高嵩　王茂廷

摘要：天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏擴(kuò)散的基本理論，全面分析了影響天然氣泄漏擴(kuò)散的因素；建立了天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏模型，對(duì)不同影響因素下天然氣泄漏的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)以及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了模擬分析，闡述了不同工況下天然氣長(zhǎng)輸管道泄漏的規(guī)律；通過模擬對(duì)比分析了不同泄漏孔徑、不同泄漏壓力對(duì)泄漏區(qū)域的影響；模擬分析了氣體中含硫化氫和泄漏區(qū)域有建筑物時(shí)的泄漏規(guī)律。

關(guān)鍵詞：高壓管道；泄漏擴(kuò)散；數(shù)值模擬；燃燒；熱輻射

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0460（2017）01-0082-04

根據(jù)燃燒傷害模型和爆炸傷害模型，分析了燃燒后的濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況，對(duì)天然氣泄漏燃燒熱輻射情況和爆炸危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了計(jì)算研究，本文研究?jī)?nèi)容對(duì)于了解高壓長(zhǎng)輸管道天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律及制定相關(guān)安全事故的應(yīng)急預(yù)案具有非常重要的指導(dǎo)意義。

1 天然氣泄漏的數(shù)值模擬

天然氣是由小分子飽和烴類氣體和非烴類氣體組成的混合物。其中低分子飽和烴類氣體占95%以上。在飽和烴類氣體中，甲烷（CH₄）占絕大部分，乙烷（C₂H₆）、丙烷（E3H8）、丁烷（C₄H₈）和戊烷（C₅H₁₂）含量不多，庚烷以上（C+5）烷烴含量極少。常見的少量的非烴類氣體一般有二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、氮?dú)猓∟₂）、氫氣（H₂）、硫化氫（H2S）和水（H₂O）以及微量的惰性氣體氦（He）、氬（Ar）等。

采用三維模型，需要建立三維立方體模型，入口即為圓柱形入口，由于后面所討論的模擬尺寸大小及模擬精度的需求的限制，目前還無(wú)法進(jìn)行大范圍精確的三維模擬。

為了更好地模擬大范圍內(nèi)的天然氣管道泄漏情況，本文采用二維網(wǎng)格模型，如圖1所示，F(xiàn)LUENT的前處理軟件GAMBIT把管道孔口的泄漏定義為狹縫擴(kuò)散，而非圓孔擴(kuò)散，F(xiàn)LUENT設(shè)置邊界層參數(shù)選用Turbulence Specification Method的方法中的強(qiáng)度和水力直徑（Intensity and Hydraulic Diameter）項(xiàng)來(lái)當(dāng)作湍流選取。同時(shí)設(shè)置了壓力出口的當(dāng)量直徑，這樣就限制了管道狹縫的縱向長(zhǎng)度，進(jìn)而保證了二維的網(wǎng)格模擬為孔口天然氣的基本知識(shí)及針對(duì)長(zhǎng)輸管道的泄漏FLUENT模擬的GAMBIT網(wǎng)格劃分，根據(jù)需要建立合適的幾何模型、劃分網(wǎng)格及指定邊界條件為后續(xù)FLUENT模擬計(jì)算做鋪墊，然后通過幾何模型選取相應(yīng)的求解器、能量方程、確定天然氣的材料特性，最后通過工程實(shí)例來(lái)確定入口處氣流速度和馬赫數(shù)進(jìn)而選取相關(guān)的泄漏速率，通過相應(yīng)的泄漏速率模型的選取來(lái)確定邊界條件，為下章節(jié)FLUENT模擬結(jié)果及分析做了良好的鋪墊。

2 不同因素對(duì)天然氣泄漏的影響

2.1 不同泄漏時(shí)間下氣體泄漏分析

2.1.1 不同泄漏時(shí)間下的壓力場(chǎng)分布（圖1）

在泄漏初期，泄漏1s時(shí)，在泄漏口的正上方較近處出現(xiàn)一個(gè)環(huán)狀低壓區(qū)，中間壓力最低，以此為中心形成低壓環(huán)。出現(xiàn)此種情況的主要原因是泄漏初期，泄漏口上方空氣湍流強(qiáng)度大，空氣相對(duì)較為稀薄，出現(xiàn)小范圍的低壓區(qū)。但隨泄漏事件的增長(zhǎng)，壓力場(chǎng)分布逐漸均勻，最后成為以泄漏帶為分界線的左側(cè)壓力略高于右側(cè)壓力的壓力分布場(chǎng)圖。

