官学源

中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司

摘要：针对埋地含硫天然气管道泄漏问题，采用有限体积法，建立泄漏扩散模型和燃烧模型，考虑土壤对泄漏气体的影响，在风场影响下，对比分析埋地含硫天然气管道泄漏时有毒气体的扩散情况和发生燃烧后有毒气体的扩散情况，得出泄漏气体燃烧扩散比单一的气体泄漏扩散更加危险，燃烧产物二氧化硫为主要危害气体，同时，存在大量的二氧化碳和水蒸气以及未发生反应的硫化氢，危害性极大，需及时采取防范和急救措施。

关键词：含硫天然气管道；燃烧；数值模拟；泄漏；多孔介质

天然气管道泄漏事故不仅影响管道安全生产，而且其易燃易爆的危险也会给人们生活和环境构成威胁。针对管道泄漏扩散问题，我国学者进行了大量的数值研究[1-5]，而针对管道泄漏着火的研究相对较少。本文通过FLUENT软件，基于有限体积法，建立埋地含硫天然气管道持续泄漏扩散和燃烧模型，对比分析泄漏时有毒气体的扩散情况和发生燃烧后有毒气体的扩散情况。为埋地含硫天然气管道的风险评估、安全运行和应急管理提供参考。

1  数学模型

1.1  组分输运守恒方程 [式（1）]

式中：Ri为第 i 组分化学反应速率，kgmol/（m3·s）；Si为扩散相加用户定义的源项；Jj为组分 j 的扩散通量，mol/（m2·s）；Yi为第 i 种物质的质量分数，% ；u为流体流速，m/s；ρ为密度，kg/m3；t为时间，s 。

湍流中的质量扩散方程 [式（2）]

式中：Sct为湍流施密特数；Di,m为混合物中第 i 种物质的扩散系数，μt为湍流黏度，Pa·s。

1.2  涡耗散模型 [式（3）]

式中：Ri,r为反应 r 中物质 i 的产生/分解速度，kgmol/（m3·s）；Mw,i为第 i 种物质的质量分数，%；ε/k 为大尺度涡混合时间尺度，s；N为系统化学物质数目；YP，YR为某种产物的质量组分；A，B为经验常数，这里分别取0.4和0.5； ν'i,r为反应 r 中反应物 i 的化学计量系数。

1.3  完全燃烧的化学反应：

2  数值模拟与结果分析

2.1  问题描述

某埋地含硫天然气管道，取计算管长间距为5 km， 管道外径650 mm，埋深1.5 m。管道上层土壤为多孔介质，孔隙度为0.267，密度为2650 kg/m3，导热系数1.512 W/m·K。高含硫天然气持续泄漏着火的模拟区域范围为5000×10011.5 m：泄漏口中心在x=0、y=﹣1.5处，泄漏口直径为0.05 m，泄漏速度为252 m/s，泄漏方向垂直向上，火源在泄漏口附近。天然气中甲烷（CH4）体积分数为95%，硫化氢（H2S）体积分数为5%；空气组分中甲烷的爆炸体积浓度区间为5%～15%，硫化氢的爆炸体积浓度区间为4.3%～46.0%；硫化氢的中毒体积浓度下线为0.001%，二氧化硫（SO2）的中毒体积浓度下限为0.04%；泄漏气体温度相同为300 K，环境温度与天然气温度相同；大气压力为101325 Pa；风速为4 m/s；空气中氮气组分占78%，氧气占22%。

2.2  FLUENT软件模拟结果

采用二维单精度SILPLE方法进行隐式耦合求解，采用矩形网格在泄漏口处网格加密，模拟结果见图 1～5。

图 1 30 min内硫化氢泄漏扩散图示

图 2 泄漏趋于稳定时硫化氢扩散云图

图 3 燃烧云团

图 4 燃烧产物扩散云图

图 5 未燃烧的硫化氢扩散云图

2.3  结果分析

埋地含硫天然气管道泄漏初期，由于管道上层多孔介质对泄漏气体的影响，使其不能形成高速射流。气体进入土壤后，土壤的毛管压力、土壤阻力和地表的张力对泄漏气体的共同作用，使泄漏气体的湍能大量减少，但持续泄漏使气体的湍能不断增大，仍会通过土壤迅速且持续不断地涌出地表，进入大气进行射流运动和扩散运动。土壤作为多孔介质，具有一定的孔隙度和独特的储存能力。一定面积的土壤饱和后，气体将会继续向土壤横向扩散，造成更大面积的污染，同时纵向方面气体将渗出土壤外地表，消耗气体动能。因此，在短时间内有大量的高浓度含硫天然气聚集在泄漏口附近的地表处。随着时间的推移大量泄漏气体进入环境中，其主要有毒危害气体为硫化氢气体。在低空处，泄漏2 min时，硫化氢有毒云团距离泄漏口下方向475 m；泄漏8 min时，距离1637 m；泄漏10 min～30 min内，距离近似呈线性增长，在30 min时，距离达4045 m（ 图 1）。泄漏趋于稳定后，硫化氢有毒云团距离泄漏口下方向超过4800 m，高为248 m（图 2）。

当泄漏气体涌出地表进入大气，在泄漏口附近遇到火源时，泄漏气体组分中的甲烷和硫化氢遇空气中的氧气迅速发生剧烈化学反应且放出大量热量，因为风场的影响，整个燃烧区域在泄漏口下方向，最高温度达2158 K（图 3）。燃烧反应生成大量的二氧化硫、二氧化碳和水蒸汽。其中二氧化硫有毒浓度云团水平扩散距离超过4800 m，最大体积浓度高达12.6%，远高于其中毒浓度下线；水蒸汽和二氧化碳最大体积浓度分别超过13%和12%，其水平扩散距离超过2000 m，虽然水蒸汽和二氧化碳气体无毒，但是其滞留在空气中可能发生化学反应生成酸，不仅污染大气，当遇到金属、建筑物时，可能对其造成腐蚀破坏（图 4）。而在泄漏口下方向0～1500 m范围内聚集着大量高浓度的未反应的硫化氢气体，最大浓度为50.7%（图 5）。对比二氧化硫气体和硫化氢气体的扩散情况可知，二氧化硫危害范围远高于硫化氢气体危害区域，并且完全覆盖其危险范围。

3   结束语

对比两种扩散情况，单一的泄漏扩散主要有毒成分为硫化氢气体；而发生燃烧时情况相对复杂且危害程度更高，主要有毒成分为二氧化硫气体，同时还存在高浓度的硫化氢有毒气体和潜在的危害组分水蒸汽和二氧化碳。应对不同情况采取相应的防范和急救措施。

参考文献：

[1]程浩力，刘德俊，刘倩倩，等.城燃管道街道峡谷泄漏扩散CFD数值模拟[J].石油化工高等学校学报，2011（4）：60-63.

[2]程浩力，刘德俊.城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2011，2（31）：27-31.

[3]李朝阳，马贵阳.高含硫天然气管道泄漏数值模拟[J].化学工 程，2011，39（7）：88-92.

[4]李振林，姚孝庭，张永学，等.基于FLUENT的高含硫天然气管道泄漏扩散模拟[J].油气储运，2008，27（5）：38-41.

[5]付吉强，熊新强，王芸,等.架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究[J]．当代化工，2011，40（10）：1079-1083．

作者简介： 官学源 ，工程师，硕士， 2013年毕业于辽宁石油化工大学 。联系方式： 18040014317，guanxueyuan00@126.com。