官學源

中國石油天然氣管道工程有限公司沈陽分公司

摘要：針對埋地含硫天然氣管道泄漏問題，采用有限體積法，建立泄漏擴散模型和燃燒模型，考慮土壤對泄漏氣體的影響，在風場影響下，對比分析埋地含硫天然氣管道泄漏時有毒氣體的擴散情況和發(fā)生燃燒后有毒氣體的擴散情況，得出泄漏氣體燃燒擴散比單一的氣體泄漏擴散更加危險，燃燒產(chǎn)物二氧化硫為主要危害氣體，同時，存在大量的二氧化碳和水蒸氣以及未發(fā)生反應的硫化氫，危害性極大，需及時采取防范和急救措施。

關(guān)鍵詞：含硫天然氣管道；燃燒；數(shù)值模擬；泄漏；多孔介質(zhì)

天然氣管道泄漏事故不僅影響管道安全生產(chǎn)，而且其易燃易爆的危險也會給人們生活和環(huán)境構(gòu)成威脅。針對管道泄漏擴散問題，我國學者進行了大量的數(shù)值研究[1-5]，而針對管道泄漏著火的研究相對較少。本文通過FLUENT軟件，基于有限體積法，建立埋地含硫天然氣管道持續(xù)泄漏擴散和燃燒模型，對比分析泄漏時有毒氣體的擴散情況和發(fā)生燃燒后有毒氣體的擴散情況。為埋地含硫天然氣管道的風險評估、安全運行和應急管理提供參考。

1  數(shù)學模型

1.1  組分輸運守恒方程 [式（1）]

式中：Ri為第 i 組分化學反應速率，kgmol/（m3·s）；Si為擴散相加用戶定義的源項；Jj為組分 j 的擴散通量，mol/（m2·s）；Yi為第 i 種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，% ；u為流體流速，m/s；ρ為密度，kg/m3；t為時間，s 。

湍流中的質(zhì)量擴散方程 [式（2）]

式中：Sct為湍流施密特數(shù)；Di,m為混合物中第 i 種物質(zhì)的擴散系數(shù)，μt為湍流黏度，Pa·s。

1.2  渦耗散模型 [式（3）]

式中：Ri,r為反應 r 中物質(zhì) i 的產(chǎn)生/分解速度，kgmol/（m3·s）；Mw,i為第 i 種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，%；ε/k 為大尺度渦混合時間尺度，s；N為系統(tǒng)化學物質(zhì)數(shù)目；YP，YR為某種產(chǎn)物的質(zhì)量組分；A，B為經(jīng)驗常數(shù)，這里分別取0.4和0.5； ν'i,r為反應 r 中反應物 i 的化學計量系數(shù)。

1.3  完全燃燒的化學反應：

2  數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1  問題描述

某埋地含硫天然氣管道，取計算管長間距為5 km， 管道外徑650 mm，埋深1.5 m。管道上層土壤為多孔介質(zhì)，孔隙度為0.267，密度為2650 kg/m3，導熱系數(shù)1.512 W/m·K。高含硫天然氣持續(xù)泄漏著火的模擬區(qū)域范圍為5000×10011.5 m：泄漏口中心在x=0、y=﹣1.5處，泄漏口直徑為0.05 m，泄漏速度為252 m/s，泄漏方向垂直向上，火源在泄漏口附近。天然氣中甲烷（CH4）體積分數(shù)為95%，硫化氫（H2S）體積分數(shù)為5%；空氣組分中甲烷的爆炸體積濃度區(qū)間為5%～15%，硫化氫的爆炸體積濃度區(qū)間為4.3%～46.0%；硫化氫的中毒體積濃度下線為0.001%，二氧化硫（SO2）的中毒體積濃度下限為0.04%；泄漏氣體溫度相同為300 K，環(huán)境溫度與天然氣溫度相同；大氣壓力為101325 Pa；風速為4 m/s；空氣中氮氣組分占78%，氧氣占22%。

