埋地掺氢天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

为减少掺氢天然气在输送过程中因泄漏引发的安全问题,基于流体力学及多孔介质理论,采用Fluent软件建立城市埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的三维数值模型,分析掺氢比例、泄漏孔径、管道压力、管道埋深和土壤类型等因素对掺氢天然气泄漏量及甲烷、氢气爆炸下限竖直方向上扩散距离的影响。结果表明:掺氢比例越大,掺氢天然气泄漏量越小,甲烷爆炸下限等值线扩散至地表所需时间越长,而氢气则相反;泄漏孔径10 mm时的泄漏量约为孔径5 mm时泄漏量的2倍,泄漏孔径20 mm时的泄漏量约为10 mm时泄漏量的2倍,且泄漏孔径越大,甲烷和氢气的爆炸下限等值线到达地表所需时间越短;管道压力越大,掺氢天然气泄漏量越大且扩散速度越快,危险系数越高;管道埋深1.1 m泄漏量最大,其次为1.4、0.8 m,埋深越浅,甲烷和氢气的爆炸下限等值线到达地表所需时间越短;土壤类型对掺氢天然气的泄漏扩散有重要的影响,土壤类型为粉质砂土时,掺氢天然气泄漏量及扩散速度最大,其次为壤土,最后为黏土。

波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散研究

由于氢气密度低,泄漏后的掺氢天然气在海洋波流作用下的浮升扩散行为有别于纯天然气,其泄漏扩散规律有待明晰。利用计算流体力学方法数值模拟了波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散的过程,结果表明气体泄漏的过程可分为泄漏初期、向上浮升以及横向迁移3个阶段。当掺氢比φ_(H2)<50%时,氢气泡的运动轨迹受天然气泡的影响显著。气体浮升高度和扩散直径的变化与时间成正相关,且随着掺氢比的增大,泄漏气体到达液面所需的时间延长。天然气泡和氢气泡直径在上升的过程中都逐渐增大,两者的浮升速度随浮升高度的增加先增大后减小,天然气泡的浮升速度衰减更快。氢气泡直径随掺氢量的增加而增大,天然气泡直径随掺氢量的增大而减小,两者的上升速度随着掺氢量的增大都表现出先增大后减小的趋势,且氢气泡的上升速度大于天然气泡的上升速度。波长和海流流速越大,泄漏气体的扩散直径越大。

LNG储罐内燃料泄漏扩散与爆燃事故特性模拟

为了定量评估液化天然气储罐泄漏意外爆燃事故的危害后果,基于ALOHA软件对天然气储罐发生泄漏时天然气的扩散以及意外点火爆燃事故特性进行了模拟,针对不同泄漏压力时,液化天然气储罐泄漏后气化产生的甲烷扩散引起的易燃区域、爆炸产生的超压和热辐射影响区域进行了计算分析。结果表明,甲烷蒸气云的最大扩散距离、爆炸产生的超压和热辐射影响范围会随着泄漏压力的增加而增大。该研究可为新建储罐区储罐间安全距离的确定、在役储罐区的安全防护以及相应应急预案的制定等提供参考。

天然气泄漏扩散实验与高斯预测模型优化

众所周知,掌握天然气扩散规律是天然气泄漏监测方案设计的重要依据,其中利用高斯模型来预测天然气泄漏扩散规律已成为天然气事故风险评估和安全疏散的重要技术,但目前还没有适用于天然气等轻气泄漏扩散浓度测量的实验装置。为解决高斯预测模型对天然气泄漏扩散预测精度较低的问题,采用天然气扩散浓度监测实验平台,借由阵列布置的激光甲烷浓度探头测量不同风速和不同泄漏速率下,扩散下游空间内不同高度和位置的甲烷浓度,进一步修正了高斯扩散模型中的抬升高度和侧向、垂向扩散系数。研究结果表明:①自主设计的甲烷浓度监测实验平台,可实现下游扩散空间内任意位置的泄漏气云捕捉和分布式浓度测量;②天然气泄漏的气云抬升现象不明显,仅在无风、泄漏速率较小时出现了明显的气云向上抬升。结论认为,通过实验优化后的高斯扩散模型计算精度显著提升,对比查表获取的经验参数,本研究优化后的高斯模型预测扩散浓度偏差由33%降低至16%,显著降低了预测误差,成果对天然气泄漏风险评估与泄漏监测系统的设计具有重要指导意义。

