高含硫天然气泄漏的数值模拟

高含硫天然气泄漏的数值模拟

黄腾龙 1 李洪洋 1 柴茜 2 徐莎 1 赵德天 1

（ 1．中国石油天然气管道工程有限公司沈阳分公司 .2．中国石油天然气管道工程有限公司）

摘要：为了研究高含硫天然气管道泄漏中硫化氢和甲烷的危害，可对其进行数值模拟。运用有限体积法，考虑土壤作为多孔介质对气体扩散的影响，对埋地高含硫天然气管道持续泄漏扩散的危险浓度进行数值模拟。比较分析了甲烷和硫化氢在同时刻扩散危险区域，得出同时刻硫化氢泄漏造成的危险区域远大于且完全覆盖甲烷危险区域，所以主要考虑因素为硫化氢；在硫化氢和甲烷共同影响区域，应同时采取防火防毒措施，而在硫化氢影响区域只需要采取防毒措施。

关键字：高含硫天然气；数值模拟；泄漏；多孔介质；

文献标识码：A 文章编号：

1 数学模型

1.1控制方程

连续性方程： （1）

动量守恒方程： + （2）

（3）

（4）

其中： 为有效粘度， ； 为湍流粘度， ；B为合外力，N； 为修正压力，。

能量守恒方程： （5）

（6）

其中： 为能量源； 为动量源；T为温度，K； 为粘滞力，N； 为总焓， 。1.2 标准 的运输方程：

（7） （8）

湍动粘度: （9）

式中： 为平均速度梯度引起的湍动能产生项， 为浮力引起的湍动能产生项， 为可压缩湍流脉动膨胀对总得耗散率的影响。经验常数 =1.44， =1, =0.09。

1.3 物质扩散模型

组分运移方程：

（10）

式中： 为第i种物质的质量扩散速率。

湍流中质量扩散：

（11）

式中： 为湍流施密特数。

1.3 边界条件:

泄漏口速度:

（12）

式中： 为气体泄露速率， ； 为流量系数，取为0.61，其他情况下取为1； 为孔口截面积， ； 为大气压力 ； 为管线压力; 为比热容； 为气体常数，取为8.314 ； 为气体摩尔质量。

风速：

（13）

式中：v为风速， ； 为年平均风速， ；H为高度， 。

2 数值模拟与结果分析

2.1 泄漏管道问题描述

某埋地高含硫天然气管道，两截断阀间距为5 ，起点压力4，终点压力2 ，年均输量为 , 管道外径650 ，埋深1.6 ，泄漏点为圆形孔，孔口半径为0.05 ，管道上层土壤作为多孔介质，孔隙度为0.267，密度2650 ，导热系数1.512 ，模拟区域范围： ，泄漏口中心在X=0，Y=0处，泄漏方向垂直向上，天然气中甲烷含量为94%，硫化氢含量为6%，泄漏气体与环境温度相同为300K，大气压力为101325 ，年平均风速为4.5 ，风向为从左至右，甲烷的危险体积浓度下线为5%，硫化氢的危险体积浓度下线为0.02%。

2.2 FLUDENT软件模拟结果

本文采用二维单精度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1-7。

图1甲烷和硫化氢30内秒危险浓度变化云图 图2甲烷和硫化氢5秒时危险浓度云图

图3甲烷和硫化氢30秒时危险浓度云图 图4 甲烷和硫化氢5分钟时危险浓度云图

天然气泄漏初期，由于受到管道上层土壤的影响，使气体受到毛细阻力和地面张力作用，气体损失大量湍能。虽然气体不能形成如架空天然气管道泄漏的高速射流，但气体仍能快速的向土壤扩散，并通过土壤涌向地表，扩散到大气中。由于风场的作用，能加速天然气扩散范围，增强大气对于天然气的稀释能力，降低天然气浓度。同时气体持续泄漏，气体湍能不断得到补充，扩大危险区域。

分析30秒内甲烷和硫化氢危险浓度变化。图1可清晰地表现出甲烷及硫化氢在30秒内的危险浓度区域。在地面y方向上，甲烷和硫化氢在30秒内危险浓度所能达到的高度近似呈线性，硫化氢始危险区域高度略高于甲烷危险区域。在地面x正方向上，在前6秒甲烷危险浓度模拟数据为抛物线，第7秒到30秒数据近似呈线性；而硫化氢危险区域在30内近似呈线性，硫化氢远远大于甲烷对区域的危害。在土壤层中x正方向，甲烷危险浓度在两秒时达到最大距离79.9米，然后危险浓度距离变小，在14秒时，达到最小距离58.6米，从14秒到30秒，距离逐渐变大，但幅度很小，在30秒时为64.15米；硫化氢危害距离呈不规则变化 ，贴近地表处土壤层中存在少量达到危险浓度下线的硫化氢气体，这是由于硫化氢密度高于空气，气体向下沉积，而土壤作为多孔介质，阻碍其向下扩散。图2和图3能直观的反应出硫化氢危险区域在泄漏初期大于甲烷危害区域。

当持续泄漏5分钟时，在x正方向甲烷危险浓度最远距离达385米，而硫化氢危害的最远距离达1300米，危险区域完全覆盖甲烷危险区域，并且远大于甲烷（见图4）。

参考文献

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[3]董玉华，周敬恩，高惠临等.长输管道稳态气体泄漏率的计算[J].油气储运.2002,21（8）:11-15.