高嵩 王茂廷
摘要:天然氣長輸管道泄漏擴(kuò)散的基本理論,全面分析了影響天然氣泄漏擴(kuò)散的因素;建立了天然氣長輸管道泄漏模型,對不同影響因素下天然氣泄漏的壓力場、速度場、濃度場以及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了模擬分析,闡述了不同工況下天然氣長輸管道泄漏的規(guī)律;通過模擬對比分析了不同泄漏孔徑、不同泄漏壓力對泄漏區(qū)域的影響;模擬分析了氣體中含硫化氫和泄漏區(qū)域有建筑物時(shí)的泄漏規(guī)律。
關(guān)鍵詞:高壓管道;泄漏擴(kuò)散;數(shù)值模擬;燃燒;熱輻射
中圖分類號:TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1671-0460(2017)01-0082-04
根據(jù)燃燒傷害模型和爆炸傷害模型,分析了燃燒后的濃度場、溫度場、壓力場、密度場和速度場分布情況,對天然氣泄漏燃燒熱輻射情況和爆炸危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了計(jì)算研究,本文研究內(nèi)容對于了解高壓長輸管道天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律及制定相關(guān)安全事故的應(yīng)急預(yù)案具有非常重要的指導(dǎo)意義。
1 天然氣泄漏的數(shù)值模擬
天然氣是由小分子飽和烴類氣體和非烴類氣體組成的混合物。其中低分子飽和烴類氣體占95%以上。在飽和烴類氣體中,甲烷(CH4)占絕大部分,乙烷(C2H6)、丙烷(E3H8)、丁烷(C4H8)和戊烷(C5H12)含量不多,庚烷以上(C+5)烷烴含量極少。常見的少量的非烴類氣體一般有二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮?dú)猓∟2)、氫氣(H2)、硫化氫(H2S)和水(H2O)以及微量的惰性氣體氦(He)、氬(Ar)等。
采用三維模型,需要建立三維立方體模型,入口即為圓柱形入口,由于后面所討論的模擬尺寸大小及模擬精度的需求的限制,目前還無法進(jìn)行大范圍精確的三維模擬。
為了更好地模擬大范圍內(nèi)的天然氣管道泄漏情況,本文采用二維網(wǎng)格模型,如圖1所示,F(xiàn)LUENT的前處理軟件GAMBIT把管道孔口的泄漏定義為狹縫擴(kuò)散,而非圓孔擴(kuò)散,F(xiàn)LUENT設(shè)置邊界層參數(shù)選用Turbulence Specification Method的方法中的強(qiáng)度和水力直徑(Intensity and Hydraulic Diameter)項(xiàng)來當(dāng)作湍流選取。同時(shí)設(shè)置了壓力出口的當(dāng)量直徑,這樣就限制了管道狹縫的縱向長度,進(jìn)而保證了二維的網(wǎng)格模擬為孔口天然氣的基本知識(shí)及針對長輸管道的泄漏FLUENT模擬的GAMBIT網(wǎng)格劃分,根據(jù)需要建立合適的幾何模型、劃分網(wǎng)格及指定邊界條件為后續(xù)FLUENT模擬計(jì)算做鋪墊,然后通過幾何模型選取相應(yīng)的求解器、能量方程、確定天然氣的材料特性,最后通過工程實(shí)例來確定入口處氣流速度和馬赫數(shù)進(jìn)而選取相關(guān)的泄漏速率,通過相應(yīng)的泄漏速率模型的選取來確定邊界條件,為下章節(jié)FLUENT模擬結(jié)果及分析做了良好的鋪墊。
2 不同因素對天然氣泄漏的影響
2.1 不同泄漏時(shí)間下氣體泄漏分析
