官學(xué)源

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司沈陽(yáng)分公司

摘要：針對(duì)埋地含硫天然氣管道泄漏問(wèn)題，采用有限體積法，建立泄漏擴(kuò)散模型和燃燒模型，考慮土壤對(duì)泄漏氣體的影響，在風(fēng)場(chǎng)影響下，對(duì)比分析埋地含硫天然氣管道泄漏時(shí)有毒氣體的擴(kuò)散情況和發(fā)生燃燒后有毒氣體的擴(kuò)散情況，得出泄漏氣體燃燒擴(kuò)散比單一的氣體泄漏擴(kuò)散更加危險(xiǎn)，燃燒產(chǎn)物二氧化硫?yàn)橹饕�危害氣體，同時(shí)，存在大量的二氧化碳和水蒸氣以及未發(fā)生反應(yīng)的硫化氫，危害性極大，需及時(shí)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(xiǎn)也會(huì)給人們生活和環(huán)境構(gòu)成威脅。針對(duì)管道泄漏擴(kuò)散問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的數(shù)值研究[1-5]，而針對(duì)管道泄漏著火的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)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(kuò)散和燃燒模型，對(duì)比分析泄漏時(shí)有毒氣體的擴(kuò)散情況和發(fā)生燃燒后有毒氣體的擴(kuò)散情況。為埋地含硫天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全運(yùn)行和應(yīng)急管理提供參考。

1  數(shù)學(xué)模型

1.1  組分輸運(yùn)守恒方程 [式（1）]

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

湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散方程 [式（2）]

式中：Sct為湍流施密特?cái)?shù)；Di,m為混合物中第 i 種物質(zhì)的擴(kuò)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(yīng) 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?jǐn)?shù)，%；ε/k 為大尺度渦混合時(shí)間尺度，s；N為系統(tǒng)化學(xué)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(yàn)常數(shù)，這里分別取0.4和0.5； ν'i,r為反應(yīng) r 中反應(yīng)物 i 的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。

1.3  完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)：

2  數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1  問(wèn)題描述

某埋地含硫天然氣管道，取計(jì)算管長(zhǎng)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(dǎo)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?jǐn)?shù)為95%，硫化氫（H2S）體積分?jǐn)?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(fēng)速為4 m/s；空氣中氮?dú)饨M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(jìn)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(kuò)散圖示

圖 2 泄漏趨于穩(wěn)定時(shí)硫化氫擴(kuò)散云圖

圖 3 燃燒云團(tuán)

圖 4 燃燒產(chǎn)物擴(kuò)散云圖

圖 5 未燃燒的硫化氫擴(kuò)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(duì)泄漏氣體的影響，使其不能形成高速射流。氣體進(jìn)入土壤后，土壤的毛管壓力、土壤阻力和地表的張力對(duì)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(huì)通過(guò)土壤迅速且持續(xù)不斷地涌出地表，進(jìn)入大氣進(jìn)行射流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。土壤作為多孔介質(zhì)，具有一定的孔隙度和獨(dú)特的儲(chǔ)存能力。一定面積的土壤飽和后，氣體將會(huì)繼續(xù)向土壤橫向擴(kuò)散，造成更大面積的污染，同時(shí)縱向方面氣體將滲出土壤外地表，消耗氣體動(dòng)能。因此，在短時(shí)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(shí)間的推移大量泄漏氣體進(jìn)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(shí)，硫化氫有毒云團(tuán)距離泄漏口下方向475 m；泄漏8 min時(shí)，距離1637 m；泄漏10 min～30 min內(nèi)，距離近似呈線性增長(zhǎng)，在30 min時(shí)，距離達(dá)4045 m（ 圖 1）。泄漏趨于穩(wěn)定后，硫化氫有毒云團(tuán)距離泄漏口下方向超過(guò)4800 m，高為248 m（圖 2）。

當(dāng)泄漏氣體涌出地表進(jìn)入大氣，在泄漏口附近遇到火源時(shí)，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(xué)反應(yīng)且放出大量熱量，因?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)的影響，整個(gè)燃燒區(qū)域在泄漏口下方向，最高溫度達(dá)2158 K（圖 3）。燃燒反應(yīng)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(tuán)水平擴(kuò)散距離超過(guò)4800 m，最大體積濃度高達(dá)12.6%，遠(yuǎn)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(guò)13%和12%，其水平擴(kuò)散距離超過(guò)2000 m，雖然水蒸汽和二氧化碳?xì)怏w無(wú)毒，但是其滯留在空氣中可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成酸，不僅污染大氣，當(dāng)遇到金屬、建筑物時(shí)，可能對(duì)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(yīng)的硫化氫氣體，最大濃度為50.7%（圖 5）。對(duì)比二氧化硫氣體和硫化氫氣體的擴(kuò)散情況可知，二氧化硫危害范圍遠(yuǎn)高于硫化氫氣體危害區(qū)域，并且完全覆蓋其危險(xiǎn)范圍。

3   結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比兩種擴(kuò)散情況，單一的泄漏擴(kuò)散主要有毒成分為硫化氫氣體；而發(fā)生燃燒時(shí)情況相對(duì)復(fù)雜且危害程度更高，主要有毒成分為二氧化硫氣體，同時(shí)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(yīng)對(duì)不同情況采取相應(yīng)的防范和急救措施。

參考文獻(xiàn)：

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