燃气闸井管道泄漏封闭空间扩散特性及安全预警分析-辽宁化工2022年01期

摘      要： 开展燃气闸井管道泄漏封闭空间扩散特性研究是提升闸井安全性能和完善预警机制的重要前提，建立燃气闸井管道泄漏扩散计算流体力学瞬态分析模型，基于不同方位小孔持续泄漏数值模拟，探讨了管道上方、阀门侧面法向泄漏时燃气（甲烷）的分布特性及不同位置泄漏后监测点处的甲烷质量分数变化和泄漏监测设备的布置范围。研究结果表明：泄漏速度对闸井内甲烷整体质量分数影响较大，且泄漏速度越大管廊内平均质量分数越高、达到爆炸范围的平均时间越短;泄漏位置影响泄漏初期闸井内甲烷的质量分数分布，靠近泄漏孔的监测点处质量分数波动幅度较大，远离泄漏孔处的监测点变化较为平缓、规律。

关  键  词：燃气闸井;泄漏;监测点;质量分数;甲烷

中图分类号：TQ021.4     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）01-0116-06

随着经济社会的发展和人们生活水平的提高，天然气以其清洁、高效等优点在人们的生产生活中普及开来。伴随着城市燃气管网覆盖面积增加，燃气闸井的数量也逐渐增多，燃气闸井作为管网系统的主要组成部分发挥着不可替代的作用。燃气闸井输配管道一旦发生泄漏，便会在闸井封闭空间内部形成可燃气体云，极易引发火灾、爆炸等安全事故，造qYC8xXDhaX3XwdDpBmjKVw==成环境污染、人员伤亡，严重威胁到人们的生命及财产安全。因此，研究燃气闸井管道泄漏封闭空间扩散特性具有重要的现实意义^[1-3]。

众多专家学者对可燃气体泄漏做了大量案例分析，采用模拟或实验的方法对可燃气体泄漏进行研究。HELENA^[4]将泄漏气体假定为理想气体且管道内部流体绝热流动，由此得到稳态泄漏时的计算方法，但此种方法限制了压力过高时的计算精度。薛海强^[5]等采用数值计算的方法对管道不同位置燃气泄漏后的流场和质量分数场进行计算，得到室内燃气的泄漏扩散特性。马博洋^[6]等对综合管廊燃气仓内燃气管道泄漏进行研究，通过模拟与实验相结合的方法分析管道泄漏后甲烷质量分数与爆炸范围的关系及管道泄漏后修补的可行性。方自虎^[7]以地下综合管廊为研究对象，用Fluent软件分别对向上和水平两种不同泄漏口进行燃气泄漏扩散过程模拟，得到距离泄漏口达到一定的距离后燃气质量分数变化与泄漏口的开口方向无关的结论。QIAN^[8]等对6种不同情况下氢气泄漏扩散过程进行了数值分析，分别绘制氢气体积分数随泄漏时间的变化曲线，定量研究了泄漏末端可燃气云的分布。钱喜玲^[9]等研究了不同压力条件下燃气在管廊内的质量分数分布特性，并得到管道泄漏压力与报警时间成正相关的结论。GAO^[10]等对地下室空调机房制冷剂泄漏进行研究，并测试不同通风条件下泄漏的制冷剂在不同位置的质量分数，得到了通风方式对泄漏气体质量分数的影响程度较大的结论。CHEN^[11]提出标准k-ε模型下燃气在狭长管廊内管道的泄漏扩散过程更加精准并且接近实际工况。然而，针对无机械通风且较为封闭的燃气闸井内的管道及阀门泄漏方面的研究较少。

本文以燃气闸井为研究对象建立二维物理模型，模拟管道上方泄漏及阀门侧方位泄漏，选择标准k-ε方程湍流模型，采用Fluent软件对持续进行的小孔泄漏进行模拟，研究闸井内甲烷质量分数场的分布规律及爆炸范围，对闸井监测点布置及泄漏后检修提供有力的参考依据。

