埋地与架空输气管道泄漏数值模拟对比分析_工程实践

摘要

摘要：针对目前输气管道泄漏研究考虑因素单一、可靠性较差的不足，在参考前人研究成果的基础上，利用计算流体力学仿真软件对5种情况下的天然气泄漏进行了数值模拟。分别得到了天

摘要：针对目前输气管道泄漏研究考虑因素单一、可靠性较差的不足，在参考前人研究成果的基础上，利用计算流体力学仿真软件对5种情况下的天然气泄漏进行了数值模拟。分别得到了天然气泄漏后的速度、浓度、爆炸范围分布情况：①X方向(水平方向)埋地比架空速度稍大，都存在左偏的逆流区；持续泄漏速度比架空瞬间等值线向右偏移，左上和右下方存在两个速度较大区；Y方向(竖直方向)瞬时泄漏在左侧存在逆流区，持续泄漏等值线呈近椭圆分布，不存在逆流区；埋地管道泄漏0速度线向左偏移；增大孔隙度时，速度等值线左偏移。②气体浓度瞬时架空分布不规则，瞬时埋地呈圆形区域且在泄漏口有小范围高浓度区；持续泄漏高浓度区向右下偏移；持续埋地分布呈对称结构分布，存在左右两个高浓度区；修改孔隙度近地面无爆炸危险。③埋地管道泄漏爆炸范围大且影响时间长，爆炸范围高度呈指数增加，而后浓度随扩散而减低至爆炸下限外；架空管道在85s前增加且高度比埋地高，85 后降低；孔隙度越大其影响范围越小。

关键词：天然气；埋地；架空；管道；瞬间；持续；泄漏；数值模拟

目前对天然气管道泄漏的研究主要集中在架空管道泄漏，考虑情况单一，结果缺乏对比性和可信度。对埋地管道泄漏的研究比较少见，而把两者相结合，考虑土壤参数因素、瞬时和持续泄漏的更不多见。因此，本文利用计算流体力学软件对架空敷设和埋地敷设天然气管道瞬时和持续泄漏下的气体运动规律进行研究，得出了泄漏气体扩散规律。

1 控制方程

由于泄漏口处速度较大，计算时采用标准的K-ε双方程传输模型。

湍流脉动动能方程(K方程)：

湍流动能耗散方程(ε方程)：

湍流黏度：

式中ρ表示密度；k表示湍动能；u_i、u_j表示时均速度；μ_t表示湍流黏度；x_i、x_j表示空间坐标；σ_k、σ_ε分别表示K方程和ε方程的湍流Prandtl数：G_k表示由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；G_b表示浮力引起的湍动能k的产生项；Y_M表示可压缩湍流脉动对总耗散率的影响；C₁_ε、C₂_ε、C₃_ε、C_μ表示经验常数，分别取1.44、1.92、0.09、0.09.

2 数值模拟及结果分析

以某天然气输送管道为例：管径750mm，泄漏口直径为10mm，环境压力和温度均为标准状况，管内气体泄漏初始速度为320m/s，环境风速为2m/s，天然气中甲烷体积分数为94.5%，H₂S体积分数为5.5%，甲烷的爆炸范围介于5%～15%，H₂S中毒下限体积分数为6.5×10^-4。

考虑5种情况下天然气泄漏情况：A.架空瞬间泄漏；B.埋地瞬间泄漏；C.架空持续泄漏；D.埋地持续泄漏；E.改变土壤孔隙度瞬时泄漏。架空敷设(工况A、C)：模拟区域1.5km×1.5km；埋地敷设(工况B、D、E)：埋深1.2m，地面采用1.5km×1.5km模拟区域。

泄漏点均在模拟区域底部中央。考虑计算量和计算的精确度，利用分区的网格划分方法对模拟区域进行单元网格划分，水平方向为X方向，竖直方向为Y方向。埋地管道模拟区域划分85627个结点95345个单元，架空管道模拟区域划分85961个结点95695个单元。埋地管道途经粗砂土壤带的孔隙度为0.27，经黏质时土壤孔隙度修改为0.45。经计算，初始泄漏速度为320m/s；瞬时泄漏速度V=320-4t，80s后泄漏后速度减为0。根据公式编程，并导入仿真软件，作为瞬时泄漏时泄漏口的边界条件。