2.1.2 不同泄漏時(shí)間下的速度場(chǎng)分布

（1）不同泄漏時(shí)間下的垂直速度場(chǎng)分布（圖2）

泄漏5s時(shí)，泄漏口略上方及偏右側(cè)出現(xiàn)較為明細(xì)的高垂直速度分布區(qū)，主要由于此時(shí)泄漏氣體的分布范圍逐漸向上、向右。隨泄漏時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，伴隨泄漏氣體的進(jìn)一步擴(kuò)大，垂直分速度也向上移動(dòng)。最后形成了以泄漏帶為分界的，泄漏帶中心相對(duì)較高速度，向外速度逐漸減小的分布云圖。

（2）不同泄漏時(shí)間下的水平速度場(chǎng)分布圖泄漏1s時(shí)，以泄漏口正上側(cè)直線為界，左側(cè)形成水平速度低速核心區(qū)，且越遠(yuǎn)離界線，梯度越小，右側(cè)形成高速核心區(qū)，且越遠(yuǎn)離界線，梯度越小。隨泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，水平速度分布趨于穩(wěn)定。在泄漏50s后，水平速度對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響不大，且分布均勻，只在泄漏口附近，出現(xiàn)較為明細(xì)的湍流區(qū)（圖3）。

2.2 不同泄漏孔徑下氣體泄漏的比較

不同泄漏孔徑下氣體泄漏的壓力場(chǎng)分布規(guī)律不同，但可看出，均是以泄漏帶的核心處為分界線，左側(cè)壓力較右側(cè)壓力高，泄漏帶兩側(cè)的壓力分布較為不規(guī)律，而遠(yuǎn)離泄漏帶側(cè)的壓力場(chǎng)分布較為均勻。不同泄漏孔徑下速度場(chǎng)分布規(guī)律較為明顯，隨泄漏孔徑的增大，泄漏氣體的速度場(chǎng)越發(fā)明顯，且速度場(chǎng)湍流強(qiáng)度更強(qiáng)。泄漏孔徑較小時(shí)，泄漏氣體的噴射速度高度較小，且受自然風(fēng)速的影響較大，明顯偏向自然風(fēng)的下風(fēng)向。隨孔徑增大，噴射高度逐漸增高，且受自然風(fēng)速影響逐漸減小，泄漏氣體對(duì)周圍空氣的影響區(qū)域逐漸增大（圖4）。

泄漏氣體的濃度場(chǎng)分布隨泄漏壓力呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，濃度場(chǎng)的分布情況與速度場(chǎng)分布類似，但不完全一樣。低泄漏壓力時(shí)，泄漏氣體的濃度場(chǎng)在下風(fēng)向分布較多，隨壓力的升高，泄漏氣體的濃度場(chǎng)呈現(xiàn)垂直的分布帶，距離泄漏口近處濃度較高，且隨距離的增大，濃度降低的梯度較小。

2.3 氣體中含硫?qū)μ烊粴鈹U(kuò)散的影響

含硫條件下氣體泄漏的壓力場(chǎng)分布見圖6。

由含硫條件下的泄漏兩種氣體的濃度場(chǎng)分布情況可知，泄漏氣體中所含H2S的濃度場(chǎng)分布呈現(xiàn)以泄漏口為起點(diǎn)的狹窄帶狀分布，而甲烷則為較寬的分布帶。由于在預(yù)設(shè)條件中，設(shè)置H₂S含量為6.5%，故而含量低造成其濃度場(chǎng)分布較為狹窄。

由工程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)H2S含量低于0.002%時(shí)，視為安全區(qū)域，圖中黑色區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域?？梢?，雖H₂S含量較低，但其危險(xiǎn)區(qū)域影響較大，主要分布在泄漏帶的下風(fēng)向。此種規(guī)律為突發(fā)泄漏工況時(shí)的安全生產(chǎn)提供參考。由工程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)甲烷含量低于3.585%時(shí)，視為安全區(qū)域，圖中非黑色區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域?？梢?，雖甲烷含量較高，但其危險(xiǎn)區(qū)域相對(duì)H₂S較小，主要分布在泄漏帶附近。

