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城镇建筑物附近天然气管道泄漏模拟分析

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第46卷第4期 201 7年4月 当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry V0].46.NO.4 April,201 7 城镇建筑物附近天然气管道泄漏模拟分析 徐大鹏,郭冬菲 (中国寰球工程公司辽宁分公司,辽宁沈阳I 10167) 摘 要:城镇天然气管道往往分布在人群和建筑物集中的区域,且天然气输送管网越来越复杂,使得城镇 天然气泄漏事故成为相较于其他易燃易爆气体泄漏事故发生更频繁、危害更严重的事故。不仅妨碍管道的安全 运行、污染环境、造成巨大的经济损失,还会引起中毒、火灾、爆炸等重大人员伤亡事故。对多种泄漏情况进 行了模拟分析,掌握天然气管道泄漏扩散的规律,对城镇管网的安全运营有着现实意义。 关键词:天然气;埋地管道;泄漏;数值模拟 文献标识码: A 文章编号: 1671—0460(2017)04—0771—04 中图分类号:TE 832 Simulation Analysis of Natural Gas Pipeline Leakage in the Vicinity of Urban Buildings XVDa-peng,GUODong-fei (HQC Liaoning Company,Liaoning Shenyang 113006,China) Abstract:Urban natural gas pipeline iS often distributed in regions where population and buildings are concentrated; in addition.natural gas transportation network is becoming more and more complicated.which can make the city natural gas leakage accidents become more frequent and more dangerous compared to other flammable and explosive gas leakage accidents.These accidents can not only hinder the operation safety of urban natural gas pipeline.cause environmental pollution and huge economic losses,but also cause poisoning,fire,explosion and other maior casualties In this Pape simulation analysis of various leakage situation was carried out,the rule of the natural gas pipeline leakage diffusion was determined.which had practica1 significance to safe operation of urban pipe network. Keywords:Natural gas:Buried pipeline;Leakage;Numerical simulation 图1中泄漏区域发生在土壤层中,命名土壤层为 用,越来越多的长输管道和城市天然气管道投产运 SOIL;不考虑管道内部气体流动状态,建立有限元 行。由于外力因素、腐蚀因素、设计施工与材料缺 模型时忽略管道壁厚,仅建立管壁上的泄漏口即可, 陷等因素,天然气管道泄漏事故发生的频率逐年上 泄漏口命名为Gasin;土壤层上面为扩散区域(也就 升。在城市管网系统中,由于监管检测和应急抢险 是大气空问),命名为Air;土层与空气交界面为地 设施还不够完善,管道内部出现故障不易被发现, 表,命名为Ground。图1为泄漏扩散模型,该模型 旦天然气发生泄漏,泄漏的有毒气体不仅会危害 为基础模型,后文中不同运行压力泄漏扩散模型、 我们的身体健康还会造成环境污染。更为严重的是, 不同泄漏位置泄漏扩散模型以及不同风速风向下泄 泄漏的易燃易爆危险气体会迅速与周围空气混合形 漏扩散模型均以此为基础,除不同地形辅助一些建 成新的危险气体,当气体浓度达到爆炸极限,遇到 筑物之外,然后改变运行参数、管道自身参数以及 静电或者火花极易发生燃烧或爆炸,从而造成人员 环境参数,其他参数均与该模型设置相同 。 伤亡和财产损失等。本文以流体控制方程为基础, 建立了城镇燃气埋地管道泄漏扩散物理模型,分别 分析与讨论了非稳态情况下,风速、泄漏速度、埋 地深度和建筑物对天然气泄漏的影响及其变化规律。 一随着天然气产业的不断发展和天然气的广泛应 1模型的建立 1.1 三维模型 结合现有城镇燃气管网的敷设概况,利用CFD 前处理建立模型,其中包括气体扩散区域,泄漏土 壤区域。管道埋地深1.5m,且位于人行道中心位置。 图1 天然气泄漏扩散区域模型 Fig.1 The model of natural gas leakage and diffusion in Urban underground 收稿日期:201 7-03—06 作者简介:徐大鹏(1980一),男,辽宁省抚顺市人,工程师,2004年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程专业,研究方向:油气集输及地面工 程。