陳曉坤，魯昆侖 ，肖 旸，王彩萍

(1.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

含硫天然氣管道連續(xù)泄漏規(guī)律研究

陳曉坤1，2，魯昆侖1，2，肖 旸1，2，王彩萍1，2

(1.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

為了預(yù)測(cè)含硫天然氣泄漏后危險(xiǎn)氣體的擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)區(qū)域的面積，以中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第五采氣廠輸送管線為例，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際環(huán)境，根據(jù)高斯煙羽模型選擇適合于含硫天然氣連續(xù)泄漏的控制參數(shù)，開展了含硫天然氣在不同泄漏量、大氣環(huán)境、地面粗糙度條件下連續(xù)泄漏的數(shù)值模擬研究，得出了相應(yīng)的下風(fēng)向擴(kuò)散距離及其危害面積。結(jié)果表明：不同的條件下，天然氣擴(kuò)散的距離和面積不同。泄漏量越大，天然氣擴(kuò)散的距離和危害面積也越大，H2S的危險(xiǎn)區(qū)域的面積也越大；大氣穩(wěn)定性越高，擴(kuò)散距離和危害面積越大；地面粗糙度越大，擴(kuò)散距離和危害面積越小。模擬結(jié)果可為人員疏散方案及應(yīng)急救援預(yù)案制定提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

含硫天然氣；泄漏量；擴(kuò)散距離；危險(xiǎn)區(qū)域；數(shù)值模擬

0 引 言

中國(guó)已經(jīng)探明的含硫天然氣藏逐年增加，對(duì)于含硫天然氣藏，在鉆井和運(yùn)輸過程中，管道一旦發(fā)生泄漏，就會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。2013年3月12日，新疆阿克蘇市因施工不慎，導(dǎo)致天然氣管道泄漏，上百名群眾被疏散[1]。因此，預(yù)測(cè)含硫天然氣泄漏之后天然氣爆炸危險(xiǎn)區(qū)域面積和H2S氣體的危害面積分布，是制定含硫天然氣泄漏后人員疏散方案和應(yīng)急救援預(yù)案的關(guān)鍵。

目前，對(duì)于天然氣等危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散過程的研究主要方法有試驗(yàn)研究方法和數(shù)值模擬研究方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊昭[2]等詳細(xì)分析了天然氣泄漏之后氣體擴(kuò)散形成的危險(xiǎn)區(qū)域以及泄漏氣體擴(kuò)散邊界，其研究結(jié)果表明適當(dāng)提高風(fēng)速會(huì)增加氣體擴(kuò)散速度，氣體危險(xiǎn)區(qū)域?qū)?huì)減小，增加氣體泄漏速度，也會(huì)增加氣體擴(kuò)散速度；肖淑衡[3]等學(xué)者應(yīng)用PHOENIC軟件模擬了廠區(qū)天然氣泄漏的擴(kuò)散過程，分析了風(fēng)速、泄漏時(shí)間及射流方向?qū)π孤┛臻g天然氣濃度分布情況及危險(xiǎn)性區(qū)域面積的影響，得出風(fēng)的速度對(duì)氣體擴(kuò)散濃度和擴(kuò)散危險(xiǎn)性區(qū)域的面積有很大的影響；上述研究基于不同方法研究了天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律和影響范圍。然而多數(shù)研究只給出了天然氣的危險(xiǎn)區(qū)域，沒有考慮天然氣中的H2S氣體的危險(xiǎn)范圍，鑒于此，文中以中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第五采氣廠(以下簡(jiǎn)稱第五采氣廠)天然氣輸送管線為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，對(duì)天然氣管道連續(xù)泄漏進(jìn)行模擬，充分考慮泄漏量、大氣穩(wěn)定度以及地面粗糙度對(duì)氣體擴(kuò)散范圍的影響，確定出不同參數(shù)條件下天然氣和H2S氣體危害區(qū)域范圍，以期為天然氣泄漏事故的防范和應(yīng)急救援提供參考。