临近车辆对LNG槽车泄漏扩散规律的影响研究

为降低LNG槽车行驶过程中发生泄漏对临近车辆造成爆炸威胁的可能性,通过CFD数值模拟,研究LNG泄漏在临近车辆周围的浓度分布特征,研究车辆间距等因素对LNG泄漏扩散过程的影响规律。研究表明:在风速2m/s,泄漏孔径0.1m,LNG泄漏口下风向10、20、30m处,空间内甲烷气云的流动状态和浓度分布趋势基本保持不变,泄漏口轴心处甲烷气体流速最高并向周围依次递减;临近车辆的阻挡作用使得高浓度甲烷气云积聚于车头处,随着临近车辆间距的增加,其后方出现回流,流场分布形态更加紊乱,易出现甲烷气云积聚现象;LNG槽车与临近车辆间距为30m且泄漏10s内,临近车辆周围的甲烷气云浓度低于爆炸下限,建议后方车辆宜与LNG槽车保持30m以上的安全距离。

海上平台超临界CO_(2)管道泄漏扩散规律实验研究

CO_(2)封存是实现中国“双碳”目标的有效技术途径之一,海上CO_(2)封存通常依托海上油气平台管道回注,CO_(2)回注过程中可能发生泄漏而严重影响作业人员安全。以恩平15-1海上平台为研究对象,开展超临界CO_(2)泄漏扩散规律实验研究。通过缩比设计,搭建与恩平15-1相应的物理模型实验平台,利用相似理论和量纲分析方法,设计了超临界CO_(2)泄漏扩散参数,开展了海上平台管道CO_(2)在不同泄漏压力(1.5~3.0 MPa)、泄漏孔径(0.5~6.2 mm)、泄漏方向(水平、竖直、斜45°)及环境风速(0~0.5 m/s)下的相似模型实验,研究泄漏CO_(2)在平台上的扩散情况及浓度分布规律。结果表明:压力和环境风速的变化,会影响CO_(2)泄漏后的近场射流,但对其远场扩散的影响较小;CO_(2)浓度会在泄漏约20 s后达到峰值并保持稳定,不会随泄漏时间的增加而增大;泄漏口径会显著影响泄漏口轴向CO_(2)浓度的分布规律。研究结果为海上平台CO_(2)泄漏监测与安全防护设计提供了参考。

加氢站高压低温氢气泄漏扩散数值研究

为了明确加氢站发生高压氢气泄漏后形成可燃区域的分布特性,进行了某加氢站中的35 MPa和70 MPa加氢机发生泄漏事故的数值模拟。研究了泄漏孔径和氢气预冷温度对稳态可燃区域分布形态和体积的影响。计算结果表明,70 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积约为35 MPa加氢机的两倍。泄漏孔尺寸对可燃区域体积有非常显著的影响。随着预冷温度的降低,射流边界层的气流速度降低,氢气质量分数增大,且后者对稳态可燃区域体积的影响更大,尤其在发生中孔泄漏时,随着氢气预冷温度从300 K降低至240 K,35 MPa加氢机泄漏形成的可燃区域体积从5590 m~3增加到16835 m~3,增长率为201.16%,同时可燃区域的形态从“平面”转换到“羽状”。

隧道内天然气埋地管道泄漏扩散特征数值模拟

天然气输送管道会经过山区,隧道穿越技术被广泛采用,而隧道内天然气埋地管道由于腐蚀等因素有泄漏的风险。运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件FLUENT模拟研究隧道内天然气埋地管道泄漏后的时空演化规律及管道埋深对泄漏扩散的影响。结果表明:隧道中天然气泄漏后扩散形态由圆形变为放射状,向隧道两端均匀扩散,主要分布在隧道顶部;沿隧道轴向截面,危险范围随时间延长而增加,其增长速度随时间延长而减缓;沿隧道径向截面,天然气体积分数出现明显分层现象;随着管道埋深增加,隧道内的天然气扩散范围减小,且扩散范围减小幅度较大;隧道内不同等级的危险范围都减小,且减小幅度越来越大。研究结果对预防事故发生和应急救援有指导意义。

