埋地天然气管道泄漏爆炸区域数值模拟

周 立 峰

（中油辽河工程有限公司，辽宁 盘锦 124010）

天然气是一种高效清洁的能源，其主要成分为甲烷，还伴有少量硫化物和水蒸气等。当空气与甲烷一定比例混合时，遇明火可发生爆炸。所以泄漏不仅对周围环境造成污染，一旦发生爆炸，对周围建筑、人员以及国民生产造成巨大的影响。目前，许多学者从不同角度，对天然气泄漏进行了研究。董玉华等[1]对长输管道稳态气体的泄漏率进行了计算；刘明礼等[2]研究了天然气泄漏量的方法并分析了天然气泄漏最佳检测条件；冯文兴等[3]对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输气管道泄漏后气体的扩散；一些学者从安全角度对输气管道泄漏进行了数值模拟[5-8]。本文运用有限容积法，考虑在障碍物和土壤共同条件下，对天然气管道泄漏进行了数值模拟，对比分析了障碍物在土壤层中和地面上时，对甲烷爆炸区域的影响。本文为埋地天然气管道的理论研究，合理设计敷设区域提供一定指导。

1 数学模型

1.1 控制方程

连续性方程：

动量守恒方程：

其中：effm为有效粘度，kg/ms；tm为湍流粘度，kg/ms；B为合外力，N； p¢为修正压力，Pa。

能量守恒方程：

其中：ES为能量源；MS为动量源；T为温度，K；t为粘滞力，N；toth 为总焓，kL/kg。

1.2 标准的运输方程

式中：kG为平均速度梯度引起的湍动能产生项，bG 为浮力引起的湍动能产生项，MY 为可压缩湍流脉动膨胀对总得耗散率的影响。经验常数C1e=1.44，C3e=1, Cm=0.09。

1.3 物质扩散模型

式中：Si为用户定义的第i种物质的速率，Ji为第i种物质的质量扩散速率。湍流中质量扩散：

式中：tSc为湍流施密特数。

2 数值模拟与结果分析

2.1 建立天然气管道泄漏模型

某埋地天然气管道，泄漏管长300 m，泄漏速度320 m/s管道外径750 mm，埋深1.2 m，泄漏口中心在X=150，Y=-1.2 m处，半径10 cm，土壤作为多孔介质，孔隙度0.267，密度2 600 ，导热系数为1.51 ，泄漏气体和环境温度相同为300 K，无风，天然气中甲烷含量 95%，甲烷浓爆炸浓度为5%~15%，障碍物为矩形；分为3种情况：模型1：无障碍物；模型 2：障碍物在土壤层中，障碍物宽0.5 m，高1.2 m；模型3：障碍物在地面上，宽为0.5 m，高5 m。

2.2 CFD模拟结果

无障碍物条件下，天然气管道泄漏初期5 s，天然气对称扩散，土壤层中甲烷爆炸浓度呈上宽下窄的盘子状，地上爆炸浓度水平距泄漏口 4.4~5.5 m处，最高达40.55 m（见图1）。管道继续泄漏至30 s时，甲烷对称扩散量增加，甲烷云图呈蘑菇状，最高可达239.66 m，土壤中最远达8.15 m，爆炸浓度水平距泄漏口5~6 m，（见图2）。这是因为：土壤作为多孔介质，对气体扩散具有阻碍作用，可减少气体湍能，同时具有储存能力，能储存一定量的气体。管道泄漏初期，气体做高速射流运动，由于土壤的作用，使土壤层中聚集高浓度气体，当气体扩散出土壤时，又受到大气阻力，爆炸区域较小，聚集云团外层；随着泄漏量的增加，气体湍能增大，爆炸浓度继续扩散，到一定高度时，由于相对高空速度低，而在相对低空处天然气不断积累，致使出现涡流，爆炸浓度大量聚集在高空处。

当泄漏口右侧土壤中存在障碍物时，在泄漏初期 5 s时，云团不对称，土壤层甲烷向左扩散到X=132.4处，地面上空在障碍物上出现涡，土壤层中甲烷危险浓度最远达左边22.75 m，而地面上层，涡出现在距障碍物8 m处，地上左端爆炸浓度水平距泄漏口13~20 m处，地上右端爆炸浓度水平距泄漏口0.3~0.5 m处（见图3）。继续扩散到30 s时，地面上空云团呈向右倾斜的蘑菇状，最高达172 m，地上左端爆炸浓度水平距泄漏口9.8~12.9 m处，地上右端爆炸浓度水平距泄漏口0.3~0.54 m处（见图4）。，此模型天然气扩散不对称，左端爆炸浓度范围远大于右端。对比无障碍物模型，甲烷扩散在高空中出现了涡，云图高度较低，左端爆炸浓度范围大于无障碍时泄漏模型，而右端爆炸浓度范围小于无障碍时泄漏模型，这是因为：土壤层泄漏口右端障碍物对扩散具有阻碍作用，可使甲烷在左侧不断的聚集，难以扩散，提高了泄漏口左端爆炸危险性，天然气扩散受土壤、大气和障碍物的影响，使泄漏初期障碍物上空出现涡，而不断泄漏可提高气体湍能，使涡流高度上升。