1 天然氣泄漏計(jì)算模型

自20世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就氣體擴(kuò)散范圍的數(shù)值模擬提出了多種擴(kuò)散仿真模型，其中比較常用的有唯像模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型和高斯模型等[6-7]。天然氣管道發(fā)生連續(xù)泄漏后，有毒有害氣體在大氣湍流和平流作用下向四周擴(kuò)散。根據(jù)試驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)理論，在穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，污染物濃度分布符合高斯分布。高斯模型分為高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型。文中主要模擬天然氣管道由于腐蝕、人員操作失誤等原因形成空洞或裂痕而形成的連續(xù)泄漏，故采用高斯煙羽模型[8-9]。

采用高斯煙羽模型對(duì)天然氣管道連續(xù)泄漏進(jìn)行模擬，以泄漏源為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為泄漏下風(fēng)向的距離，Y軸為橫風(fēng)向距離。為了便于模擬，做出如下假設(shè)：① 擴(kuò)散物質(zhì)的濃度在y軸上呈高斯正態(tài)分布；② 在整個(gè)模擬區(qū)域風(fēng)速是恒定不變的；③ 擴(kuò)散過程中氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量保持不變，即達(dá)到地面全部反射[10]。

設(shè)泄漏源在地面的投影坐標(biāo)為(0，0，0)；泄漏源距地面距離為H，m；平均風(fēng)速為u，m/s.根據(jù)高斯煙羽模型可以得出泄漏物質(zhì)在坐標(biāo)(x,y,z)點(diǎn)處質(zhì)量的濃度C(x,y,z)分布，計(jì)算如式(1)[11]所示。

(1)

式中C為坐標(biāo)(x,y,z)處的泄漏氣體的平均濃度，mg/m3；σy為側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)，m；σz為縱向擴(kuò)散系數(shù)，m；氣體擴(kuò)散系數(shù)與大氣穩(wěn)定性和下風(fēng)向距離x有關(guān)。

天然氣管道發(fā)生連續(xù)泄漏沿地表進(jìn)行擴(kuò)散，假設(shè)地面對(duì)泄漏氣體全部反射到大氣中。此時(shí)，地面上任意一點(diǎn)的擴(kuò)散氣體的濃度為：不存在地面時(shí)此點(diǎn)應(yīng)具有的濃度與由于地面全反射而增加的濃度之和。為了簡(jiǎn)便處理，可以認(rèn)為，地面上任意一點(diǎn)濃度是無地面反射作用的空中氣體擴(kuò)散濃度的二倍，即

C(x,y,z)=2C空(x,y,z),

(2)

當(dāng)H=0時(shí)，高斯煙羽模型可以簡(jiǎn)化為

(3)

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

以第五采氣廠輸送管線為對(duì)象，研究輸氣管線發(fā)生連續(xù)泄漏時(shí)氣體濃度的分布和危險(xiǎn)區(qū)域的面積。第五采氣廠位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗境內(nèi)，氣田及管道經(jīng)過地區(qū)在植被上屬于毛烏素沙漠地帶，地形地貌特征可分為沙漠平原區(qū)和沙丘波狀區(qū)2大地貌單元。第五采氣廠產(chǎn)出的天然氣甲烷平均含量為94.73%，H2S含量高，最大含量為1 196.4 mg/m3，平均含量為207.2 mg/m3；相對(duì)密度平均為0.564.第五采氣廠管道平均壓力為5 MPa.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，建立高斯煙羽模型計(jì)算天然氣輸送管道連續(xù)泄漏后氣體濃度的分布。

含硫天然氣泄漏擴(kuò)散后，不同氣體濃度，危險(xiǎn)程度不同。參照瑞士職業(yè)接觸限值甲烷容許最高接觸濃度(TWA)為6 700 mg/m3，進(jìn)入此濃度區(qū)域的搶修人員需要配戴防護(hù)器具。天然氣的爆炸極限為5.05%～15.14%，即空氣中天然氣質(zhì)量濃度達(dá)到34 616～103 803 mg/m3時(shí)，有能量高于天然氣最小點(diǎn)燃能量的點(diǎn)火源即引起爆炸。H2S在空氣中的最高容許濃度是10 mg/m3，當(dāng)濃度≥10 mg/m3時(shí)，人就會(huì)出現(xiàn)中毒，最后呼吸麻痹而死亡。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 泄漏量對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響