架空纯氢/掺氢管道泄漏扩散模拟

氢气是被广泛有效利用的清洁能源,管道输运是氢气输送的主要形式,但氢气爆炸范围为4%—75%,极限宽,且由于氢脆现象易发生泄漏,造成严重事故。针对输氢管道破裂后发生的泄漏扩散事故,建立三维架空纯氢/掺氢输送管道泄露模型,利用CFD软件ANSYS-Fluent进行泄露数值模拟计算,得到纯氢/掺氢气体的体积分数和危险范围,分析了管内压力、风速和掺氢比对泄露扩散的影响。模拟结果表明:管道压力增大会导致危险区域增大;风速增大会阻碍氢气向上扩散,同时使氢气向下风向转移,对泄漏呈现先增强后减小的趋势;掺氢比从10%增加到60%,掺氢天然气的爆炸下限下降了0.54%,且掺氢比越大,掺氢天然气的空间分布和扩散范围越广。

基于FLACS的氢气站场泄漏扩散模拟研究

氢能作为一种清洁能源将被大规模开发利用,氢气长输管道和沿线站场建设也随之增加。为研究不同条件下氢气泄漏扩散规律,建立了氢气站场FLACS三维模型。在障碍物存在下,对不同泄漏压力、泄漏孔径和泄漏温度下氢气的泄漏扩散进行了模拟,对比了可燃气云的扩散范围,分析了不同因素的影响规律。结果表明,障碍物使氢气泄漏方向发生改变,可燃气云的扩散范围快速增大,工况7中,7 s内(8~15 s)可燃气云面积快速增加至整个站场面积的73.3%。泄漏压力和泄漏孔径增加均可使可燃气云的扩散范围增加:对于4 MPa低压泄漏,泄漏孔径变化影响更加显著;对于100 mm大孔泄漏,泄漏压力变化影响更加显著。泄漏温度从293 K增加到353 K,氢气分子热运动加快,但泄漏温度变化对气云扩散范围的影响并不明显。本研究可为氢气站场泄漏事故的防治提供参考。

气相乙烷管道泄漏扩散特征模拟分析

为研究气相乙烷管道泄漏扩散后的影响,以某公司拟建的一条乙烷输送管道为工程背景,采用CFD(计算流体动力学)软件,对不同泄漏孔径、不同风速下的气相乙烷管道泄漏进行了模拟分析,探讨其泄漏扩散特征以及危险范围的演变情况。结果表明:随泄漏孔径增大,乙烷的扩散形状发生改变,小孔泄漏扩散在土壤中的形状演变特征分为前、中、后期3个阶段,而管道全尺寸泄漏在大气中的扩散分为无风时的垂直射流扩散以及有风时的横向扩散;随泄漏孔径的增大,乙烷泄漏扩散范围变大,危险区域变大;随风速增大,乙烷全尺寸泄漏扩散高度降低,且危险浓度最远扩散距离达到峰值的时间缩短。

家庭厨房内不同比例混氢天然气泄漏扩散研究

为探究不同比例混氢天然气在家庭厨房内泄漏后的扩散特性,采用FLACS构建家庭厨房数值模型,研究不同比例混氢天然气泄漏后在水平(泄漏口侧到远离泄漏口侧)和垂直方向上的浓度分布,对比自由扩散和对流通风对气体扩散的影响。研究结果表明:距泄漏口上方1.15 m高度以下,高度、时间及混氢比对水平方向上气体体积分数的降幅影响较小;泄漏口侧和远离泄漏口侧垂直方向上具有不同层级的分层现象,且随混氢比和时间的增大,分层现象减弱;混氢比从0%增加到40.0%时,报警时间降幅比仅为1.42%;相较自由扩散,对流通风能快速排出可燃气体,降低风险。研究结果可为城镇燃气混氢应用提供参考。

邻近电力管道的城市埋地燃气管道泄漏扩散数值模拟研究

为进一步预防城市埋地燃气管道与电力管道耦合事故发生,基于邻近电力管道的埋地燃气管道物理模型,采用Fluent软件对甲烷燃气泄漏扩散进行三维数值模拟分析,研究城市埋地燃气管道与电力管道耦合场景下的燃气泄漏扩散行为。研究结果表明:甲烷燃气扩散速率受土壤类型的影响较大,相比壤土和黏土,甲烷燃气在砂土中扩散速率相对最快;甲烷燃气扩散范围随着管道压力的增大而增大,需重点关注泄漏孔附近区域尤其是上方高浓度区;甲烷燃气发生泄漏后在电力井内迅速扩散,最快会在34 s内达到预警浓度,并在70 s左后时达到爆炸极限范围。研究结果可为城市埋地燃气管道与电力管道耦合场景下的风险监测预警提供决策参考。

