埋地含硫天然气管道泄漏问题的数值模拟

官学源

（中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110032）

随着我国天然气的高速发展，其年消耗量的不断提高带来了能源安全的新危机。天然气管道泄漏事故不仅对该管道的正常传输产生影响，而且污染环境，其易燃，易爆的危险也会对人们的生活环境构成威胁。针对管道泄漏扩散问题，我国学者考虑各种条件的影响因素下对天然气的泄漏问题进行了大量的数值研究[1-5]。而针对管道泄漏着火的研究相对较少。因此，本文通过FLUENT软件，基于有限容积法，建立埋地含硫天然气管道持续泄漏扩散和燃烧模型，对比分析埋地含硫天然气管道泄漏时有毒气体的扩散情况和发生燃烧后有毒气体的扩散情况。为埋地含硫天然气管道的风险评估、安全运行和管理，事故分析，工程设计以及泄漏后应急措施等提供了参考理论。

1 数学模型

1.1 组分输运守恒方程

式中：Ri—第i组分在化学反应的速率，kgmol/（m3·s）；

Si—扩散相加上用户定义的源项；

Ji—组分j的扩散通量，mol/（m2·s）；

Yi—第i种物质的质量分数，% ；

u—流体流速，m·s-1；

ρ—密度，kg·m-3；

t—时间，s。

湍流中的质量扩散

式中：Sct—湍流施密特数；

Dim—混合物中第i种物质的扩散系数；

μt—湍流黏度，Pa·s。

1.2 涡耗散模型

式中：Ri,r—反应r中物质i的产生/分解速度，kgmol/（m3·s）；

Mw,i—第i种物质的质量分数，%；

—大尺度涡混合时间尺度，s；

N—系统化学物质数目；

YP，YR—某种产物的质量组分；

A,B—经验常数，这里分别取0.4和0.5;

v'i,r—反应r中反应物i的化学计量系数。

2 数值模拟与结果分析

2.1 问题描述

某埋地含硫天然气管道，计算管长间距为5 km，管道外径650 mm，埋深1.5 m。模拟区域范围为5 000×1 001.5 m：泄漏口中心在x=0、y=-1.5处，泄漏口直径为0.05 m，泄漏速度为252 m·s-1，泄漏方向为垂直向上，火源在泄漏口附近，天然气中甲烷体积分数为95%，硫化氢体积分数为5%，风速为4 m·s-1。

2.2 数值模拟结果

本文采用二维单精度SILPLE方法进行隐式耦合求解，采用矩形网格在泄漏口处网格加密，模拟结果图1。

图1 扩散原图

2.3 结果分析

埋地含硫天然气管道泄漏初期，由于管道上层多孔介质对泄漏气体的影响，使其不能形成高速射流。气体进入土壤后，土壤的毛管压力、土壤阻力和地表的张力对泄漏气体的共同作用，造成泄漏的气体的湍能的大量减少，但气体持续泄漏，气体的湍能不断增大，使气体仍会通过土壤迅速地持续不断地涌出地表，进入大气进行射流运动和扩散运动，在短时间内有大量的高浓度含硫天然气聚集在泄漏口附近的地表处。

当泄漏气体涌出地表进入大气，在泄漏口附近遇到火源时，泄漏气体组分中的甲烷气体和硫化氢气体与空气中的氧气接触快速发生化学反应，生成了大量的二氧化硫，二氧化碳和水蒸气。其中二氧化硫有毒浓度云团水平扩散距离超过4 800 m，最大浓度高达12.6%远高于其中毒浓度下线；水蒸气和二氧化碳最大体积分数分别超过13%和12%，其水平扩散距离超过2 000 m，虽然水蒸气和二氧化碳气体无毒，但是其滞留在空气中可能发生化学反应生成酸，不仅污染大气，当遇到金属、建筑等时，可能对其造成腐蚀破坏。而在泄漏口下方向0～1 500 m范围内聚集着大量高浓度的未反应的硫化氢气体，最大体积分数为50.7%。对比二氧化硫气体和硫化氢气体的扩散情况可知，二氧化硫危害范围远高于硫化氢气体危害区域，并且完全覆盖其危险范围。

3 结束语

对比两种情况扩散情况，单一的泄漏扩散主要有毒成分为硫化氢气体，而发生燃烧时，情况相对复杂且危害程度更高，主要有毒成分为二氧化硫气体，同时还存在高浓度的硫化氢有毒气体和潜在的危害组分水蒸气和二氧化碳。应对不同情况采取相应的防范和急救措施。