1  燃气闸井管件泄漏模型建立

1.1  物理模型的建立及基本参数

本文以某实际燃气闸井内部为研究对象，井深4 m，土壤以下管廊部分为2 m，裸露在外部的燃气输送管道长5 m、直径0.2 m，位于闸井底部，管道中央位置处有一个0.3 m×0.25 m的阀门，井盖有两个直径2 cm的圆孔与大气相通，其他壁面均接触土壤，建立物理模型如图1所示。

泄漏孔1位于图示中管道左侧的上方，泄漏孔2位于图示阀门的右侧，分别以法向速度5、10 m·s^-1泄漏30 s。欧洲输气管道事故数据组织（EGIG）按照事故统计分类标准将气体泄漏模型划分为：小孔模型、大孔模型和管道模型^[12]。在实际工程中，小孔泄漏事故发生概率最高，而大孔泄漏和管道泄漏事故则相对较少^[13]，故本文设定4 mm直径的泄漏孔进行模拟分析。

监测点1～9的坐标分别为（0，1.5）、（1，1.5）、（2，1.5）、（3，1.5）、（4，1.5）、（5，1.5）、（2.25，4）、（2.75，4）和（2.5，3.5）。

1.2  数学模型的建立及基本控制方程

由于天然气的主要成分为甲烷，故本文用甲烷代替天然气进行模拟分析。为简化求解过程，做以下假设：泄漏的甲烷和闸井内的空气均视为不可压缩的理想气体，且混合前后的气体均满足理想气体状态方程;在泄漏过程中管道压力恒定，即泄漏孔径和泄漏速度不随时间变化;在甲烷泄漏扩散过程中，不与空气发生化学反应^[14]。

采用非稳态时间项并考虑重力和浮力的影响，选用PISO算法对N-S方程进行求解^[15]，燃气泄漏的初始温度为288 K，闸井内温度为300 K，选用标准k-ε方程为湍流模型，采用无化学反应的组分运输方程，设置泄漏孔为速度出口边界条件，井盖孔为自由出流边界条件，其他均为壁面边界条件，时间步长设定为0.01。

在该情况下对流扩散问题的求解方法是将扩散区域中扩散气体的质量、动量、能量等守恒方程作为控制方程，采用离散化的数值方法求得扩散气体的质量分数分布规律，考虑湍流的对流扩散问题的求解，除掉流体运动的基本方程组外，还要联合对流扩散控制方程。

式中：G_k—由平均速度梯度引起的湍动能;

G_b—由浮力作用引起的湍动能;

Y_M—可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;

C_1ε、C_2ε、C_3ε—经验常数;

α_k—湍动能有效普朗特数的倒数;

α_ε—耗散率有效普朗特数的倒数。

1.3  变量参数及影响因素

燃气闸井是一个较为封闭的空间，其井盖处的两个小孔是其内部环境与外界环境之间交换的窗口，因此外界对于闸井内燃气管道发生泄漏后的影响甚微，可以忽略不记。

本文分别对5 m·s^-1和10 m·s^-1泄漏速度的泄漏孔1和泄漏孔2处持续进行的小孔泄漏过程进行模拟分析。

2  模拟结果分析

2.1  泄漏速度的影响

井盖处设有两个与外界相通的小孔，分别在两个小孔处设置了监测点7和监测点8，以观察燃气质量分数及变化，并在井盖正中心下方0.5 m处设置监测点9。当泄漏孔1以泄07f000d79ba267c4fa5430b8072e61037d4def6fd18a01b32193d211be1ba9fe漏速度5 m·s^-1泄漏且持续进行时，如图2所示，在12 s时探及井盖下方0.5 m处有质量分数变化，两个井盖孔之间有2 s的时间延时，且首先在井盖孔2处探及质量分数变化。当气体触及管廊顶部受到阻挡时，改变了气流的运动方向，使得气体向右扩散一部分触及竖井的右壁面，此时动能即将消耗殆尽，由于甲烷的密度低于空气，在浮力的作用下向上方扩散，故监测点9处较早探及质量分数变化;另一部分气体则贴右壁面扩散，所以质量分数变化较早出现在右侧井盖孔。当泄漏孔1以泄漏速度10 m·s^-1泄漏且持续进行时，监测点7、8、9检测到质量分数变化的时间均比