2.1 泄漏80s时速度分布

X方向(水平方向)埋地瞬间泄漏、埋地持续泄漏、修改孔隙度泄漏管道比架空瞬间和架空持续泄漏速度稍大，等值线向右偏移，在区域的上方都存在逆流区；架空瞬间与架空持续泄漏速度等值线分布相似，但速度等值线向右偏移；在增大土壤孔隙度后，速度等值线左偏移，而架空持续泄漏和埋地持续泄漏在左上和右下方两个速度较大区。

Y方向(竖直方向)架空和埋地瞬时泄漏速度在左侧存在逆流区，架空和埋地持续泄漏0速度线向左偏移；土壤孔隙度变大，速度变大，等值线向左偏移；架空和埋地持续泄漏等值线呈近椭圆分布，不存在逆流区。

2.2 泄漏80s时浓度分布

图1为泄漏80s后甲烷浓度等值线分布。由图可知：架空瞬时泄漏甲烷分布高浓度区扩散至(1450m，200m)高空，分布不规则；埋地瞬时泄漏则分布在(1000m，150m)高空，呈圆形区域，在泄漏口有小范围高浓度区。架空持续泄漏与架空瞬时泄漏分布曲线相似，但持续泄漏高浓度区向右下偏移。埋地持续浓度分布呈对称结构，高浓度区内存在左、右2个高浓度区，近地面存在长250m、高20m的扁长状爆炸区。增大土壤孔隙度后近地面无爆炸危险，浓度分布与埋地瞬时相似，但浓度降低。

图2为泄漏80s后硫化氢浓度分布。对比图1、2可知，硫化氢浓度等值线分布形状几乎与甲烷浓度分布相同。这是由于甲烷和硫化氢出泄漏口时均匀混合，在扩散过程中受到的影响因素相同，等值线分布重合。

2.3 甲烷爆炸范围

从图3可知：与架空管道相比，埋地管道泄漏爆炸范围大且影响时间长。埋地管道爆炸范围呈指数增加，当达到一定高度后不再升高，浓度随扩散而减低至爆炸下限外。而架空管道爆炸范围在85s前增加，且高度比埋地要高，而在85s后降低。这是由于埋地敷设管道泄漏后，气体速度经过土壤孔隙阻力、惯性阻力的作用，降低较快，甲烷爆炸范围的起点较小，在一定时间内其爆炸范围比架空要小；随着泄漏的持续，甲烷向周围环境缓慢扩散，由于受风力影响较小，在85s后其高度均比架空要高。孔隙度越大其影响范围越小。

3 结论

1) 气体泄漏速度分布：X方向(水平方向)埋地管道泄漏(工况B、D、E)速度比架空管道(工况A、C)稍大，存在左偏的逆流区；持续泄漏(工况C、D)速度等值线比架空瞬间右偏；埋地持续泄漏在左上和右下方存在2个速度较大区；增大土壤孔隙度时，速度等值线左偏。Y方向(竖直方向)瞬间泄漏(工况A、B、E)速度在左侧存在逆流区；埋地管道泄漏0速度线向左偏移；土壤孔隙度增大时，等值线向左偏移；持续泄漏等值线呈近椭圆分布，不存在逆流区。

2) 气体浓度分布：架空管道瞬间泄漏气体浓度分布不规则，埋地管道持续泄漏呈圆形区域，在泄漏口有小范围高浓度区；架空持续泄漏和埋地持续泄漏高浓度区向右下偏移，埋地持续泄漏呈对称结构分布且存在左右2个高浓度区；修改土壤孔隙度后近地面无爆炸危险。

3) 管道泄漏爆炸范围：埋地管道(工况B、D、E)泄漏爆炸范围大且影响时间长，呈指数增加达到一定高度后不再升高，随气体扩散浓度减低至爆炸下限外；架空瞬间及持续泄漏爆炸范围在85s前增加且高度比埋地管道泄漏高，85s后降低；孔隙度越大其影响范围越小。

目前，把架空与埋地输气管道瞬间和持续泄漏过程综合考虑的研究较少，且多采用改变风速和地形环境影响，这与实际情况有所不同。笔者认为在对输气管道泄漏进行模拟时，应考虑泄漏的瞬时性，使模拟结果更精确。

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(本文作者：李朝阳马贵阳辽宁石油化工大学石油天然气工程学院)