埋地CO_(2)管道泄漏扩散温度场特性数值模拟研究

埋地CO_(2)管道不可避免地存在泄漏风险,可能造成极大的经济损失和人员伤亡。因此,深入研究埋地CO_(2)管线泄漏点附近温度场对泄漏定位监测至关重要。运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件FLUENT模拟管道不同位置泄漏扩散温度场的变化情况。结果表明,在顶部泄漏时,由于CO_(2)发生相变和射流作用,在泄漏口正上方呈现低温线,且最低温也持续降低。因受到热传递和土壤的影响,低温线无法继续向土壤表层传递。在埋地CO_(2)管道侧向泄漏情形下,当口径小于8 mm时,随着泄漏口径的增大,CO_(2)的泄漏状态更加剧烈,泄漏口喷射出的CO_(2)水平速度矢量也随之增大;当口径达到8 mm时,速度矢量达到最大;当口径大于8 mm时,CO_(2)的泄漏状态再度趋于稳定,而后随着口径增大,速度矢量逐渐减小。

隧道内埋地掺氢天然气管道泄漏扩散研究

氢能作为一种理想的清洁能源备受青睐,将氢气掺入到天然气管道中是实现氢能大规模输送的有效途径。在输送过程中,管道一旦发生泄漏便会严重影响管道的安全运行,目前隧道内埋地掺氢天然气管道的泄漏扩散规律尚不明确。建立了隧道内埋地掺氢天然气管道泄漏扩散数值模型,探究了掺氢比(体积分数)、泄漏孔径和来流风速对混合气体泄漏扩散特性的影响。结果表明,掺氢天然气泄漏后在隧道顶部大量积聚,呈现出中心区域浓度高、边缘区域浓度低的现象。随着掺氢比增大,混合气体爆炸下限降低,相同时间内的泄漏量增多。因隧道空间密闭,混合气体在短时间内不能充分扩散,因此掺氢比越大,爆炸危险区域越大,达到爆炸极限的时间越短。当掺氢比由5%增加到20%时,爆炸危险区域增加了3.18%,混合气体达到爆炸极限的时间缩短了3.7%。泄漏孔径越大,混合气体泄漏量越大,爆炸危险区域越大,混合气体达到爆炸极限的时间越短。当泄漏孔径由20 mm增大至100 mm时,沿隧道径向的爆炸危险区域由距地面1.49 m减小至0.30 m,轴向爆炸危险区域由13.4 m增大至91.9 m,达到爆炸极限的时间由95.2 s缩短至11.3 s。来流风速的平流输送作用促进了混合气体沿隧道轴向的扩散,缩小了隧道顶部的高浓度区域,爆炸危险区域显著缩小。当来流风速由0.5 m/s增大至2.0 m/s时,爆炸危险区域缩小了81.7%。因此,隧道内气体发生泄漏时应及时通风,避免燃烧爆炸等事故的发生。该研究结果可为隧道内埋地掺氢天然气管道的安全运行提供理论依据。

海洋采油平台天然气泄漏扩散实验与数值模拟分析

基于中国石化胜利油田典型海洋平台,搭建缩比为1∶22的实验平台,选取储罐、天然气处理系统及三相分离器等设备作为气体泄漏源,开展基于Froude数相似理论的甲烷泄漏扩散规律测试实验,同时,采用泄漏及爆炸分析软件FLACS建模,进行典型泄漏工况的数值模拟。通过气体泄漏实验和数值模拟结果对比,两组数据的总平均误差为8.70%,验证数值模型具有较好的预测精度;结合数值模型和实验数据,进一步分析了海洋平台甲烷泄漏的扩散规律,为海洋平台油气泄漏安全风险防控提供了理论和数据支撑。

