的研究较少 ， 且多采用 风速等环境影响 ， 这将会造成一定 的误差。建议学 者今后对输气管道泄漏模拟时 ， 考虑不同的泄漏 口 径和泄漏压力 ， 使仿真结果更加接 近完善。基 于研 究 的困难性和安全性考虑 ， 对不 同工况天然气 管道 泄漏数值进行模拟具有一定现实意义 。 参考文献 [ 1 ] 王朝辉， 张来斌， 夏海波． 国内外油气管道泄漏检测技 术的发展现状[ J ] ． 油气储运， 2 0 0 1 ， 2 0 1 1 5 ． [ 2 ] 付道明， 孙军， 贺志刚， 等． 国内外管道泄漏检测技术 研究进展[ J ] ． 石油机械， 2 0 0 4 ， 3 2 3 4 8 - 5 1 ． [ 3 ] 肖建兰， 吕保和， 王明贤， 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 ] R A E Mi n ， L E E J o o r r - h y u m． A c o u s t i c e mi s s i o n t e c h n i q u e f o r p i p e l i n e l e a k d e t e c t i o n [ J ] ．K e y E n g i n e e ri n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 0 ， 1 8 6 4 8 8 8 - 8 9 2 ． [ 5 ] 李又绿， 姚安林， 李永杰． 天然气管道泄漏扩散模型的 研究[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 4， 2 4 8 1 0 2 ． 1 0 4 ． [ 6 ] 李玉星， 彭红伟 ， 唐建峰， 等． 天然气管道泄漏检测方 案的对比[ J ] ． 天燃气工业， 2 0 0 8 ， 2 8 9 1 0 1 1 0 4 ． [ 7 ] 吴小庆 ， 王宇， 江茂泽． 关于输气管道的一个泄漏点的 检测问题[ J ] ． 西南石油学院学报， 2 0 0 6 ， 2 8 3 2 7 - 2 9 ． [ 8 ] 王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 4 9 ． 广 告 索 引 目 承 丁 l 天大北洋化工设备有 限公 司⋯⋯⋯ 封面，后插 6 江苏庆峰工程集团扬州庆松化工设备有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 封二 南京华基塔业有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 1 浙江长城减速机有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 2 伊格尔 博格曼中国 E a g l e B u r g m a n n C h i n a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 3 常州莱克斯诺传动设备有限公司⋯⋯⋯⋯ 前插 4 美国传热研究公司- H T R I X c h a n g e r S u i t e ⋯⋯ 前插 5 华陆工程科技有限责任公 司 ⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 6 _7 深圳市诚达科技股份有限公司⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 8 江苏新宏大集 团⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 9 杭州华纳塔器科技有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 1 0 杭州原正化学工程技术装备有限公司 ⋯⋯ 前插 1 l 天津衡创工大现代塔器技术有限公司 ⋯⋯ 前插 l 2 丫丫 ]广 T 丫 丫’ r 丫丫’ r ■ 无锡市雪浪化工填料有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 l 3 江苏沿江化工资源开发研究院 ⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 1 4 化学T程 期刊编委会⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 1 5 天津天大天久科技股份有限公 司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 1 6 ， 后插 4 温州金鑫生化阀门有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 1 上海迅昌化工装备技术研究所⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 2 上海化工研究院 国家高效分离塔填料及装置 技术研究推广中心⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 3 天津市新天进科技开发有限公 司⋯⋯⋯⋯ 后插 5 西安思瑞迪精馏工程有限公司⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 7 上海申银机械 集团 有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 8 无锡化工装备有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 封三 上海索维建设工程有限公司 索维化工设计院 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 封 四