城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟

城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟程猛猛1吴明1赵玲1刘柯2邵大伟2杨明悦1(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院)(2.沈阳市特种设备检测研究院)摘要针对城市埋地天然气管道穿孔泄漏扩散问题,结合有限容积法,利用Gambit2.4建立了天然气管道不同泄漏位置的CFD仿真模型,利用Fluent6.3分别对天然气管道上部、下部及背风侧3种泄漏工况下,气体在土壤中和空气中的扩散规律进行了数值模拟。研究结果表明,下部泄漏在土壤和空气中的危险范围最大,关闭泄漏管段两端阀门以后,气体扩散危害范围逐渐变小。研究结果为城市埋地天然气管道泄漏事故现场人员疏散及安全抢修提供了理论依据。关键词天然气管道泄漏扩散数值模拟中图分类号:TE88文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.020NumericalsimulationofurbanburiedgaspipelineleakageanddiffusionChengMengmeng1,WuMing1,ZhaoLing1,LiuKe2,ShaoDawei2,YangMingyue1(1.CollegeofPetroleumEngineering,LiaoningShihuaUniversity,Fushun113001,Liaoning,China;2.ShenyangInstituteofSpecialEquipmentInspection&Research,Shenyang110000,Liaoning,China)Abstract:Tostudythediffusingofgaspiercingleakageinurbanburiedgaspipeline,combi-ningthefinitevolumemethod,CFDsimulationmodelsareestablishedbyGambit2.4atdifferentleakagelocations.ThediffusionruleofgasinsoilandairaresimulatedbyFluent6.3underthethreeleakageconditionsoftheupper,lowerandleewardsideofthegaspipeline.Theresearchresultshowsthatthelowerleakageinsoilandairisthelargestdiffusionhazardarea.Ifthevalvesatbothendsofthepipelineareshutoff,thegasdiffusionhazardareawillgraduallygetsmaller.Thestudiescanalsoprovidethetheoreticalfoundationforthepersonnelevacuationandsecuritymaintenanceofpipelinesinthesceneofnaturalgasrelease.Keywords:gaspipeline,leakage,diffusion,numericalsimulation随着城市的发展和人民生活水平的提高,城市燃气事业得到迅速的发展,燃气作为重要的能源形式之一,应用越来越广泛。城市燃气管道应采用埋地方式铺设,但埋地管道可能在人为破坏或自然灾害时发生泄漏事故[1]。燃气具有易燃、易爆的性质,燃气泄漏爆炸事故一般会造成大量人员伤亡和严重的财产损失,具有较大的危害性。因此,进行天然气管道泄漏扩散数值模拟具有重大意义。本文针对城市埋地天然气管道,考虑风速随高度变化和泄漏后阀门自动关闭或者人工关闭工况,49石油与天然气化工CHEMICALENGINEERINGOFOIL&GAS2014基金项目:国家质检总局科研项目“质检公益性行业科研专项项目”(201010025)。作者简介:程猛猛(1987-),男,河南商丘人,辽宁石油化工大学在读硕士研究生,主要从事输气管道技术方面的科研工作。地址:(113001)辽宁省抚顺市望花区丹东路西段一号。E-mail:[e-mail]利用C语言编写与Fluent软件兼容的UDF计算程序,修正风速随高度的变化和阀门关闭后气体泄漏率随时间的变化[2-3]。由于腐蚀、施工等不同的损伤过程,造成泄漏口在管道上的位置会发生变化,故选取管道泄漏口分别位于管道上部、下部和背风侧3种工况,建立泄漏模型来模拟计算,得出了天然气管道不同损伤下的天然气泄漏扩散规律,为安全施工、预防事故及制定天然气管路泄漏应急预案提供了理论依据。1模型建立1.1数学模型的建立天然气在泄漏过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[4],其控制方程如下:(1)连续性方程:dρdt+∇·(ρui)=0(1)式中,ρ为流体密度,kg/m3;t为时间,s;ui为(x、y、z)3个方向上的速度,m/s。(2)动量方程:ρ∂ui∂t+u·∇æèçöø÷u=-∇p+μ∇2u+ρf(2)式中,f为单位质量力矢量,m/s2;t为时间,s;u为速度,m/s;μ为动力黏度,Pa·s;p为流体微元上的压力,Pa。(3)能量方程∂(ρE)∂t+∇·[u(ρE+p)]=∇·[keff∇T-ΣjhjJj+(τeff·u)]+Sh(3)式中,E为流体微元的总能,J;hj为组分j的焓,J/kg;keff为有效热传导系数;Jj为组分j的扩散通量,mol/(m2·s);Sh为体积热源项,kg·J/(m3·s)。1.2泄漏扩散控制方程天然气的扩散可认为是多组分气体相互作用而形成的湍流。综合考虑计算条件和工程要求,采用耦合隐式求解器,其基本方程为定常Reynolds时均方程[5]。由于高压管道泄漏初速度很大,故选用湍流模型中的可实现k-ε模型。