埋地燃气管道泄漏扩散特性分析

研究埋地燃气管道发生泄漏事故后天然气在土壤中的泄漏扩散规律有助于及时发现泄漏源,预测泄漏气体的扩散范围,减少事故损失。采用DesignModeler软件建立了埋地燃气管道泄漏扩散三维数值模型,采用Fluent软件对不同工况下甲烷气体在土壤中的泄漏扩散过程进行了数值模拟,对比分析了管道压力、泄漏孔径、土壤类型、土壤温度以及土壤含水率对甲烷体积分数和气体横向扩散距离的影响。压力、泄漏孔径和土壤温度与甲烷浓度呈正相关关系。压力、泄漏孔径和土壤温度越大,相同泄漏时间内土壤中的甲烷浓度越高,达到爆炸下限所需时间越短,危险性越高;土壤含水率越高,相同泄漏时间内的甲烷浓度越低。在低压状态下,气体分子间的相互作用较小,导致含水率越高,气体的横向扩散距离越大;土壤类型对甲烷扩散有较大影响,气体在砂土中的扩散距离最大,爆炸危险性最高,其次是壤土。黏土的黏性阻力系数和惯性阻力系数远小于砂土和壤土,因此,气体在黏土中的浓度最低,危险性最低。研究结果为埋地燃气管道的泄漏风险评估与管道监控管理提供了参考。

化工园区LPG蒸气云泄漏扩散影响因素数值模拟

液化石油气(Liquified Petroleum Gas,LPG)泄漏、扩散过程中受制于诸多因素影响,但不同因素对LPG泄漏、扩散形成的蒸气云体积和范围的敏感程度尚不明确。以多种配比的丙烷/丁烷组成的LPG气云为研究对象,应用FLACS软件对气云组成、泄漏条件、障碍物及环境等4类因素对某化工园区LPG蒸气云泄漏、扩散特性的影响进行仿真模拟。结果表明:丙烷和丁烷组成的LPG混合气中,丙烷占比越高,爆炸极限越大,混合气泄漏会引起该化工园区更大的潜在事故风险;Q_(9max)则与泄漏速率呈线性增长关系,泄漏速率从24 kg/s增加至48 kg/s时,二者Q_(9max)相差94795 m 3,增幅达到113.59%;Q_(9max)随泄漏源数量的增加而上升,在三源泄漏情景下,泄漏事故最佳应急处置时间在3.3 min内;当存在障碍物时Q_(9max)增长了368.9%,是无障碍物时的4.68倍,远远大于无障碍物状态;大气稳定度对Q_(9max)影响较小,但环境风速及环境温度影响较大,Q_(9max)随着环境风速增大而降低,随环境温度升高而上升。4类因素敏感程度从高到低依次是障碍物因素>泄漏条件因素>环境因素>气云组成因素。模拟结果对该园区开展风险事故防范具有指导意义。

内河LNG罐箱运输船泄漏扩散与锚泊安全研究

液化天然气(LNG)罐式集装箱运输船在内河水域的通航安全是业界关注的重要问题。以在锚泊状态下船载LNG罐箱为研究对象,基于计算流体动力学(CFD)模拟方法,构建LNG罐箱泄漏物理模型;以内河702 TEU型集装箱船、T75型罐箱和LNG罐箱积载要求等数据,采用Space Claim构建计算域模型,并建立在LNG连续泄漏状态下的极端不利条件,开展LNG泄漏与扩散的极限距离仿真试验,试验结果表明极限扩散的安全距离约187 m。综合考虑LNG极限扩散距离、锚泊事故风险和锚泊安全状态等条件,建立内河LNG罐箱船锚泊安全区计算模型,并提出半径315 m的锚泊安全区域及锚泊安全建议。研究成果能为水运部门制定相关标准规范和安全监管制度提供技术支撑。

液态二氧化碳泄漏扩散安全界限研究

采用phast软件建立了二氧化碳立式储罐泄漏模型,研究了泄漏孔径、泄漏压力、泄漏高度、环境风速和地面粗糙度等因素对液态二氧化碳泄漏扩散安全界限的影响。结果表明:小孔径泄漏主要影响二氧化碳扩散高度及云团下风两侧方向宽度,当泄漏孔径由中孔径变为大孔径时,下风向安全界限长度和下风两侧方向安全界限宽度明显减小;在泄压抢修时,应注意压力降低时,二氧化碳云团安全界限由影响范围小、扩散高度大转变为影响范围大、扩散高度小;储罐高空泄漏存在低浓度空缺空间,技术人员在抢修时除佩戴呼吸用具外,可充分利用此空间爬升至泄漏点位置;应重点关注天气预报,考虑环境风速变化对安全界限的影响,及时改变警戒线位置;应当在储罐易发生泄漏位置的周边种植部分低作物,可有效抑制二氧化碳向四周扩散。