宫玉凯

摘    要：随着燃气压力管道工业的发展，天然气、液化石油气以及人工煤气等燃气已成为城镇居民生活能源的主要来源。城市天然气管道在集输过程中，外力破坏、腐蚀以及管道固有因素等原因，引起天然气管道穿孔和破裂失效。一旦发生燃气管道泄漏事故，会妨碍天然气管道安全生产运行、污染环境以及造成巨大的经济损失，还会引起火灾、爆炸、中毒、伤亡等恶性事故，造成人员伤亡等重大事故。基于以上，研究天然气管道泄漏扩散过程对于减小事故危害、应急抢险方案的制定具有重要的现实意义。

关键词：埋地;天然气管道;多孔介质;泄漏扩散;数值分析

当今社会，高速发展经济形势，人口持续增长的现状，加剧了中国对能源的需求，能源与环境的问题也变得日益突出。由于天然气燃烧产物为不会造成空气污染的 CO2 和水，在我国日益增加的环保压力的推动下， 2013 年 11 月在成都召开的“中国天然气汽车论坛”有专家预测，在 2021年之前我国天然气需求量有望维持年均约20%的高速增长率。据悉，在“煤改气”、“油改气” 等环保项目的推动下，天然气作为重要的洁净能源之一，这将加剧今明两年我国天然气紧张的供应局势。为了缓解国内天然气供应的紧张局势，中石化、中石油以及中海油等大型国有石油公司，明年将增加天然氣的供应量[1]。在未来 20 年内，从全球范围来看，天然气将是消费比重维持高速稳步增长的唯一一次性能源;石油和煤炭消费比重均将呈下降趋势，可再生能源和核能等消费比重不会超过 10%。

一、研究情况

随着天然气工业的日益发展，越来越多的长输和城市天然气管道投产运行。由于腐蚀、外力破坏和管道安装缺陷等原因，天然气压力管道泄漏事故频繁发生。更为严重的是，泄漏的天然气气与空气形成可燃混合气， 当气体浓度在爆炸极限范围内，遇明火将发生燃烧或爆炸，易引发人员伤亡和财产破坏等事故。通过结合城镇地形、管道运行工况、环境温度等影响因素，对埋地城市天然气管道的泄漏后天然气在土壤和大气中扩散过程进行仿真模拟分析， 总结归纳天然气泄漏扩散浓度分布规律，并预测泄漏天然气的扩散范围，最大限度降低泄漏扩散所带来的风险。城市天然气管道泄漏扩散的研究，可以完善城镇天然气管道风险评价体系，也是泄漏扩散事故理论联系实际的一个基础平台[2]。由于方便快捷、安全可靠等优点，管道运输已成为天然气运输的主要方式。我国天然气输送管网的建设先后经历了两个阶段：陕甘宁气田和四川盆地天然气外输管线工程这一局部天然气管网的投产标志着我国天然气管道建设的第一阶段完成。可见逐步完善国内东西部天然气输送管网的主干线路，实现国内多气源联网供气，并与国际输气管网连通是我国天然气管网建设目标。因此第二阶段集中建设了西气东输工程，其工程主要内容建设我国东西方向天然气输气干线，如绵延 4000 千米的西气东输一线工程、长达 9102 千米的西气东输二线工程（主要包括管道主干线及 8 条支干线）、中亚及中缅天然气管道工程，缓解了沿途近 200 个城市能源需求，完善了我国输气管网系统。管道运输是传输石油、天然气等能源物质最为安全经济途径之一。[3]。

二、城镇天然气研究现状

对于天然气、液化气等危险性气体泄漏扩散过程的研究方法主要包括试验研究方法和模拟计算方法。试验研究方法主要是部分学者利用危险性液化气体 LNG、LPG 等进行扩散流场分析研究，试验操作不仅具有一定的危险性，具有一定的难度，并且经济性也较差，但国外学者 D.J.Hal和 Sklavounos S在该领域仍在进行危险性气体研究;国内学者罗音宇进行了气田井喷 H2S 风洞模拟实验;谢昱姝、吴宗之、吕良海等采用全尺寸气体泄漏实验系统，模拟真实埋地天然气管道泄漏场景，对泄漏后的天然气在土壤中的扩散对流过程进行实验研究。目前国内外大多数学者采用模拟计算方法对燃气管道泄漏扩散过程进行研究。模拟计算方法主要包括两种：第一利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）软件进行数值模拟;第二种利用理论模型进行相关数值。

目前国内外气体扩散数值模拟研究领域最有影响力的管道泄漏扩散过程数值模拟模型主要有以J.G.Bartzis为代表的ADREA-HF模型，以Peter J.Shopov 为代表的DISCO模型，以Y.RIOU为代表的MERCURE-GL模型以及W.Jacobsen 与B.F.Magnusson提出的气体扩散的三维数值模拟模型等[40]。

经过近20年的努力，国内外学者和专家在描述管道泄漏气体流动和燃气泄漏扩散的控制微分方程方面达成一致，因而很多理论模型沿用了相同的控制微分方程组，通过分析这些国内外比较著名的管道泄漏扩散模型，不难发现对于高压燃气管道泄漏扩散数值模拟的研究，目前的主要研究方向为湍流模型的选择，主要讨论的问题包括初始及边界条件的不同、数值处理方式的差异。

三、结论

查阅国内外关文献，分析总结国内外燃气泄漏扩散研究方法，确定本文的研究方法;分析总结引起埋地燃气管道泄漏的因素和埋地天然气管道泄漏扩散过程的特性和影响因素，并建立树状图;分析了天然气管道的理论泄漏量的计算，并利用 C 语言编写了计算泄漏率的计算程序，阐述了气体泄漏扩散基本方程及多孔介质理论;结合工程实际，根据流体力学和热力学理论计算埋地天然气管道的初始泄漏率以及管道两端截断阀关闭以后泄漏率随时间的变化关系，介绍了 CFD软件仿真原理结合湍动能 k 方程、耗散率方程以及物质扩散方程，建立了埋地燃气管道泄漏扩散的数学模型及物理模型，并对该模型进行分析、设置符合实际工况的边界条件;基于上述模型，采用计算流体力学仿真软件进行模拟计算，对不同输送压力（高压、次高压、中压）、不同泄漏孔径大小、不同泄漏位置以及不同环境温度下泄漏气体的浓度场、流场进行模拟分析，并总结规律。

参考文献：

[1]沈（王莹）. 埋地低压天然气管道泄漏扩散数值模拟分析[D].北京建筑大学，2019.

[2]杜美萍. 埋地天然气管道泄漏扩散的模拟研究[D].北京化工大学，2015.

[3]马芝仪.试论埋深对天然气管道泄漏及抢修的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2018（10）：80.