2.1.1 不同泄漏時(shí)間下的壓力場分布(圖1)
在泄漏初期,泄漏1s時(shí),在泄漏口的正上方較近處出現(xiàn)一個(gè)環(huán)狀低壓區(qū),中間壓力最低,以此為中心形成低壓環(huán)。出現(xiàn)此種情況的主要原因是泄漏初期,泄漏口上方空氣湍流強(qiáng)度大,空氣相對較為稀薄,出現(xiàn)小范圍的低壓區(qū)。但隨泄漏事件的增長,壓力場分布逐漸均勻,最后成為以泄漏帶為分界線的左側(cè)壓力略高于右側(cè)壓力的壓力分布場圖。
2.1.2 不同泄漏時(shí)間下的速度場分布
(1)不同泄漏時(shí)間下的垂直速度場分布(圖2)
泄漏5s時(shí),泄漏口略上方及偏右側(cè)出現(xiàn)較為明細(xì)的高垂直速度分布區(qū),主要由于此時(shí)泄漏氣體的分布范圍逐漸向上、向右。隨泄漏時(shí)間的進(jìn)一步延長,伴隨泄漏氣體的進(jìn)一步擴(kuò)大,垂直分速度也向上移動(dòng)。最后形成了以泄漏帶為分界的,泄漏帶中心相對較高速度,向外速度逐漸減小的分布云圖。
(2)不同泄漏時(shí)間下的水平速度場分布圖泄漏1s時(shí),以泄漏口正上側(cè)直線為界,左側(cè)形成水平速度低速核心區(qū),且越遠(yuǎn)離界線,梯度越小,右側(cè)形成高速核心區(qū),且越遠(yuǎn)離界線,梯度越小。隨泄漏時(shí)間的增長,水平速度分布趨于穩(wěn)定。在泄漏50s后,水平速度對整個(gè)流場的影響不大,且分布均勻,只在泄漏口附近,出現(xiàn)較為明細(xì)的湍流區(qū)(圖3)。
2.2 不同泄漏孔徑下氣體泄漏的比較
不同泄漏孔徑下氣體泄漏的壓力場分布規(guī)律不同,但可看出,均是以泄漏帶的核心處為分界線,左側(cè)壓力較右側(cè)壓力高,泄漏帶兩側(cè)的壓力分布較為不規(guī)律,而遠(yuǎn)離泄漏帶側(cè)的壓力場分布較為均勻。不同泄漏孔徑下速度場分布規(guī)律較為明顯,隨泄漏孔徑的增大,泄漏氣體的速度場越發(fā)明顯,且速度場湍流強(qiáng)度更強(qiáng)。泄漏孔徑較小時(shí),泄漏氣體的噴射速度高度較小,且受自然風(fēng)速的影響較大,明顯偏向自然風(fēng)的下風(fēng)向。隨孔徑增大,噴射高度逐漸增高,且受自然風(fēng)速影響逐漸減小,泄漏氣體對周圍空氣的影響區(qū)域逐漸增大(圖4)。
泄漏氣體的濃度場分布隨泄漏壓力呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律,濃度場的分布情況與速度場分布類似,但不完全一樣。低泄漏壓力時(shí),泄漏氣體的濃度場在下風(fēng)向分布較多,隨壓力的升高,泄漏氣體的濃度場呈現(xiàn)垂直的分布帶,距離泄漏口近處濃度較高,且隨距離的增大,濃度降低的梯度較小。
2.3 氣體中含硫?qū)μ烊粴鈹U(kuò)散的影響
含硫條件下氣體泄漏的壓力場分布見圖6。
由含硫條件下的泄漏兩種氣體的濃度場分布情況可知,泄漏氣體中所含H2S的濃度場分布呈現(xiàn)以泄漏口為起點(diǎn)的狹窄帶狀分布,而甲烷則為較寬的分布帶。由于在預(yù)設(shè)條件中,設(shè)置H2S含量為6.5%,故而含量低造成其濃度場分布較為狹窄。
