不同硫化氢浓度下的天然气管道泄漏扩散数值模拟

第4 4 卷第 1 1 期 2 0 1 5年 1 1月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 4 4N O 1 1 N o v e mb e r ，2 0 1 5 不同硫化氢浓度下的 天然气管道泄漏扩散数值模拟 敬加强 ，李小明 ， ( I 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 6 1 0 5 0 0 江漩涛 ，周怡诺 2 油气消防四川省重点实验室 ，四川 成都 6 1 1 7 3 1 ) 摘 要：针对含不同硫化氢浓度天然气的泄漏扩散问题，采用 F l u e n t 软件进行了相应的数值模拟。模拟结 果表明：泄漏气体在泄漏喷射最大轴中心处泄漏的速度最大，离轴越远速度降低越快；随着硫化氢浓度增大， 气体泄漏速度降低到大小相同时所需射流高度将减小；泄漏气体中硫化氢浓度越大，其扩散危险区域范围就越 大。通过数值模拟得出的相关规律对实际安全生产和应急救援提供了一定的理论依据。 关键词：硫化氢浓度；数值模拟；泄漏气体 ；射流高度 中图分类号：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5)1 1 - 2 7 1 0 0 4 Nume r i c a l S i m u l a t i o n o n t he Le a ka g e a n d Di f f us i o n of Na t ur a l Ga s Pi pe l i ne Co n t a i ni n g Di f f e r e n t Co nc e n t r a t i o ns o f Hy dr o g e n Su l fide J I NG J i a q i a n g ， ，LIXi ao mi n g ， J I ANG Xu a n t ao ， Z H OU Y i HU O ( 1 S c h o o l o f Pe t r o l e u m a n d Na t u r a l g a s En g i n e e r i n g， S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y , S i c h u a n Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， Ch i n a ； 2 Oi l a n d Ga s F i r e P r o t e c t i o n Ke y La b o r a t o r y o fS i c h u a n P r o v i n c e ， S i c h u a n Ch e n g d u 61 1 7 3 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n v i e w o f t h e l e a k a g e a n d d i f f us i o n p r o b l e ms o f s u l f u r - c o n t a i n i n g n a tu r a l g a s ， t h e c o r r e s p o n d i n g n u me r i c a l s i mu l a t i o n wa s p e r f o r me d b y u s i n g F l u e n t s o ft wa r e T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e v e l o c i t y o f l e a k a g e g a s o n t h e r e a l a x i s i S t h e l a r g e s t ； i t d e c r e a s e s f a s t e r a s i t g e t s f u r t h e r f r o m t h e h u b o f t h e a x i s As t h e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n s u l fid e i n n a tur a l g a s i n c r e a s e s ， t h e v e l o c i t y o f l e a k a g e g a s r e d u c e s t o t h e s a me s i z e w i t h a s ma l l e r j e t h e i g h t T h e h i g h e r t h e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n s ul fi d e t h e 1 a r g e r t h e r a n g e o f d a n g e r o u s a r e a s p r e a d s T h e r e s u l t s o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l b a s i s f o r s a f e t y p r o d u c t i o n a n d e me r g e n c y r e s c u e K e y wo r d s ： Co n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n s u l fi d e ； Nu m e r i c a l s i mu l a t i o n ； L e a k a g e g a s ； J e t h e i g h t 天然气作为增长最快的新型清洁能源，国内外 天然气产业发展迅猛 ， 随着大量天然气管道的敷设 ， 输气管道的泄漏已成为天然气安全系统的关键问 题。