基于CFD的城镇天然气管道泄漏扩散研究.pdf

第 5 1 卷第 5期 2 0 1 5年 1 O月 石油化工自动化 AUTOMAT1 0N I N P ETRO- CHEMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 1 ，No ． 5 Oc t o b e r 。2 O 1 5 基于 C F D的城镇天然气管道泄漏扩散研究 杨奇睿 ， 王岳 ， 官学源 ， 邵慧龙 ， 牛冉 1 ．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 ； 2 ．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 针对城镇中埋地天然气管道的泄漏情况， 研究了土壤、 建筑物和风速对天然气管道泄漏和扩散的影响。利用 C F D模拟 计算软件对城镇中埋 地天然气管道泄漏进行三维数值模拟 ， 并得到 了泄漏后三维空间不同截面位置 处 C H 的体积 分数分布和 爆炸范围及天然气 泄漏时的人员疏散安全距离 。研究结果为天然气管道泄漏事故现场人员疏散及安全抢修提供 了理论依据 。 关键词 埋地 中压天然气管道风速三维数值模拟 中图分类号 T P 2 7 4 文献标志码 B 文章 编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 5 0 0 5 2 0 5 St u dy o n Le a k a g e Di f f u s i o n o f CFD Ba s e d To wn Na t u r a l Ga s Pi pe l i n e Ya n g Qi r u i ，Wa n g Yu e ，Gu a n Xu e y u a n 2 ，S h a o Hu i l o n g ，Ni u Ra n 1 ．Co l l e g e o f P e t r o l e u m a n d Na t u r a l Ga s En g i n e e r i n g 。Li a o n i n g Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Ch e mi c a l ，Fu s h u n， 1 l 3 0 0 1 ，Ch i n a ；2 ．Te c h n o l o g y Re 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 F i e l d C o mp a n y ， Ka r a ma y ， 8 3 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t s Fo c u s i n g o n l e a k a g e 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 ，e f f e c t s o f s o i l ，b u i l d i n g s a n d wi n d s p e e d o n n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k a g e a n d d i f f u s i o n a r e s t u d i e d ．3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n i s c o n d u c t e d f o r t o wn b u r i e d n a t u r a l g a s p i p e l i n e l e a k a g e u t i l i z i n g CF D s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n s o f t wa r e ．CH4 v o l u me f r a c t i o n d i s t r i b u t i o n a t d i f f e r e n t c r o s s s e c t i o n l o c a t i o n i n 3 D s p a c e a f t e r l e a k i n g，e x p l o s i o n r a n g e a n d s a f e d i s t a n c e f o r s t a f f e v a c u a t i n g d u r i n g l e a k i n g a r e o b t a i n e d ．Th e r e s e a r c h r e s u l t p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r p e r s o n n e l e v a c u a t i o n f o r n a t u r a l 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 c e n e a n d s a f e e me r g e n c y r e p a i r ． Ke y wo r d s b u r i e d；me d i u m p r e s s u r e n a t u r a l g a s p i p e l i n e n d s p e e d 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n 城市燃气的使用对居民生活水平的提高、 工业 的发展、 生态环境的改善具有重要意义。但由于自 然损坏、 腐蚀穿孔 、 人为破坏、 安装质量不达标 ， 接 口、 阀门密封材料老化 、 机械振动等造成燃气管道 系统产生裂纹、 穿孔甚 至断裂 ， 或因为供气不正常 及使用行为不当等原 因， 易引发燃气的泄漏 。