由工程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)H2S含量低于0.002%時(shí),視為安全區(qū)域,圖中黑色區(qū)域?yàn)槲kU(xiǎn)區(qū)域。可見,雖H2S含量較低,但其危險(xiǎn)區(qū)域影響較大,主要分布在泄漏帶的下風(fēng)向。此種規(guī)律為突發(fā)泄漏工況時(shí)的安全生產(chǎn)提供參考。由工程標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)甲烷含量低于3.585%時(shí),視為安全區(qū)域,圖中非黑色區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。可見,雖甲烷含量較高,但其危險(xiǎn)區(qū)域相對H2S較小,主要分布在泄漏帶附近。
2.4 有建筑物對泄漏的影響
2.4.1 有建筑物時(shí)氣體泄漏的壓力場分布
當(dāng)在泄漏口的附近有建筑物時(shí),由其不同時(shí)間下的壓力場分布圖可知,泄漏初期,低壓帶在泄漏口的上方,上風(fēng)向壓力較高。隨泄漏時(shí)間推移,低壓帶逐漸上移,高壓帶逐步向下風(fēng)向推移。當(dāng)泄漏時(shí)間為60s時(shí),壓力分布較為均勻,只在泄漏口和建筑物附近有較低的壓力分布區(qū)存在(圖7)。
由圖7可知,有建筑物對氣體泄漏的速度場分布也有較大影響,泄漏1s時(shí),泄漏高速主要分布在泄漏口附近及其上側(cè),隨泄漏時(shí)間的推移,速度場分布逐步均勻,至20s時(shí)已基本穩(wěn)定,到泄漏60s時(shí),呈現(xiàn)泄漏口附近泄漏速度較大,在建筑物上側(cè)泄漏速度較大的分布規(guī)律。
2.4.2 有建筑物時(shí)氣體泄漏的濃度場分布
有建筑物在下風(fēng)向阻擋時(shí),不同泄漏時(shí)間下的泄漏氣體濃度場分布規(guī)律不太一致。在泄漏1s時(shí),在泄漏口上側(cè)形成一個(gè)含量相對較高的濃度核心區(qū),而在此區(qū)域以下氣體濃度更大。在建筑物右上側(cè),也形成了一個(gè)小的核心區(qū),湍流強(qiáng)度較強(qiáng)。隨著泄漏時(shí)間的增長,上側(cè)核心區(qū)向下風(fēng)向的右上側(cè)移動(dòng),在泄漏口的近上側(cè),濃度再次加強(qiáng)。
泄漏20s時(shí),泄漏濃度已基本穩(wěn)定,形成以泄漏帶右下側(cè)為主要分布區(qū)的濃度場。在泄漏時(shí)間達(dá)到60s時(shí),濃度規(guī)律已經(jīng)穩(wěn)定,形成向下風(fēng)向的泄漏帶,當(dāng)泄漏帶收到建筑物阻隔時(shí),便繞過建筑物繼續(xù)向下風(fēng)向流動(dòng),且在泄漏口與建筑物結(jié)合處,形成一個(gè)高濃度湍流區(qū)(圖8)。
3 結(jié)論
(1)泄漏氣體的速度場和濃度場隨泄漏孔徑的增大,呈現(xiàn)泄漏噴射高度逐步增高,由最初的明顯向下風(fēng)向偏移向近乎垂直轉(zhuǎn)變,噴射氣體的流速逐漸增大。
(2)泄露壓力的變化主要影響泄漏初速度的變化,隨泄漏壓力增大,泄漏氣體的初速度也逐漸增大,泄漏氣體的濃度場逐漸由偏向下風(fēng)向的泄漏帶向垂直方向的泄漏帶偏轉(zhuǎn)。
(3)泄漏氣體中含有H2S對泄漏氣體的壓力、速度、濃度等流場分布影響不大,但由于H2S的較強(qiáng)的危險(xiǎn)性,其低含量的有毒氣體所造成的危險(xiǎn)區(qū)域較大。
(4)在泄漏口下風(fēng)向處如存在建筑物,會(huì)對泄漏過程的壓力場、速度場、濃度場分布帶來較大影響。泄漏初期,各流場湍流強(qiáng)度較強(qiáng),分布規(guī)律不強(qiáng)。在泄漏達(dá)到穩(wěn)定時(shí),由于建筑物的阻擋作用,在泄漏口至建筑物間有較為明顯的泄漏氣體回旋,且泄漏帶遇到建筑物時(shí),會(huì)受到其阻擋從而,從其上方飄離。