湍流脉动动能方程(k方程):ρ∂k∂t+ρui∂k∂xi=∂∂xjμ+μtσæèçöø÷k∂k∂xéëêêùûúúj+Gk+Gb-ρε-Ym(4)湍流动能耗散方程(ε方程):ρ∂k∂t+ρui∂k∂xi=∂∂xjμ+μtμæèçt∂k∂xéëêêùûúúj+C1ε·(Gk+C3εGb)-C2ερε2k(5)μt=Cμk2ε(6)式中,Gk为平均速度梯度引起的湍流动能产生项;Gb为浮力引起的湍流动能产生项;Ym为可压缩湍流中脉动扩张贡献;μt为湍动黏度,Pa·s;σk、σε分别为k方程和ε方程的湍流Prandtl数;C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09、Cμ=0.0845为经验常数。1.3物理模型燃气管道泄漏时,由于外界压力较小,泄漏气体迅速膨胀,气体扩散的过程极为复杂。为了研究管道泄漏后气体扩散规律,确定危害范围,以城市天然气管道泄漏为例,模拟泄漏过程及天然气流场变化。天然气组分中以甲烷(CH4)为主(体积分数为99.88%),还包含有少量其他气体,故以CH4代替天然气进行模拟计算。假设发生泄漏后从管内到接触大气的过程中,摩阻减速的作用不大。天然气的伤害下限为1%(φ),爆炸极限范围为5%(φ)~15%(φ)[6],故取天然气的体积分数为1%、5%和15%的区域为评定泄漏气体危害分界浓度。某天然气管道运行压力为0.2MPa,根据GB50028-2006《城市燃气设计规范》,属于中压输气管道,管道直径325mm、壁厚8mm,管道埋深1.7m,气体温度为20℃。由于所选天然气管道在城镇人口密集地区,考虑管道所处的实际位置,取建筑物高度为20m,管道中心距建筑物距离为3m[7],用较大空间(80m×80m)进行仿真模拟计算,具体模型及边界条件如图1所示。划分网格时,由于管道泄漏口附近气体各项参数变化梯度较大,为满足计算精度,对此区域进行网格加密。本文以管道穿孔泄漏为例,根据API581-2000《基于风险的检验基础资源文件(Risk-BasedInspectionBaseResource59第43卷第1期程猛猛等城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟Document)》选取管道泄漏口径为25.4mm的泄漏模型来模拟计算。1.4参数确定及边界条件设置设定模拟的环境温度和气体温度均为300K,距离地面高度10m处风速为4m/s,利用UDF程序对风速随高度变化进行修正。由于动力因素和热力因素,在近地层中,风速会随高度发生变化,并且服从普朗特乱流中经验理论公式[8]。求高度为H处的风速的公式为:v=v0(H/H0)n(7)式中:v为高度在H处的风速,m/s;v0为高度在H0处的风速,m/s;H0一般为10m;n为风速随高度的变化系数,最常用的为0.142。假设管道两个阀门之间的距离为1000m[7]。泄漏开始为稳态泄漏,泄漏压力为0.2MPa,此压力大于临界压力pc,泄漏气体流动为临界流动[9-10],泄漏气体质量流量Qm0按式(8)计算得Qm0=0.181964kg/s,G=1077.95kg/(m2·s)。泄漏120s时阀门自动关闭[9],关闭阀门后管道内压力减小,当压力大于临界压力pc时,泄漏气体质量流量Qm0按式(8)、(10)、(11)、(12)计算;当压力小于临界压力pc时,泄漏气体流动为亚临界流,泄漏气体质量流量Qm0按式(9)、(10)、(11)、(12)计算。Qm0=Aorp2MRT2·k2kæèçöø÷+1k+1k-1(音速泄漏)(8)Qm0=Aorp2MRT2·2kk-1papæèçöø÷22k-papæèçöø÷2k+1éëêêùûúúk(亚音速泄漏)(9)Qm(t)=Qm0·[F(t)](k+1)/(k-1)(10)F(t)=11+α·t(11)α=Qm0·(k-1)2·m0(12)m0=L·Ac·ρ(13)G=Qm0Aor(14)式中,m0为管道内气体质量,kg;Qm为质量流量,kg/s;k为比热容;t为关闭阀门后泄漏时间,s;Ac为管道横截面积,m2;Aor为泄漏口面积,m2;M为气体摩尔质量,kg/kmol;R为气体常数,R=8.314J/(mol·K);p2为管道内压力,MPa;pa为大气压,0.101325MPa;G为质量流量,kg/(m2·s);T为温度,K;L为管线长度,m;ρ为密度,kg/m3。泄漏口设为质量流量进口;左侧设置为风入口,设置为速度进口;空间上边界设为压力出口;土壤两侧设为压力出口,坡面和土壤层表面设为多孔介质,土壤物性为:密度1500kg/m3、导热系数1.5W/(m·K)、比热容2200J/(kg·K)、孔隙度0.43[11]、土壤平均直径0.2mm,根据文献[12]计算出渗透率及惯性阻力系数。管道、建筑物及地面的边界条件设为壁面。稳态泄漏120s内质量流量进口设置为1077.95kg/(m2·s),关闭阀门后,根据质量流量随时间变化拟合出公式(15):G=1047.4×e-0.0013t(15)将公式(15)编写成UDF程序并按照风速边界设置方法设置泄漏口边界条件。2数值模拟结果和分析埋地天然气管道发生泄漏扩散后,由于受土壤阻力作用,泄漏气体的动能衰减程度较大,速度大大降低,泄漏气体不足以冲破管道上方的埋土,气体会在土壤中扩散,到达地表后向大气中扩散[13-14]。当管道受到不同的损伤,泄漏口在管道上出现的位置是不同的,而对于埋地燃气管道泄漏口位置不同,气体扩散的规律也不尽相同。根据泄漏口在管道上的不同位置修改几何模型,上部泄漏和背风侧泄漏地面距离几何模型下边界为5m,下部泄漏工况下地面距离几何模型下边界为10m。以泄漏口直径为25.4mm为例说明,气体扩散云图如图2~图4所示,表1更详细地说明了CH4在土壤中和空气中扩散的范围。69石油与天然气化工CHEMICALENGINEERINGOFOIL&GAS2014表1不同泄漏位置天然气危害范围Table1Gashazardareaofdifferentleakageposition泄漏位置上部泄漏下部泄漏背风侧泄漏泄漏时间/s120434120434120434伤害下限距离/m342838383329.6伤害下限距地面高度/m7