由于管网设施损坏、第三方损坏、自然灾害损 坏 等原因， 输气管道泄漏现象发生频繁。 管道泄 漏扩散不但能引发天然气爆炸事故 ，而且能对人民 的生命财产安全造成巨大的灾害，同时也能引起严 重的环境污染。为预防事故的发生，深入研究天然 气泄漏扩散规律非常必要。国外在这方面的研究工 作始于上世纪 7 0 、 8 O年代且提出了不少扩散的计算 模型 ，如高斯模型 ( Ga u s s i a n p l u me p u ff mo d e 1 ) 、 B M( B r i t t e r a n d Mc Qu a i d) 模型 、 S u t t o n 模型 、 F E M3 ( 3 D F i n i t e E l e me n t Mo d e 1 )模型等 。国内气体 扩散研究报导较少 ，但也取得了不少成果 ，潘旭海 等人针对事故泄漏扩散过程 的复杂性 ， 分析 了描 述易燃易爆及有毒有害气体泄漏扩散过程的数学模 型 ； 张启平 分析 了重气效应 的泄漏扩散过程及泄 放过程的决定 因素并提供了相应 的数学模型 ；唐剑 锋 等人结合烟羽抬升计算， 分别采用 S L A B稳态 烟羽模型与高斯烟羽模型， 建立了L N G扩散的数学 模型。程猛猛 等人采用 C F D仿真软件，对架空 天然气管道的穿孔泄漏扩散进行 了数值模拟。 本文通过对不同硫化氢浓度条件下的天然气进 行数值模拟 ，得到了 4种不 同硫化氢浓度下泄漏天 然气的速度场、密度场和浓度危险区域，为天然气 管网安全平稳的运营提供了参考依据。 1 数学模型 1 1 计算流体力学基本方程 天然气流动要遵循物理守恒定律，包括质量守 恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。对应的控 制方程如下 “ ： ( 1 ) 连续性方程 望 + v 1 ：0 收稿 日期： 2 0 1 5 - 0 5 2 0 作 者简 介： 塾 娶 9 _ ， 罗，四 川 申 充 人， 教 授， 博 导， 2 0 0 0 年毕业 于西 南石油 大 学油气 储 运工 程， 研究方向 ： 主 要从 事非常 规 原油 采输 减阻 理 论与 安 全 保障 。 E -m a 1 ： 1 2 5 7 3 0 7 l 4 q q c o m 通讯作者：李小明 ( 1 9 8 8 一) ，男，硕士研究生，研究方 向：油气储运安全工程。E m a i l ：4 7 9 3 5 9 8 7 q q c。m 第 4 4卷第 1 1期 敬加强，等：不同硫化氢浓度下的天然气管道泄漏扩散数值模拟 2 7 1 1 式中： P为流体密度， k d m ；分别为 、 z三个方 天然气中硫化氢含量分别选取为 0 、2 0 m g L 、 向的速度分量， m s ； t 为时间， S 。 ( 2) 动量方程 ( + ) ：一 V p十 V2 ur+p 式中-p为流体微元上的压强， P a ； 厂为 3个方向的单 位质量力， m s ； 为动力黏度， P a s 。 ( 3) 能量方程 n 一 v h y州 讣 式 中： 为流体微团的总能， J k g ， E：h 一 + ； h i 为 P 2 一 组分 的焓， J k g ； ， = T c p， d T； f r 为有效热传导 系数， W ( m k ) ； ， 为组分 的扩散通量； 为体积 热源项。 1 2 泄漏控制方程 泄漏天然气同时含有甲烷和硫化氢， 选用多组 份输运模型来求解这一混合问题。含硫天然气泄漏 时， 速度很大， 采用湍流模型中的标准k s 方程 。 湍动能方程 ( k方程 ) ： + = A t + 考 j+ Gk + O-Ot a l ， I 耗散率方程 (e方程 ) ： + =毒 (It+ 针q k (G k+ G 3eGb)- G 2ep 缸 式中： G k 是平均速度梯度引起的湍动能产生 ；G 6 是 浮力引起 的湍动能产生； 为可压缩湍流脉动膨胀 对总的耗散率的影响；C l 。 、 、G。 为经验常数， c 1 = 1 4 4 、C 2 。 = 1 9 2 、 。 = 0 0 9 ； 、 分别为湍动 能和湍动耗散率对应的普朗特常数， = 1 0 、 =1 3。 1 3几何模型 l 0 0 m 泄漏 I= 1 图 1 物理模型 Fi g 1 Ph y s i c a l M o d e l 1 5 0 、3 0 0 m g L ，计算区域选取 1 0 0 1T I X 1 0 0 m的二 维空间，管道直径选取 6 6 0 mm，泄漏孔径为 4 4 0 m m， 在静风条件下进行模拟 ；如图 l 所示 ， 其几何 模型左右两侧及上部出口均设置为压力出口，泄漏 口设置为速度进 口。 2 结果分析 通过数值模拟得到了 4种不同硫化氢浓度下泄 漏天然气的速度场、密度场和浓度危险区域分布。 2 1 速度场 由图2可以看出， 泄漏气体在最大轴中心处泄 漏的速度最大，离轴越远速度降低越快。射流向上 流动时，射流宽度逐渐增大，轴心处流速逐渐减小 。如表 1 所示 ，速度从泄漏 口减小到 6 0 r ds 的径 向距离随着硫化氢浓度 的增大而减小。天然气中甲 烷 占的比重最大 ，且甲烷密度 比空气小 ，当泄漏气 体由小孔喷射进入大气后，由于受到大气的浮力作 用，气体不断被抬升，速度不断的减小；天然气中 硫化氢的密度大于空气 ，随着硫化氢浓度增大， 气 体向大气中扩散时所受负浮力增大，即阻力越大， 所以其速度减小为 6 0 m s 所需 的径 向距离也越小。 表 1 速度从泄漏口减小至 6 0 m s时的径向距离 Ta bl e 1 The r ad i a l di s t a nc e t ha t t he v e l oc i t y r e duc ed t o 6 0 m s f r o m t h e l e a k i n g 2 2 浓度危险区域 泄漏的天然气 中含有一定浓度 的 C H 会导致爆 炸， 有毒气体 H ：s 对人体和环境的危害性也特别大。 