高含硫天然气在集输过程中, 由于H2S对管道内壁的化学腐蚀以及长期的外界腐蚀，使管壁失效不能承受管内的高压作用而出现泄漏[1-2]，一旦发生管道泄漏可能导致喷射火的热辐射及受限蒸气云爆炸事故[3]，而泄漏的剧毒H2S往往会造成严重的人员伤亡和环境污染[4]。天然气管道泄漏一般为孔口泄漏或裂缝泄漏，其中以小孔径泄漏事故发生概率偏大[5]。为了研究管道泄漏时气体的扩散规律，国内外许多学者做了不懈的努力[6-9]，如建立了天然气在大气中的扩散传播模型和有限元模型，对高斯烟羽、烟团模型、Gaussian模型、Sutton模型等进行了修正。目前，对有害气体的扩散研究主要是利用半经验半理论模型[10]，然而这些模型存在一定的缺陷，使其准确度受到一定影响。随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术优势越来越明显，目前，数值研究方法已开始应用于对泄漏过程的研究[11]。
本文利用CFD软件Fluent在考虑风速的影响下对管道泄漏事故中CH4和H2S扩散后的浓度分布情况进行研究，期望研究结果在划分应急区域，制定应急预案及开展应急抢险救援方面提供参考[12]。
假设发生孔口泄漏的天然气输送管道直径为500 mm，管道的运行压力为6.5 MPa，输送气体温度为27 ℃，管道中H2S体积分数为5%，不考虑CO2、乙烷等其他气体的存在，剩余气体均为CH4。管道中气体泄漏质量流量与流动状态有关，对于天然气管道，泄漏率采用式(1)计算[13]：
式中：Q 为气体的质量流量，kg/s；Cd为泄漏系数，气体通常取0.85~1，圆形孔口取1；A为孔口面积，m2；P 为管道内气体压力，Pa；K为气体绝热指数，无量纲，天然气取1.3；M 为分子量；R为气体常数，8.31 J/(mol·K)；T 为气体绝对温度，K。计算得到质量流量为373 kg/s。
为了研究含硫天然气管道在发生孔口泄漏时的扩散情况，利用Gambit软件建立了三维立体模型，如图 1所示。模型的底面为地面，地面位置有管径为500 mm的弧形天然气管道，左侧为风速入口。模型总长度为200 m，宽度为100 m，高度为70 m，泄漏孔口位于沿x方向的中心线上，距离模型左侧边缘20 m，设定孔口直径为0.2 m。从以往的研究中可以看出，在初始扩散阶段，无论是轻气体还是重气体在初始动量及风的影响下都会向高空扩散，为简化起见，模型的建立未考虑在地面位置有障碍物存在或地势不平等状况，假定其为平坦地面，这样在保证模拟结果的同时为建模和划分网格提供了方便。
网格划分时采用六面体的结构化网格，如图 2所示。由于泄漏口附近压力变化极大，在泄漏口及其附近要保证有足够的网格密度, 否则计算可能发散[14]。为了避免相邻网格体积变化过大影响计算结果，在孔口位置及其周围将网格划分得较为密集，随着距离孔口位置的增加，网格逐渐稀疏，最终达到较为稳定的状态。模型最终被分成157万个六面体单元，形成162万个网格节点。
在Fluent计算中使用速度入口边界条件容易较快地得到收敛结果，根据初始条件计算得到的质量流量和相关条件，结合气体的可压缩性，最终得到气体的泄漏速度为267 m/s，因此模拟计算中设置喷射口为速度入口，速度方向竖直向上。左侧边界为风速入口，一般当风速为1~5 m/s时，有利于泄漏气体扩散，危险区域较大[15-17]，因此设定风速为3 m/s，方向水平向右。计算区域底部边界给定无滑移条件，顶部采用对称边界，除此之外的周边出口均采用自由出流。计算采用非耦合隐式解法，并选取时间稳态选项，湍流模型选取标准k-e模型，考虑浮力影响。组分影响采用不发生化学反应的物质输运模型，并设置CH4和H2S的质量分数为90%和10%(体积分数分别为95%和5%)。为考虑重力影响，沿Y轴设置重力加速度为9.8 m/s2，方向沿Y轴负方向。
