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      埋地天然氣管道泄漏爆炸區(qū)域數(shù)值模擬

      2013-05-15 07:45:16
      當代化工 2013年6期
      關(guān)鍵詞:土壤層障礙物云圖

      周 立 峰

      (中油遼河工程有限公司,遼寧 盤錦 124010)

      天然氣是一種高效清潔的能源,其主要成分為甲烷,還伴有少量硫化物和水蒸氣等。當空氣與甲烷一定比例混合時,遇明火可發(fā)生爆炸。所以泄漏不僅對周圍環(huán)境造成污染,一旦發(fā)生爆炸,對周圍建筑、人員以及國民生產(chǎn)造成巨大的影響。目前,許多學(xué)者從不同角度,對天然氣泄漏進行了研究。董玉華等[1]對長輸管道穩(wěn)態(tài)氣體的泄漏率進行了計算;劉明禮等[2]研究了天然氣泄漏量的方法并分析了天然氣泄漏最佳檢測條件;馮文興等[3]對比分析了管道泄漏中大孔模型和小孔模型;程勇等[4]采用高斯模型分析了輸氣管道泄漏后氣體的擴散;一些學(xué)者從安全角度對輸氣管道泄漏進行了數(shù)值模擬[5-8]。本文運用有限容積法,考慮在障礙物和土壤共同條件下,對天然氣管道泄漏進行了數(shù)值模擬,對比分析了障礙物在土壤層中和地面上時,對甲烷爆炸區(qū)域的影響。本文為埋地天然氣管道的理論研究,合理設(shè)計敷設(shè)區(qū)域提供一定指導(dǎo)。

      1 數(shù)學(xué)模型

      1.1 控制方程

      連續(xù)性方程:

      動量守恒方程:

      其中:effm為有效粘度,kg/ms;tm為湍流粘度,kg/ms;B為合外力,N; p¢為修正壓力,Pa。

      能量守恒方程:

      其中:ES為能量源;MS為動量源;T為溫度,K;t為粘滯力,N;toth 為總焓,kL/kg。

      1.2 標準的運輸方程

      式中:kG為平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項,bG 為浮力引起的湍動能產(chǎn)生項,MY 為可壓縮湍流脈動膨脹對總得耗散率的影響。經(jīng)驗常數(shù)C1e=1.44,C3e=1, Cm=0.09。

      1.3 物質(zhì)擴散模型

      式中:Si為用戶定義的第i種物質(zhì)的速率,Ji為第i種物質(zhì)的質(zhì)量擴散速率。湍流中質(zhì)量擴散:

      式中:tSc為湍流施密特數(shù)。

      2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

      2.1 建立天然氣管道泄漏模型

      某埋地天然氣管道,泄漏管長300 m,泄漏速度320 m/s管道外徑750 mm,埋深1.2 m,泄漏口中心在X=150,Y=-1.2 m處,半徑10 cm,土壤作為多孔介質(zhì),孔隙度0.267,密度2 600 ,導(dǎo)熱系數(shù)為1.51 ,泄漏氣體和環(huán)境溫度相同為300 K,無風(fēng),天然氣中甲烷含量 95%,甲烷濃爆炸濃度為5%~15%,障礙物為矩形;分為3種情況:模型1:無障礙物;模型 2:障礙物在土壤層中,障礙物寬0.5 m,高1.2 m;模型3:障礙物在地面上,寬為0.5 m,高5 m。

      2.2 CFD模擬結(jié)果

      無障礙物條件下,天然氣管道泄漏初期5 s,天然氣對稱擴散,土壤層中甲烷爆炸濃度呈上寬下窄的盤子狀,地上爆炸濃度水平距泄漏口 4.4~5.5 m處,最高達40.55 m(見圖1)。管道繼續(xù)泄漏至30 s時,甲烷對稱擴散量增加,甲烷云圖呈蘑菇狀,最高可達239.66 m,土壤中最遠達8.15 m,爆炸濃度水平距泄漏口5~6 m,(見圖2)。這是因為:土壤作為多孔介質(zhì),對氣體擴散具有阻礙作用,可減少氣體湍能,同時具有儲存能力,能儲存一定量的氣體。管道泄漏初期,氣體做高速射流運動,由于土壤的作用,使土壤層中聚集高濃度氣體,當氣體擴散出土壤時,又受到大氣阻力,爆炸區(qū)域較小,聚集云團外層;隨著泄漏量的增加,氣體湍能增大,爆炸濃度繼續(xù)擴散,到一定高度時,由于相對高空速度低,而在相對低空處天然氣不斷積累,致使出現(xiàn)渦流,爆炸濃度大量聚集在高空處。

      當泄漏口右側(cè)土壤中存在障礙物時,在泄漏初期 5 s時,云團不對稱,土壤層甲烷向左擴散到X=132.4處,地面上空在障礙物上出現(xiàn)渦,土壤層中甲烷危險濃度最遠達左邊22.75 m,而地面上層,渦出現(xiàn)在距障礙物8 m處,地上左端爆炸濃度水平距泄漏口13~20 m處,地上右端爆炸濃度水平距泄漏口0.3~0.5 m處(見圖3)。繼續(xù)擴散到30 s時,地面上空云團呈向右傾斜的蘑菇狀,最高達172 m,地上左端爆炸濃度水平距泄漏口9.8~12.9 m處,地上右端爆炸濃度水平距泄漏口0.3~0.54 m處(見圖4)。,此模型天然氣擴散不對稱,左端爆炸濃度范圍遠大于右端。對比無障礙物模型,甲烷擴散在高空中出現(xiàn)了渦,云圖高度較低,左端爆炸濃度范圍大于無障礙時泄漏模型,而右端爆炸濃度范圍小于無障礙時泄漏模型,這是因為:土壤層泄漏口右端障礙物對擴散具有阻礙作用,可使甲烷在左側(cè)不斷的聚集,難以擴散,提高了泄漏口左端爆炸危險性,天然氣擴散受土壤、大氣和障礙物的影響,使泄漏初期障礙物上空出現(xiàn)渦,而不斷泄漏可提高氣體湍能,使渦流高度上升。