H s的浓度要控制在 2 0 m g以下，即小于 2 X 1 0 s k g m。 才算安全 。甲烷 的爆炸极 限为 5 1 5 ， 小于 0 0 3 5 8 5 k g m 的浓度为安全范围。 0 2 0 4 0 60 80 1 o 。1 2 01 4 01 8O1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 40 ( a ) 硫化氢浓度为 0m g L ( 上接 第 2 7 0 9页 ) 与传统扭带相 比，大部分工况下结构连续且旋 向相同的偏心扭转平行双螺旋元件的阻力系数要 大。 性能评价准则 P E C随扭带错位角的变化趋势与 “ 类似，中间间隙比 c = 0 1 5对应螺旋元件综合性 能最好 。 ( 3 ) 相同条件下，结构连续且旋向交替布置 的偏心扭转平行双螺旋元件的换热效果比结构连 续且旋 向相同的偏心扭转平行双螺旋元件好 。 在 Re 3 0 0时，c = O 1 5的结构连续且旋向交替布置的偏 心扭转平行双螺旋元件比 0 1 5结构连续且旋向 相 同的偏心扭转平行双螺旋元件的换热性能大 5 2l 。 参考 文献 ： 1 S a h a SK， U a i t o n d euN， D a t eAw He a t t r a n s f e r and p r e s s u r e d r o p c h a rac t e r i s t i c s o f l a mi n a r fl o w i n a c ir c u l a r tub e fit t e d wit h r e g u l arl y s p a c e d t wi s t e d t a p e e l e me n t s J E x p e r i me n t a l T h e r ma l a n d F l u i d S c i e n c e 1 9 8 9 ( 2 ) ： 3 l O 一 3 2 2 2 E i a ms a A r d S ， T h i anp o n g C ， P r o mv o n g e E E x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o f h e a t t r a n s r a n d fl o w fri c ti o n i n a c i r c u l a r t u b e fi t t e d wi t h r e g u l a r l y s p a c e d t wi s t e d t a p e e l e me n t s J I n t e mu t i o n a l C o mm un i c a t i o n i n He a t M a s s Tr a n s f e r ， 2 0 0 6， 3 3 ： l 2 25 l 2 3 3 1 3 j J a i s a n k a r S ， R a d l a k r i s h n a n T K， S h e e b a K N E x p e ri me n t a 1 S tud i e s o n h e a t t r a n s f e r a n d fri c t i o n f a c t o r c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e r mo s y p h o n s o l ar wa t e r b e a t e r s y s t e m fitt e d wi t h s pa c e r a t t h e t r a i l i n g e d g e o f t w i s t e d t a p e s J Ap p l i e d T h e rma l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 2 9 ： 1 2 2 4 - 1 2 3 1 1 4 S h y yW C， Y i h J J ， J i n SL T u r b u l e n t h e a t t r a n s f e r a n d p r e s s u r e d r o p i n tub e fi tt e d w i t h s e r r a t e d t w i s t e d t a p e J I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f T h e r ma l S c i e n c e s ， 2 0 0 7 ，4 6 ( 5 ) ：5 0 6 5 1 8 1 5 J ia n GAi w uEZ h a n g XY，e t a l An u me r i c a l s tud y o nh e a t t r ans f e r a n d fri c t i o n f a c t o r c h ara c t e ris t i c s o f l a mina r fl o w i n a c ir c u l a r tub e fi t t e d w i t h c e n t e r - c l e a r e d t wi s t e d t a p e J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f T h e rm a l S c i e n c e s 2 O 1 I ( 7 ) ：1 2 6 3- 1 2 7 0 6 王特， 王飞龙， 范爱武， 等 内置交替