计算得到了三维模拟结果并利用Tecplot软件进行处理。从图 3及图 4中可以看出，风对CH4和H2S气体的扩散影响较大，两种气体均沿风速方向扩散，随着扩散距离的增加，其扩散的纵向范围逐渐增大，且CH4的扩散范围要大于H2S气体。从图中还可以看出随着扩散距离的增大，CH4气体向高空扩散的趋势要大于H2S气体。
为了进一步研究CH4及H2S的扩散状态和浓度范围，选取沿风速方向的中心截面对模拟结果进行了二维处理。
从图 5、图 6能更加明显地看出随着扩散距离的增加，CH4有很明显的向高空扩散的趋势，H2S沿着风向也会向高空扩散，但其在扩散一段距离后会有明显的下沉效果，导致地表处的气体浓度不断增大。分析其原因是CH4的相对密度为0.55，小于空气密度，由于浮力的影响导致CH4气体逐渐上升，而H2S的相对密度为1.19，略大于空气，在扩散初期由于H2S初始动量较大致使其运动到高空，但随着动量的减少及重力作用，H2S气体会逐渐下沉到地面。
就气体浓度范围而言，CH4体积分数在5% ~15%的范围并不大，主要集中在泄漏口沿风速方向10 m距离地面20 m的范围内，在此范围内一旦遇到明火或因气体高速喷射摩擦产生电火花极易发生爆炸事故。H2S的闪电式致死区范围(红色区)为沿风向扩散65 m距地面41 m范围内，体积分数在500 ×10-6至1 000 ×10-6之间的区域(黄色区)最大范围为沿风向扩散110 m，最高点距离地面53 m，并且可以看出此区域在沿风向扩散超过80 m后呈现下将趋势；而大于100 ×10-6的范围较广，此范围在沿风向扩散135 m后也出现向地面扩散的趋势。
为了研究不同风速对CH4和H2S泄漏扩散的影响，将风速调整为1 m/s进行对比模拟计算，其他条件均保持不变。图 7、图 8为模拟结果，从图中可以看出，相对于3 m/s的风速，在1 m/s风速下CH4气体会更快地向高空扩散，并且其体积分数在5%~15%的范围会略有增加，从而增大了CH4爆炸的危险性。H2S在此风速下会更加明显地向高空扩散，致使靠近地面位置的H2S浓度降低，从而减少了中毒的可能性，但随着扩散距离的增加，H2S依然会沉降到地面。
本文利用CFD软件Fluent对天然气管道孔口泄漏事故中CH4和H2S的扩散规律进行了模拟计算研究，并利用Tecplot软件进行后期处理，分析了在3 m/s的风速下CH4和H2S的浓度分布情况，并将1 m/s风速下的扩散情况进行了对比。
(1) 风速对CH4和H2S的扩散有很大影响，在风的作用下气体会沿风速的方向迅速扩散。CH4受浮力作用向高空扩散趋势明显，其爆炸范围集中在泄漏口附近；H2S由于初始动量较大在泄漏孔口附近会向高空扩散，但随着动量的减少和扩散距离的增加，在重力的作用下，H2S气体会逐渐降落到地面附近。
(2) 对比3 m/s和1 m/s风速情况下CH4和H2S的扩散情况可以看出，在风速较低的情况下CH4的爆炸范围会略有增加，高浓度H2S会达到更高的高度，且靠近泄漏口附近的地面浓度会降低。
(3) 本文的模拟范围有限，高度仅为70 m，长度仅为200 m，下一步需建立更大模型对较大范围内CH4和H2S扩散情况做进一步研究，更深入掌握其扩散规律。
2013, Vol. 42 Issue (2): 201-204
2013, Vol. 42 Issue (2): 201-204