当泄 漏的天然气与空气混合后 ， 会产生易燃、 易爆 的气 体 ， 极易引发燃气爆炸或火灾事故 。目前对于埋地 管道泄漏扩散问题的研究较少 ， 鉴于研究危险可燃 性气体泄漏扩散实验 尚有较大难度 ， 从安全角度考 ，通 过 数值 方 法 开展 相关 的研究 工 作是 可 m] 。根据天然气管道泄漏扩散数值模拟可迅 预测天然气泄漏后 的扩散范 围和危险范 围，为决 策者及时疏散居民、 采取救援措施提供科学指导 。 由于气体释放后将与空气、 蒸气、 液滴及凝结 所生成 的水滴等结合从而形成混合气云， 根据混合 气云与环境大气密度 的差异 ， 可将其分为三类 浮 性气云 ， 即轻气 ， 密度 比空气 小， 如天然气 ； 中性气 云， 即中气， 密度与空气相近， 如一氧化碳 ； 重质气 云， 即重气 ， 密度 比空气大 ， 重气的形成不仅 与释放 物质的性质有关 ， 而且与储存和释放 的方式有关。 以往对重气研究较多 ， 并且多局限在二维情况下 ； 然而天然气属于轻气 ， 浮力作用明显 ， 二维数值模 拟不能直观描述 泄漏天然气的实际扩散范 围。以 下采用三维数值模拟 ， 力求全面了解城镇 中埋地天 然气管道泄漏扩散情况。 1 模型的建立 1 ． 1 数学模型 1 质量守恒方程 一 o 1 。 。 a v 。 a 2 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 3 2 2 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 5 0 6 1 9 。 作者简介 杨奇睿 1 9 9 O 一 ， 男 ， 辽宁鞍 山人 ， 辽宁石油化工大学在 读硕士研究生 ， 主要研究方向为油气管道安全 。 行 速 虑的 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 石油化工 自动化 第 5 1 卷 孔与建筑物迎风面 间的 C H 体积分数 较高 ， 此部 分较为危险并处于爆炸范围内， 建筑物背风面之后 C H 的体积分数较低 ， 处 于伤害范围内。 一4 5 m 截面处 C H 的扩散情况与 一3 5 m截面 C H 的扩 散情况一致 ， 两截 面的 CH 体积分数呈对称结构 分布， 这是因为两个截面均没有建筑物的阻挡， C H 可以自由扩散 。 4 结论 1 城镇埋地中压天然气管道泄漏时 ， 泄漏孔 附近有 呈对 称结 构分 布 的 C H 高体 积分数 区。 由于受土壤的阻力作用 ， 因而竖直方 向上 C H 的 扩散速 率 明显 小 于在 水 平 方 向上 的扩 散 速 率 。 由于建筑物的阻挡 ， C H 在建筑 物背风 面形成 回 流， 建筑物左右两侧的C H 体积分数呈对称结构 分布 。 2 由于建筑物的阻挡 ， 使 CH 在建筑物迎 风 面附近堆积 ， 加大 了建筑物迎风面 附近 C H 的体 积分数和危 险性 ， 此部分 的 C H 体积 分数处 于爆 炸范围， 在抢险救援时应注意防范建筑物迎风面附 近的 C H 爆炸着火 。 3 在泄漏一段时问后 ， 一定空 间范围内 C H 的爆炸范围将不随时间增长产生变化 ， 风速可 以加 快天然气向下风 向的输送扩散 ， 但同时也可以稀释 泄漏 的 C H ， 应根据泄漏时的风 向情况 ， 紧急疏散 位于下风向地表附近的人群 ， 设 置警戒 区， 天然气 泄漏时人员疏散 的安全范围为 一1 6 ～6 O m， 26 ～ 5 4 m 参考文献 [1] 刘延雷 ， 徐平 ， 郑津洋 ， 等． 管道输运 高压氢气与天 然气 的泄 漏扩散数值模拟口] ． 太 阳能学报 ， 2 0 0 8 1 0 1 2 5 2 1 2 5 5 ． [ 2] 李又绿 ， 姚安林， 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y E n g i n e e r i n g Ma t e r i N s ， 2 0 0 0 ， 1 8 6 O 4 5 5 58 9 2 ． E l 1 2 李朝 阳 ， 马贵 阳 ， 刘 亮． 埋 地输 油 管道 泄漏 油 品扩 散模 拟 [ J ] ． 油气储运， 2 0 1 1 O 9 6 7 4 6 7 6 ． [ 1 2 ] 胡夏琦． 含硫化氢高压天然气管道泄漏的数值模拟[ D ] ． 北 京 中国石油大学 ， 2 0 0 6 ． [ 1 3 3 李柯． 天然气长输管道泄漏工况数值模拟[ 阳． 油气储运， 2 01 4 01 2 0 2 7 ． [ 1 4 2 杨 昭， 赖建波 ， 韩金 丽． 天 然气管 道孔 口泄漏危 险域 的研究 E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 1 1 1 5 6 1 5 9 ． 赛默 飞发布水质 中氰化物测定解决方案 近 日， 科学服务领域的世界领导者赛默飞世尔科技 以下简称 赛默飞 发布水质中氰化物测定解决方案。氰化物属于 剧毒物质， 对人体毒性主要是与细胞色素氧化酶中的三价铁络合 ， 生成氰化高铁细胞色素氧化酶， 引起组织缺氧窒息， 极低 的量可使人畜致死， 所以各类氰化物是污水排放和水质检测的重要监测项 目。 在 GB ／ T 5 7 5 0 --2 0 0 6 生活饮用水标准检验方法 中， 推荐采用异烟酸一 吡唑酮或异烟酸一 巴比妥酸进行氰化物显色反 应， 对水样中氰化物的测定限值为 0 ． 0 0 2 mg ／ L 。根据对比发现， 现行方法对 I类水质的限值需求仅勉强满足 ， 且测定过程 中， 往往易受到亚硫酸盐、 硫代硫酸盐等其他还原性物质的干扰。同时， 诸多毒性较强的显色试剂的使用， 也极易造成实验 操作人员的二次中毒。 赛默飞世界科技 中国 有限公司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m