2.4 有建筑物對(duì)泄漏的影響

2.4.1 有建筑物時(shí)氣體泄漏的壓力場(chǎng)分布

當(dāng)在泄漏口的附近有建筑物時(shí)，由其不同時(shí)間下的壓力場(chǎng)分布圖可知，泄漏初期，低壓帶在泄漏口的上方，上風(fēng)向壓力較高。隨泄漏時(shí)間推移，低壓帶逐漸上移，高壓帶逐步向下風(fēng)向推移。當(dāng)泄漏時(shí)間為60s時(shí)，壓力分布較為均勻，只在泄漏口和建筑物附近有較低的壓力分布區(qū)存在（圖7）。

由圖7可知，有建筑物對(duì)氣體泄漏的速度場(chǎng)分布也有較大影響，泄漏1s時(shí)，泄漏高速主要分布在泄漏口附近及其上側(cè)，隨泄漏時(shí)間的推移，速度場(chǎng)分布逐步均勻，至20s時(shí)已基本穩(wěn)定，到泄漏60s時(shí)，呈現(xiàn)泄漏口附近泄漏速度較大，在建筑物上側(cè)泄漏速度較大的分布規(guī)律。

2.4.2 有建筑物時(shí)氣體泄漏的濃度場(chǎng)分布

有建筑物在下風(fēng)向阻擋時(shí)，不同泄漏時(shí)間下的泄漏氣體濃度場(chǎng)分布規(guī)律不太一致。在泄漏1s時(shí)，在泄漏口上側(cè)形成一個(gè)含量相對(duì)較高的濃度核心區(qū)，而在此區(qū)域以下氣體濃度更大。在建筑物右上側(cè)，也形成了一個(gè)小的核心區(qū)，湍流強(qiáng)度較強(qiáng)。隨著泄漏時(shí)間的增長(zhǎng)，上側(cè)核心區(qū)向下風(fēng)向的右上側(cè)移動(dòng)，在泄漏口的近上側(cè)，濃度再次加強(qiáng)。

泄漏20s時(shí)，泄漏濃度已基本穩(wěn)定，形成以泄漏帶右下側(cè)為主要分布區(qū)的濃度場(chǎng)。在泄漏時(shí)間達(dá)到60s時(shí)，濃度規(guī)律已經(jīng)穩(wěn)定，形成向下風(fēng)向的泄漏帶，當(dāng)泄漏帶收到建筑物阻隔時(shí)，便繞過建筑物繼續(xù)向下風(fēng)向流動(dòng)，且在泄漏口與建筑物結(jié)合處，形成一個(gè)高濃度湍流區(qū)（圖8）。

3 結(jié)論

（1）泄漏氣體的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)隨泄漏孔徑的增大，呈現(xiàn)泄漏噴射高度逐步增高，由最初的明顯向下風(fēng)向偏移向近乎垂直轉(zhuǎn)變，噴射氣體的流速逐漸增大。

（2）泄露壓力的變化主要影響泄漏初速度的變化，隨泄漏壓力增大，泄漏氣體的初速度也逐漸增大，泄漏氣體的濃度場(chǎng)逐漸由偏向下風(fēng)向的泄漏帶向垂直方向的泄漏帶偏轉(zhuǎn)。

（3）泄漏氣體中含有H2S對(duì)泄漏氣體的壓力、速度、濃度等流場(chǎng)分布影響不大，但由于H2S的較強(qiáng)的危險(xiǎn)性，其低含量的有毒氣體所造成的危險(xiǎn)區(qū)域較大。

（4）在泄漏口下風(fēng)向處如存在建筑物，會(huì)對(duì)泄漏過程的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布帶來(lái)較大影響。泄漏初期，各流場(chǎng)湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，分布規(guī)律不強(qiáng)。在泄漏達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，由于建筑物的阻擋作用，在泄漏口至建筑物間有較為明顯的泄漏氣體回旋，且泄漏帶遇到建筑物時(shí)，會(huì)受到其阻擋從而，從其上方飄離。