天然氣是通過高壓管道輸送到集氣站的，因此可采用小孔模型計(jì)算其泄漏質(zhì)量流量。在高壓輸送管道中，由于內(nèi)部介質(zhì)壓力比較高，氣流一般處于流速臨界狀態(tài)，故氣體流動(dòng)屬于音速流動(dòng)。其計(jì)算公式為

(4)

其中 Q為氣體泄漏率，kg/s；Aor表示泄漏孔面積，m2；CD為孔口流量修正系數(shù)，一般取1；P為管道的壓力，Pa；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為氣體常數(shù)，R=8.314Pa·m/(mol·K)；T為氣體的溫度，K；k為氣體絕熱系數(shù)，對(duì)于天然氣一般取k=1.334.

泄漏量分別取2.683×106，5.366×106，8.049×106，1.073×107，1.341×107mg/s，大氣穩(wěn)定度為D，地面粗糙度為0.1時(shí)，不同泄漏量下天然氣下風(fēng)向擴(kuò)散距離及擴(kuò)散面積如圖1和表1所示。根據(jù)第五采氣廠天然氣含硫量的比例，得出當(dāng)泄漏量取2.683×106，5.366×106，8.049×106，1.073×107，1.341×107mg/s時(shí)，對(duì)應(yīng)H2S的泄漏量為774.93，1 549.86，2 324.784，3 099.71，3 874.64mg/s，通過計(jì)算得到H2S的危險(xiǎn)區(qū)域面積，見表2.

在圖1中的曲線從左到右依次對(duì)應(yīng)天然氣濃度分別為C=1.038×105，3.461×104，6.700×103mg/m3.從圖1和表1可知，當(dāng)泄漏孔徑變大后，泄漏量也會(huì)隨之變大。泄漏量越大，天然氣的爆炸濃度區(qū)域面積和威脅人體健康的面積也逐漸增大。從表2可知，當(dāng)泄漏量增大后，H2S氣體的危害面積也隨之增大。

表1 不同泄漏量下天然氣的下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危害面積

表2 不同泄漏量下H2S下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)區(qū)域面積

2.2.2 大氣穩(wěn)定性對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響

當(dāng)天然氣的泄漏量為8.049×106mg/s，地面粗糙度為0.4，大氣穩(wěn)定度分別取A，B，C，D，E，通過計(jì)算得到不同大氣穩(wěn)定性下天然氣的等質(zhì)量濃度曲線和下風(fēng)向擴(kuò)散距離以及危害區(qū)域面積，如圖2所示和見表3.當(dāng)H2S的泄漏量為2 324.78 mg/s時(shí)，同樣得出H2S的危險(xiǎn)區(qū)域面積，見表4.

在圖2中的曲線從左到右依次對(duì)應(yīng)天然氣濃度分別為C=1.038×105，3.461×104，6.700×103mg/m3.從圖2和表3可知，大氣越穩(wěn)定，氣體向下風(fēng)向擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn)，天然氣爆炸濃度區(qū)域和危害面積越大。從表4可知，大氣越穩(wěn)定，H2S氣體的危險(xiǎn)區(qū)域面積越大。

表3 不同大氣穩(wěn)定性下天然氣的下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危害面積

表4 不同大氣穩(wěn)定性下H2S下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)區(qū)域面積

2.2.3 地面粗糙度對(duì)天然氣擴(kuò)散的影響

當(dāng)?shù)孛娲植诙确謩e取0.2，0.5，1，2，3，大氣穩(wěn)定性為D，泄漏量為8.049×106mg/s時(shí)，天然氣等質(zhì)量濃度曲線如圖3所示，天然氣下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危害面積數(shù)據(jù)見表5.