E-mail:xudapeng@hqcec.com。 772 当 代 1.2数学模型 流体流动均需受守恒定律的控制,基本的守恒 定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守 恒定律。若流动包含有不同组分的混合或相互作用, 系统还要遵守组分守恒定律。若流动处于湍流状态, 系统还要遵守附加的湍流输运方程 。 1.3参数设置和边界条件 1.3.1参数设置 管道的泄漏口(gasin)边界定义为速度人口边 界(Velocity—inlet);模拟计算区域左侧定义为风速入 口(airin),设定为速度入口边界(Velocity—inlet),并 且风速随着高度变化进行UDF(User—Defined)修正; 上边界为压力出口(top),边界定义为压力出口 Pressure—out1;右边界也为压力出口(out),边界定 义为压力出口(Pressure—out);上部泄漏空间(AIR) 和土壤区域(SOIL)定义为Fluid区域。 CFD基本参数设置如下(图2): (1)求解器类型:选择基于压力法的求解器, 隐式fImplicit1,2D,时间类型:稳态/非稳态 (Stead? /Usteady),速度方程选择计算时速度为绝 对速度(Absolute),Green—Gauss Cell Based; (2)重力设置:考虑重力影响,在Operating Conditions对话框里勾选Gravity复选框, 方向重 力加速度为0,y方向重力加速度为一9.81; (3)能量方程:勾选Energy Equation复选框, 激活能量方程; (4)湍流模型:选择可实现(Realizable £) £模型,考虑全浮力影n ̄(Full Buoyancy Effects); (5)物质材料定义:在FIUENT数据库里选择 甲烷Ch4(methane),参数选择默认值;定义土壤类 型,物质类型为Solid,密度(Density)为1500 kg/m , 比热(CP)为2200,热传导系数(Thermal Conductivity)为1.5 W/(m。K); (6)组分输运和反应模型:选择无化学反应的 组分输运,混合物质(Mixture Materia1)选择甲烷 和空气混合(methane—air o 1.3.2边界条件 (1)定义泄漏口(gasin)为速度人口 (velocity—inlet),泄漏速度(Velocity—Magnitude) 为80m/s,当量直径(Hydraulic Diameter)为0.1m, 甲烷体积分数为1; (2)定义风速入口(airin)为速度入口 (velocity—inlet),风速为10m/s,当量直径(Hydraulic Diameter)为60m; 化 工 (3)定义空气上边界(top)为压力出口 (pressure—outlet),设定回流当量直径(Backflow Hydraulic Diameter)为60m; (4)定义空气右边界(out)为压力出口 (Pressure-outlet),设定回流当量直径(Backflow Hydraulic Diameter)为60m; (5)定义壁面边界条件(wal1),在热力学 (Therma1)选项中勾选温度(Temperature)选项即 可: (6)定义土壤和空气临界面(ground)为多孑L 介质跳跃面(porous-jump),设定面的渗透率(Face Permeability)为29,多孔介质的厚度(Porous Medium Thickness)为0.O001m,压强跳跃系数 (Pressure—Jump Coefficient)为53948 m一; (7)定义土壤区域(soil)为多孑L介质区,其 属性为流体属性(fluid),同时选定多孑L介质区 (Porous Zone)、层流区(Laminal Zone),土壤孔隙 度为0.43。 图2计算域的边界类型 Fig.2 Boundary type of calculation basin 2模拟结果与分析 2.1 不同风速下埋地天然气管道泄漏 在分析泄漏周围环境的风速对天然气泄漏扩 散范围的影响时,分别选择左侧进口风速为4、6、 8m/s三种情况进行分析对EL(图3)。 第46卷第4期 徐大鹏,等:城镇建筑物附近天然气管道泄漏模拟分析 773 (c) 图3风速4、6、8m/s天然气的泄漏扩散图 Fig.3 The concentration distribution picture of the natural gas,when the wind speed is 4,6,8m/s 通过对比在不同进口风速下的天然气泄漏扩散 浓度分布等值线图(图3(a)、图3(b)、图3(c)), 不难发现,随着风速的逐渐增大,天然气的浓度范 围有明显的减小,浓度层也明显减少。在天然气管 道泄漏扩散的初期,风速对泄漏扩散范围的影响还 不太明显,随着气体不断地向上喷射,风速越大, 天然气的扩散速度和浓度减小的越快,泄漏的射流 向下的倾斜角度越大,对扩散范围的影响越明显。 由天然气泄漏扩散的浓度等值线图可知,当左侧进 风速度为4m/s时,天然气泄漏的最高点可达到40m 高,随着进口风速的不断增大,泄漏气体扩散范围 的最高点逐渐降低,在左侧进风速度为8m/s时,其 浓度扩散范围的最高点高度为33m。风力加快了天 然气与周围空气之间的相互作用,影响了天然气与 空气之间的传热介质,加速了天然气的扩散。