2.2  FLUENT軟件模擬結(jié)果

采用二維單精度SILPLE方法進行隱式耦合求解，采用矩形網(wǎng)格在泄漏口處網(wǎng)格加密，模擬結(jié)果見圖 1～5。

圖 1 30 min內(nèi)硫化氫泄漏擴散圖示

圖 2 泄漏趨于穩(wěn)定時硫化氫擴散云圖

圖 3 燃燒云團

圖 4 燃燒產(chǎn)物擴散云圖

圖 5 未燃燒的硫化氫擴散云圖

2.3  結(jié)果分析

埋地含硫天然氣管道泄漏初期，由于管道上層多孔介質(zhì)對泄漏氣體的影響，使其不能形成高速射流。氣體進入土壤后，土壤的毛管壓力、土壤阻力和地表的張力對泄漏氣體的共同作用，使泄漏氣體的湍能大量減少，但持續(xù)泄漏使氣體的湍能不斷增大，仍會通過土壤迅速且持續(xù)不斷地涌出地表，進入大氣進行射流運動和擴散運動。土壤作為多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度和獨特的儲存能力。一定面積的土壤飽和后，氣體將會繼續(xù)向土壤橫向擴散，造成更大面積的污染，同時縱向方面氣體將滲出土壤外地表，消耗氣體動能。因此，在短時間內(nèi)有大量的高濃度含硫天然氣聚集在泄漏口附近的地表處。隨著時間的推移大量泄漏氣體進入環(huán)境中，其主要有毒危害氣體為硫化氫氣體。在低空處，泄漏2 min時，硫化氫有毒云團距離泄漏口下方向475 m；泄漏8 min時，距離1637 m；泄漏10 min～30 min內(nèi)，距離近似呈線性增長，在30 min時，距離達4045 m（ 圖 1）。泄漏趨于穩(wěn)定后，硫化氫有毒云團距離泄漏口下方向超過4800 m，高為248 m（圖 2）。

當泄漏氣體涌出地表進入大氣，在泄漏口附近遇到火源時，泄漏氣體組分中的甲烷和硫化氫遇空氣中的氧氣迅速發(fā)生劇烈化學反應且放出大量熱量，因為風場的影響，整個燃燒區(qū)域在泄漏口下方向，最高溫度達2158 K（圖 3）。燃燒反應生成大量的二氧化硫、二氧化碳和水蒸汽。其中二氧化硫有毒濃度云團水平擴散距離超過4800 m，最大體積濃度高達12.6%，遠高于其中毒濃度下線；水蒸汽和二氧化碳最大體積濃度分別超過13%和12%，其水平擴散距離超過2000 m，雖然水蒸汽和二氧化碳氣體無毒，但是其滯留在空氣中可能發(fā)生化學反應生成酸，不僅污染大氣，當遇到金屬、建筑物時，可能對其造成腐蝕破壞（圖 4）。而在泄漏口下方向0～1500 m范圍內(nèi)聚集著大量高濃度的未反應的硫化氫氣體，最大濃度為50.7%（圖 5）。對比二氧化硫氣體和硫化氫氣體的擴散情況可知，二氧化硫危害范圍遠高于硫化氫氣體危害區(qū)域，并且完全覆蓋其危險范圍。

3   結(jié)束語

對比兩種擴散情況，單一的泄漏擴散主要有毒成分為硫化氫氣體；而發(fā)生燃燒時情況相對復雜且危害程度更高，主要有毒成分為二氧化硫氣體，同時還存在高濃度的硫化氫有毒氣體和潛在的危害組分水蒸汽和二氧化碳。應對不同情況采取相應的防范和急救措施。

參考文獻：

[1]程浩力，劉德俊，劉倩倩，等.城燃管道街道峽谷泄漏擴散CFD數(shù)值模擬[J].石油化工高等學校學報，2011（4）：60-63.

[2]程浩力，劉德俊.城鎮(zhèn)燃氣管道泄漏擴散模型及數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學學報，2011，2（31）：27-31.

[3]李朝陽，馬貴陽.高含硫天然氣管道泄漏數(shù)值模擬[J].化學工 程，2011，39（7）：88-92.

[4]李振林，姚孝庭，張永學，等.基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴散模擬[J].油氣儲運，2008，27（5）：38-41.

[5]付吉強，熊新強，王蕓,等.架空含硫天然氣管道泄漏擴散數(shù)值模擬研究[J]．當代化工，2011，40（10）：1079-1083．

作者簡介： 官學源 ，工程師，碩士， 2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學 。聯(lián)系方式： 18040014317，guanxueyuan00@126.com。