5 m·s^-1泄漏时提前4 s。

当泄漏孔2以泄漏速度5 m·s^-1泄漏且持续进行时，如图3所示，在15 s时探及井盖下方0.5 m处有较明显的质量分数变化，比泄漏孔1以同样泄漏速度泄漏时延后1 s，而左侧井盖孔监测到质量分数变化的时间比右侧井盖孔略提前1 s。与泄漏孔1相比，该泄漏模型在监测点7和监测点8检测到质量分数变化的时间分别延后2 s和4 s。

当泄漏孔2泄漏初期，气流向右喷射的同时受到浮力的影响，故存在向上的蘑菇云，在泄漏速度为10 m·s^-1泄漏时，由于初动能较大，会使气体喷射至右侧管廊的壁面，而后向上方发展，此时横向的初动能对气体运动的影响较大，而浮力的影响较小，在沿壁面运动的过程中动能逐渐减弱，故扩散到监测点7、监测点8、监测点9的时间有所延迟，分别比泄漏速度5 m·s^-1时延迟4 s、4 s、3 s。

2.2  泄漏方向的影响

燃气管道上方泄漏过程如图4所示。在泄漏初始时刻，初动能较大，燃气垂直于管道向上方喷射，形成较为明显的气柱。在空气阻力与摩擦力的共同作用下燃气形成蘑菇云状并向四周迅速扩散，随着射流高度的增大，当含有燃气组分的混合气体触及到闸井管廊顶端时会在气柱的两侧形成涡流，左侧涡流首先形成，会影响气柱的稳定，故气柱发生偏移。由于管廊顶端的阻挡，随后在泄漏孔的右侧形成横向扩散的蘑菇云，一部分燃气在浮力作用下向竖井上方扩散，另一部分由于动能较大继续向管廊右侧迁移，随着时间的推移动能也逐渐衰减。

管道阀门侧方泄漏过程如图5所示。

在泄漏初期气体有向右较大的初动能，加之浮力的影响，气体向右上方喷射并形成团状蘑菇云向周围扩散。随着初动能的耗散和泄漏时间的推移，射流气柱方向发生改变，燃气向上方扩散直至闸井管廊顶端，在到达管廊顶端后受到阻挡向两侧扩散，在此过程中，泄漏气体的运动方向受到两侧涡流的扰动发生变化，使泄漏燃气紧贴地面向右上方扩散。

2.3  危险区域预警分析

燃气闸井内管道中输送的气体主要成分为甲烷，其爆炸极限以体积分数计通常为5%～15%，相应的质量分数是3%～9%^[5]。由于Fluent中默认甲烷的数值单位为质量分数，因此取甲烷3%的质量分数为爆炸下限。

当泄漏孔1以5 m·s^-1速度持续泄漏，如图6（a）所示，监测点2的响应时间为3 s，监测点3的响应时间为4 s，除监测点1位置外，其余监测点在泄漏后30 s内大部分位于危险爆炸范围之外，且30 s内监测点2处甲烷质量分数波动明显，这是由于监测点2位于泄漏孔1附近，泄漏孔1泄漏时喷射出的气流以较高速度持续扩散带动周围空气与甲烷气体掺混，造成监测点1处的值波动。当泄漏孔1以    10 m·s^-1速度持续泄漏时，如图6（b）所示，监测点2的响应时间为2 s，监测点3响应时间为3 s，在2～20 s内各监测点甲烷质量分数逐步进入爆炸范围之内。