      當泄漏口右側(cè)地面上存在障礙物時,擴散初期,土壤層中氣體近似對稱擴散,土壤層爆炸區(qū)域上窄下寬,地面上空泄漏口左側(cè)擴散濃度略大于右側(cè),地上左端爆炸濃度水平距泄漏口4.42~5.15 m處,地上右端爆炸濃度水平距泄漏口4.5~5 m處,地面上泄漏口左右兩端爆炸區(qū)域近似相等(見圖5)。持續(xù)泄漏到30 s,地面上空云團,泄漏左側(cè)高129 m處出現(xiàn)渦,泄漏口右側(cè)高144 m高處出現(xiàn)渦,甲烷云圖最高達180 m,地上左端爆炸濃度水平距泄漏口5.1~6.7 m處,地上右端爆炸濃度水平距泄漏口5.2~6.7 m處,地面上泄漏口左右兩端爆炸區(qū)域近似相等(見圖6)。此模型在土壤層中天然氣近似層對稱擴散,地面上泄漏口左右兩端爆炸區(qū)域近似相等,這是因為:地面上空障礙物對氣體向上和向右擴散具有阻礙作用,使氣體聚集在土壤層和障礙物左側(cè),由于土壤層作為多孔介質(zhì),具有一定的孔隙度,使氣體透過土壤繞過障礙物在右端擴散。

      對比3個模型,同一時刻,甲烷在高空中擴散高度上,模型1高度最高,而模型3略高于模型2;甲烷在地面水平方向上,在泄漏口左端,模型2爆炸范圍最大,模型1略大于模型3的爆炸范圍,而在泄漏口右端,模型2爆炸范圍最小,模型1略大于模型3的范圍。

      3 結(jié)論及建議

      通過對多孔介質(zhì)條件下天然氣管道泄漏的數(shù)值模擬,得出結(jié)論:障礙物對氣體的擴散具有阻礙作用,使氣體在障礙物相對來源方向聚集,并且爆炸區(qū)域在相對來源方向擴大;當泄漏口右側(cè)土壤層存在障礙物時,障礙物可完全阻礙天然氣向土壤右側(cè)擴散,使氣體大量聚集在障礙物左側(cè),左側(cè)爆炸范圍不斷擴大,對爆炸范圍影響較大,而在右側(cè)爆炸范圍則相對較小;當障礙物在泄漏口右側(cè)地面上時,土壤層爆炸濃度呈上窄下寬,而在地面上空,雖然障礙物對氣體擴散起到一定的阻礙作用,但由于多孔介質(zhì)存在,使氣體透過多孔介質(zhì)繞過障礙物擴散,對氣體擴散影響相對較小。對比分析了3個模型在同一時刻,對天然氣爆炸范圍的影響,得出結(jié)論:在高空中,土壤層存在障礙物時,甲烷爆炸范圍最??;在地面水平方向上,土壤層中存在障礙物時,甲烷爆炸范圍影響最大,可有效阻礙氣體向障礙物方向擴散,使障礙物方向爆炸范圍降低,但在另一端,甲烷爆炸范圍將大大提高。

      本文為了方便計算,本文采用二維數(shù)值模擬,與實際情況有一定的誤差。建議學(xué)者今后對天然氣管道泄漏模擬采用三維模擬,使結(jié)果更接近實際。

      圖1 無障礙物5 s云圖Fig.1 No obstacle of 5 s images

      圖2無障礙物30 s云圖Fig.2 No obstacle of 30 s images

      圖3 土壤層中5 s云圖Fig.3 The soil of 5 s images

      圖4 土壤層中30 s云圖Fig.4 The soil of 5 s images

      圖5 地面5 s云圖Fig.5 The ground 5 s images

      圖6 地面30 s云圖Fig.6 The ground 5 s images

      [1]董玉華,周敬恩,高惠臨等.長輸管道穩(wěn)態(tài)氣體泄漏率的計算[J].油氣儲運,2002,21(8):11-15.

      [2]劉明禮,向啟貴,戴忠.管輸系統(tǒng)天然氣泄漏量計算模式及泄漏檢測最佳條件的確定[J].石油與天然氣化工,2001,31(1):47-51.

      [3]馮文興,王兆芹,程五一.高壓輸氣管道小孔與大孔泄漏模型的比較分析[J]安全與環(huán)境工程,2009(4):108-110.

      [4]程勇,于林,姚安林.采用高斯模型分析輸氣管道泄漏后氣體的擴散[J]. 內(nèi)蒙古石油化工,2010(14):49-51.

      [5]劉延雷,徐平,鄭津洋等.管道輸運高壓氫氣與天然氣的泄露擴散數(shù)值模擬[J].太陽能學(xué)報,2008,29(10):1052-1055.

      [6]程浩力,劉德俊.城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散模型及數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報,2011,31(2):27-31.

      [7]Steven R,Hanna,Olav R,et al. CFD model simulation of dispersion from chlorine railcar releases inindustrial and urban areas[J]. Strimaitis Atmospheric Environment,2009,43(2):262-270.

      [8]Sklavounos S,Rigas F. Simulation of Coyote series trials,part I:CFD estimation of non-isothermal LNGreleases and comparison with box-model predictions[J]. Chemical Engineering Science,2006,61(5):1434-1 443.

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