且风 力对泄漏气体迎风面的影响要远大于背风面的影响, 风速越大,影响效果越明显,泄漏的天然气对环境 的影响作用越小,越有利于泄漏气体的扩散。 2-2不同泄漏速度埋地天然气管道泄漏 通过对比在不同泄漏速度下的天然气泄漏扩散 浓度分布等值线图(图4(a)、图4(b)、图4(c)), 在其他影响因素不改变的情况下,天然气的泄 漏速度越大,其在空气中的泄漏扩散范围越大,泄 漏扩散浓度越高,达到稳定所需时间越长,对周围 环境的影响越大。 图4泄漏速度60、80、1 OOm/s天然气泄漏扩散图 Fig.4 The concentration distribution picture of the natural gas,when the leakage speed is 60,80,100m/s 2.3不同泄漏速度埋地天然气管道泄漏 分析天然气管道的埋深对天然气管道泄漏扩散 的影响,模拟天然气管道分别在埋深1.2和1.8m的 条件下泄漏扩散的情况(图5)。 774 当 代 化 工 201 7年4月 由于埋地管道两侧建筑物的影响,天然气的泄 漏扩散范围及浓度将发生很大程度的改变。在相同 外界环境和边界条件下,当管道两侧均有建筑物时, 建筑物会阻碍气体的纵向扩散,这会使泄漏的天然 气在近地面附近产生绕流现象,增加近地面附近气 体的湍流程度,同时也会改变泄漏气体的扩散方向 图5 1-2、1.8m埋深天然气泄漏扩散图 Fig.5 The concentration distribution picture of the natural gas,when the pipe buried depth of 1.2 and 1.8m 图5(a)、图5(b)为城镇埋地天然气管道埋 深1.2m时在大气中的泄漏扩散情况,在模型的建立 上仍然选择左侧为风速入口(风速为6m/s),埋地 管道泄漏口速度为80m/s,方向向上;图5(b)为埋 地天然气管道埋深1.8m时的泄漏扩散情况,其中只 改变管道埋深,其他边界条件保持不变。从图中可 看出,当泄漏扩散达到稳定时,在两种不同埋深的 情况下,天然气的泄漏扩散范围基本一致,泄漏扩 散浓度也基本相同。通过观察天然气泄漏扩散浓度 的等值线图可知,天然气l%泄漏浓度可达到的最 高点都为36m,泄漏范围的截面距离为6m;天然气 百分之五泄漏浓度在稳定时可达到建筑物顶端15m 处。由于图5(a)、图5(b)1的泄漏扩散情况差 别不大可知,埋地天然气管道的埋深对天然气在大 气中的泄漏扩散情况影响很小。 2.4建筑群中天然气管道泄漏 在研究埋地天然气管道在建筑群中的泄漏扩散 情况时,可以将泄漏模型简化为埋地管道两侧均存 在建筑物二维泄漏模型进行模拟分析。模拟泄漏扩 散空间为70m×50m;两侧建筑物高15m、宽lOre; 天然气管道距离右侧建筑物2m、埋深1.5m;管道 的泄漏直径为0.1m、泄漏速度为80m/s;左边界为 风速人El,进口风速为6m/s(图6)。 0 l0 20 30 40 50 60 70 图6建筑群天然气泄漏扩散等值线图 Fig.6 The concentration distribution picture of the natural gas of building group 和扩散速度,所以泄漏的天然气气体很容易聚集在 建筑物之间,在其中间形成较为强烈的绕流,不容 易扩散出来,并且在上风向一侧建筑物附近天然气 的泄漏扩散浓度很大,浓度梯度也很大,不容易向 高处空气中扩散,只有少量的空气扩散到建筑物顶 端后在风力的作用下会绕过建筑物继续向右下方扩 散,且偏移的程度相较于只有单侧有建筑物的情况 时更加显著,这是因为泄漏扩散到高空的天然气气 团浓度低、速度小,更容易受到周围环境中风力的 影响。 3结束语 本章运用FLUENT软件模拟埋地天然气管道泄 漏扩散的稳态及非稳态过程,分析环境的风速、管 道的泄漏速度、埋深等因素对泄漏扩散情况的影响。 得出以下结论: (1)大气环境的风速越大,天然气的泄漏扩散 范围越小利于泄漏气体的扩散。 (2)管道的泄漏速度越大,天然气的扩散所达 到的高度越高、扩散范围越大、对周围建筑物及空 气的影响越严重。 (3)管道的埋深对天然气泄漏扩散情况的影响 不大。 (4)管道两侧均存在建筑物时,天然气将在建 筑物中间聚集、扩散高度明显降低。 参考文献: [1]李胜利.复杂地表形态下天然气泄漏扩散的三维数值模拟研究 中国石油大学,2010. [2]桑博.长输天然气管道泄漏扩散的数值模拟[DI.北京交通大学, 2011. [3]司凡.LNG气化站气相管道天然气泄漏扩散的数值模拟与分析 . 华中科技大学,2013. [4]侯庆民.天然气管道泄漏与天然气在大气中扩散的模拟研究【D】.哈 尔滨工业大学,2009 l 5 J Liu ZY,Zhao Y Z,Zheng J Y.Simulation and analysis on leakage and explosion of high pressure hydrogen in hydrogen refueling station[J]. Zhejiang DaxueXuebao(Gongxue Ban)/Journat of Zh ̄iang University (Engineering Science Edition,2015,49(7):1389—1394. [6]霍春勇,董玉华,余大涛,等.长输管线气体泄漏率的计算方法研 究『J Jl石油学报,2004,25(1):101—105. 

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