故针对泄漏孔1泄漏的情况可在监测点2、监测点3处设置监控器，此处响应迅速、敏感，可尽早发现故障并排除安全隐患。

当泄漏孔2以5 m·s^-1速度持续泄漏，如图7（a）所示，监测点4的响应时间为3 s，监测点5的响应时间为6 s;监测点6在10 s之后始终位于爆炸区域内，且在以10 m·s^-1速度泄漏时更加典型，这是由于侧面泄漏时甲烷气体初动能较大，加之浮力影响会使甲烷气体喷射至右壁面且质量分数持续增加。在30 s内监测点4和监测点5处甲烷质量分数波动明显。当泄漏孔2以10 m·s^-1速度持续泄漏时，如图7（b）所示，监测点5的响应时间为7 s，监测点4响应时间为9 s，在6 s后各监测点甲烷质量分数逐步进入爆炸范围之内。故针对泄漏孔2泄漏的情况可在监测点4、监测点5处设置监控器，由于监测点6处响应后即刻超越爆炸上限，应避免在监测点6处设置监控器以节省成本。

3  结 论

1）在燃气闸井封闭空间内管道的泄漏过程中，其泄漏速度直接决定了同等时间管廊内的质量分数。管道上方泄漏时，10 m·s^-1泄漏速度明显比     5 m·s^-1泄漏速度在同等时间内甲烷的质量分数先达到爆炸下限，且管廊内甲烷质量分数明显高于以   5 m·s^-1速度泄漏时的工况;在阀门侧方位泄漏时，泄漏速度为10 m·s^-1时同等时间内甲烷质量分数仍然高于泄漏速度5 m·s^-1时的工况，但在竖井内部的3个监测点却有所延迟。

2）泄漏位置对管廊内甲烷气体分布的均匀程度影响较大，管道上方泄漏后，质量分数较大的区域为泄漏孔1至管廊左侧区域，其附近监测点质量分数波动明显;阀门侧方泄漏后，管廊右壁面及阀门右侧管沟贴地处质量分数较大。

3）泄漏速度为5 m·s^-1和10 m·s^-1时竖井内的监测点7、监测点8、监测点9在30 s内管廊内甲烷的质量分数均未达爆炸范围的下限。为节约成本、优化工作方案、提高工作效率，针对监测点1至监测点6可根据不同泄漏孔位置设置泄漏传感器，当泄漏孔1处泄漏时可监控监测点2、监测点3处的质量分数变化;当泄漏孔2处泄漏时可监控监测点4、监测点5处的质量分数变化，且尽量避免在监测点6处设置泄漏传感器。

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Diffusion Characteristics and Safety Early Warning Analysis of Gas Well Pipeline Leakage in Closed Space

LIU Yao， TAN Song-ling， CHEN Tao-tao， LI Wei， CHEN Fei

（Beijing Gas Group Co.， Ltd.， Beijing 100035， China）

Abstract：  Carrying out research on the diffusion characteristics of gas well pipeline leakage in closed space is an important prerequisite for improving the safety performance of wells and improving the early warning mechanism. In this paper， taking a gas well in a certain area as the research object， a two-dimensional model of gas well pipeline leakage was established， the CFD software FLUENT was used to simulate the continuous leakage of holes in different directions， the distribution characteristics of gas （methane） when normal leakage occurred above the pipeline and on the side of the valve were studied， as well as  the methane mass fraction change at the monitoring point after leakage at different positions and the installation range of the monitor. The results showed that the leakage rate had a great influence on the overall mass fraction of methane in the gate wells， and the higher the leakage rate was， the shorter the average time to reach the explosion range was. Leakage position affected the mass fraction distribution of methane in the gate wells at the initial stage of leakage. The mass fraction fluctuation at the monitoring point close to the leak hole was large， and the change at the monitoring point far from the leak hole was gentle and regular.

Key words：  Gas well; Leak; Monitoring points; Mass fraction; Methane