從圖3和表5可知，隨著地面粗糙度增大，氣體向下風(fēng)向擴(kuò)散的距離越小，天然氣爆炸濃度區(qū)域和威脅人體健康區(qū)域的面積就越小。從表5可知，地面粗糙度增大，H2S氣體的危險(xiǎn)區(qū)域面積越小。地面粗糙度越大，氣體擴(kuò)散越不易。因此，為了減少有害氣體的擴(kuò)散，可以增大地面粗糙度，如在天然氣輸送管線周圍種植樹木，在天然氣集氣站周圍構(gòu)筑圍墻。

表5 不同地面粗糙度的下天然氣的下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危害面積

圖2 不同大氣穩(wěn)定性下天然氣擴(kuò)散等質(zhì)量濃度曲線Fig.2 Isoconcentration curves of natural gas with different atmosphere stability

圖3 不同地面粗糙度下天然氣擴(kuò)散等質(zhì)量濃度曲線Fig.3 Isoconcentration curves of natural gas with different ground roughness

表6 不同地面粗糙度下的H2S下風(fēng)向擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)區(qū)域面積

3 結(jié) 論

1)利用高斯煙羽模型模擬分析了第五采氣廠含硫天然氣管道在發(fā)生連續(xù)泄漏之后氣體沿下風(fēng)向的擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)區(qū)域面積。得出了天然氣質(zhì)量濃度在3.461 6×104mg/m3和1.038×105mg/m3這2條等質(zhì)量濃度曲線，該范圍屬于爆炸區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)避免動(dòng)火作業(yè)。同時(shí)也得到了H2S危險(xiǎn)區(qū)域沿下風(fēng)向擴(kuò)散的距離和危險(xiǎn)面積，當(dāng)發(fā)生泄漏后，人員盡量避免在危害區(qū)域活動(dòng)；

2)當(dāng)天然氣的泄漏量從2.683×106mg/s增大至1.3415×107mg/s時(shí)，天然氣最高容許接觸濃度沿下風(fēng)向分布的距離分別為45.50，65.99，82.16，96.06，108.51 m.根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)泄漏量增大，天然氣的擴(kuò)散距離也隨之增大，危險(xiǎn)區(qū)域面積也增大，H2S的擴(kuò)散距離和危險(xiǎn)面積同樣增大；

3)當(dāng)大氣穩(wěn)定度的分別取A，B，C，D，E(A，B，C，D，E分別代表不同的大氣穩(wěn)定度)時(shí)，天然氣最高容許接觸濃度沿下風(fēng)向分布的距離分別為35.92，53.57，75.59，82.16，132.21 m.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏之后，避免在爆炸濃度區(qū)域進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)，及時(shí)將人員疏散至安全區(qū)域；

4)當(dāng)?shù)孛娲植诙确謩e取0.2，0.5，1，2，3時(shí)，天然氣最高容許接觸濃度沿下風(fēng)向分布的距離分別為96.44，78.62，66.71，53.54，45.62 m.通過數(shù)據(jù)分析，天然氣的擴(kuò)散距離隨著地面粗糙度的增大而減小，故在天然氣輸送管線周圍種植樹木或者構(gòu)筑高墻，可以減小危險(xiǎn)氣體的擴(kuò)散面積。

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Researchondiffussionregularityofcontinousleakageofsoufurnaturalgaspipeline

CHENXiao-kun1，2，LUKun-lun1，2，XIAOYang1，2，WANGCai-ping1，2

(1.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；2.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

In order to predict the diffusion distance and hazard area of sulfur natural gas leakage diffusion，taking China Petroleum Changqing Oilfield fifth gas field gas pipeline as an example and combining the actual local conditions，according to the Gaussian plume model,we select suitable control parameters for a continuous leak of sulfur gas.Research on numerical simulation of continuous leak of sulfur natural gas on the different leakage，atmosphere and surface roughness conditions，and obtain the diffusion distance and hazard area in correspnding down wind direction.Results show that under different conditions，the distance and area of the natural gas diffusion are different.Hazard area of natural gas and H2S increases with increase of the leakage，the greater the stability of the atmosphere，the greater the diffusion dtistance and the hazard area will be，but the diffusion distance and hazard area tend to decrease with increase of the surface roughness．The simulation results can provide theoretical basis and technical guidance for formulation of the evacuation plan and emergency rescue plan.

sulfur natural gas；leakage；diffusion distance；hazard area；numerical simulation

2015-04-10 責(zé)任編輯：劉 潔

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51134019)；國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51204136)；陜西省自然科學(xué)基金(2014JM7276)

陳曉坤(1961-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:chengxk@xust.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0402

1672-9315(2015)04-0403-06

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