当泄漏口右侧地面上存在障碍物时，扩散初期，土壤层中气体近似对称扩散，土壤层爆炸区域上窄下宽，地面上空泄漏口左侧扩散浓度略大于右侧，地上左端爆炸浓度水平距泄漏口4.42~5.15 m处，地上右端爆炸浓度水平距泄漏口4.5~5 m处，地面上泄漏口左右两端爆炸区域近似相等（见图5）。持续泄漏到30 s，地面上空云团，泄漏左侧高129 m处出现涡，泄漏口右侧高144 m高处出现涡，甲烷云图最高达180 m，地上左端爆炸浓度水平距泄漏口5.1~6.7 m处，地上右端爆炸浓度水平距泄漏口5.2~6.7 m处，地面上泄漏口左右两端爆炸区域近似相等（见图6）。此模型在土壤层中天然气近似层对称扩散，地面上泄漏口左右两端爆炸区域近似相等，这是因为：地面上空障碍物对气体向上和向右扩散具有阻碍作用，使气体聚集在土壤层和障碍物左侧，由于土壤层作为多孔介质，具有一定的孔隙度，使气体透过土壤绕过障碍物在右端扩散。

对比3个模型，同一时刻，甲烷在高空中扩散高度上，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爆炸范围最大，模型1略大于模型3的爆炸范围，而在泄漏口右端，模型2爆炸范围最小，模型1略大于模型3的范围。

3 结论及建议

通过对多孔介质条件下天然气管道泄漏的数值模拟，得出结论：障碍物对气体的扩散具有阻碍作用，使气体在障碍物相对来源方向聚集，并且爆炸区域在相对来源方向扩大；当泄漏口右侧土壤层存在障碍物时，障碍物可完全阻碍天然气向土壤右侧扩散，使气体大量聚集在障碍物左侧，左侧爆炸范围不断扩大，对爆炸范围影响较大，而在右侧爆炸范围则相对较小；当障碍物在泄漏口右侧地面上时，土壤层爆炸浓度呈上窄下宽，而在地面上空，虽然障碍物对气体扩散起到一定的阻碍作用，但由于多孔介质存在，使气体透过多孔介质绕过障碍物扩散，对气体扩散影响相对较小。对比分析了3个模型在同一时刻，对天然气爆炸范围的影响，得出结论：在高空中，土壤层存在障碍物时，甲烷爆炸范围最小；在地面水平方向上，土壤层中存在障碍物时，甲烷爆炸范围影响最大，可有效阻碍气体向障碍物方向扩散，使障碍物方向爆炸范围降低，但在另一端，甲烷爆炸范围将大大提高。

本文为了方便计算，本文采用二维数值模拟，与实际情况有一定的误差。建议学者今后对天然气管道泄漏模拟采用三维模拟，使结果更接近实际。

图1 无障碍物5 s云图Fig.1 No obstacle of 5 s images

图2无障碍物30 s云图Fig.2 No obstacle of 30 s images

图3 土壤层中5 s云图Fig.3 The soil of 5 s images

图4 土壤层中30 s云图Fig.4 The soil of 5 s images

图5 地面5 s云图Fig.5 The ground 5 s images

图6 地面30 s云图Fig.6 The ground 5 s images

［1］董玉华，周敬恩，高惠临等.长输管道稳态气体泄漏率的计算[J].油气储运,2002,21（8）:11-15.

［2］刘明礼，向启贵，戴忠.管输系统天然气泄漏量计算模式及泄漏检测最佳条件的确定[J].石油与天然气化工，2001,31（1）：47-51.

［3］冯文兴，王兆芹，程五一.高压输气管道小孔与大孔泄漏模型的比较分析[J]安全与环境工程，2009（4）:108-110.

［4］程勇，于林，姚安林.采用高斯模型分析输气管道泄漏后气体的扩散[J]. 内蒙古石油化工，2010（14）：49-51.

［5］刘延雷，徐平，郑津洋等.管道输运高压氢气与天然气的泄露扩散数值模拟[J].太阳能学报，2008,29（10）：1052-1055.

［6］程浩力，刘德俊.城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，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.

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