0 引言

随着社会经济的发展，以及国家对“煤改气”战略的深入推进，我国对天然气的需求将会越来越高。管道输送是天然气运输的主要方式，但天然气输送也有其致命的缺点，那就是天然气管道会由于认为或自然原因发生破损，造成天然气泄漏[1]。一旦天然气管道发生泄漏，轻则管道停止输送造成损失，污染环境；稍有不慎，就会引发火灾爆炸，对人民的生命、财产安全产生极大的威胁，造成重大的经济损失，产生不良的社会影响[2]。因此对城市天然气管道泄漏扩散展开分析研究势在必行。

1） 相比于SNCR、SCR燃烧后处理工艺，烟气再循环是一种燃烧过程中控制氮氧化物的工艺，需配合低空燃比燃烧达到抑制NOx生成的目的。

李朝阳等[3]对比埋地和架空管道两种不同敷设方式下的天然气泄漏情况，重点分析瞬时及持续泄漏下的气体扩散规律；张甫仁等[4]针对城市建筑群区域人口密集扩散难度大的情况，模拟分析了建筑物群外空间天然气泄漏扩散浓度场及其规律；付建民等[5]在实验基础上利用CFD 软件研究裂口几何形态对于输气管道小孔泄漏的影响。

本文利用Fluent软件对城市天然气管道的泄漏扩散进行仿真模拟分析，分别对泄漏时间、泄漏孔径和障碍物三种情况进行模拟分析，总结归纳不同影响因素对天然气泄漏扩散浓度分布的影响规律，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，同时也为天然气事故处理提供理论依据。

1 模型建立

1.1 数学模型

(1) 连续性方程[6]

 

(1)

式中ρ：流体密度，kg/m3；

ui：(x，y，z)三个方向上的速度(u，v，w)，m/s

第三步：瞳孔边缘像素点愈多，椭圆拟合的精度愈高，为了使分割出的瞳孔区域更加完整，本文对阈值T进行修正：

(2) 动量方程[7]

 

(2)

式中 μ：流体的动力粘度，Pa·s；

安徽省传统农区宿州市埇桥区，过去农民习惯于分散种养，难以抵御自然风险和市场风险。2012年以来，埇桥区创建以“农业企业为龙头，家庭农场为基础，农民合作社为纽带”的现代农业产业化联合体，把单个的农业经营主体联结成利益共同体和产业化链条，形成具有综合竞争力的“农业航母”，在融合发展中取得“1+1+1＞3”的聚变效应。

以上模拟结果都是基于城镇街道，且街道两边建筑物高度为20 m。本小节将针对障碍物(街道建筑物)对泄漏扩散的影响进行分析。假定管道压力P=0.8 MPa，管径D=0.8 m，泄漏孔径d=0.3 m，分别模拟无建筑物、5 m建筑物和15 m建筑物三种环境下的燃气泄漏扩散情况。图7表示为不同障碍物高度甲烷浓度分布图。

g：重力加速度，m/s2

(3) 能量方程[8]

本节研究在无风的情况下，天然气进行连续泄漏扩散，对其形成的危险区域进行分析，仍选择管道压力P=0.8 MPa，管径D=0.8 m，泄漏孔径d=0.3 m的城镇天然气管道进行模拟。图8为无风条件下天然气管道连续泄漏扩散后形成的甲烷危险区域图。

1) 本文从各评价因素的数据本身出发，由计算机选取了评价因素，避免了评价者人为评价的主观性，同时本文所得到的核属性符合大众对这一问题的认知，也验证了该方法的可行性。

 

 

(3)

Sh：化学反应热和其他体积热源；

Jj′：组分j′的扩散通量；

hj′：组分j′的焓

式中 keff：有效导热系数，keff=kt+k；

可以看出，APT原矿和APT-Na的XRD谱图均主要显示了坡缕石（palygorskite, JCPDS 31-0783）、白云石（dolomite, JCPDS 36-0426）和石英（quartz,JCPDS 46-1045）的特征衍射峰。随着碳酸钠浓度的增大，这三种物相的衍射峰强度未见明显变化。这表明，钠化未对凹凸棒石的晶体结构产生显著影响。

1.2 问题描述

本文以某城镇天然气管道泄漏为例，如图1所示，街道宽24 m，街道两边为建筑物，建筑物高20 m，天然气管道敷设在人行道下方，距地面0.7 m，距右侧建筑物(可视为障碍物)2 m。天然气管道压力P=0.8 MPa，管径D=0.8 m，泄漏孔径d=0.3 m，设定天然气中CH4体积分数为97.5%，H2S体积分数为2.5%。大气环境密度为1.225 kg/m3，环境温度为300 K。

  

图1 某城镇天然气管道示意图

  

图2 天然气管道泄漏扩散模型示意图

1.3 网格划分及边界条件

根据前边所描述的问题，利用GAMBIT建立简化模型，如图2和图3所示。泄漏模拟的工况不同，会导致泄漏量和扩散速率也不相同，从而对泄漏模拟结果有很大的影响，所以应根据具体情况建立不同的模型并划分网格，这样才能得到较为准确的结果

  

图3 模型网格划分及入口局部放大图

2 数值模拟及结果分析

2.1 泄漏时间对泄漏扩散的影响

以管道压力P=0.8 MPa，管径D=0.8 m，泄漏孔径d=0.3 m为例，现取泄漏空间内五个观测点(如图4所示)，分析研究各观测点浓度随时间变化规律，图5为各观测点甲烷浓度随时间变化曲线图。

分析图4和图5可以得出，泄漏初期，各观测点天然气浓度随时间变化幅度很大，但当泄漏进行到300 s左右时，各观测点天然气浓度都趋于稳定，不再随时间发生变化，而且各观测点浓度达到稳定的路径差别很大。这主要是因为在天然气泄漏扩散进行的过程中，右侧建筑物对天然气的扩散和浓度分布产生了较大影响。

  

图4 观测点位置示意图

  

图5 各观测点甲烷浓度随时间变化曲线图

2.2 泄漏孔径对泄漏扩散的影响

由图6可以看出，当泄露孔径为0.1 m时，甲烷浓度等值线比较密集，天然气在空气中的扩散范围比较小；当泄露孔径较大为0.4 m时，可看出等值线变化较大，扩散范围较大。泄漏孔径的大小会直接影响天然气的泄漏速率，从而影响天然气的扩散范围。泄漏孔径越大，则泄漏速率越大，因此甲烷泄漏扩散范围越大，危险区域也会增大[5]。在实际工程中，加强埋地燃气管道的管理和保护，以尽量避免或减小泄漏孔径是相对来说比较直观的预防管道事故发生的较有效措施。

《中西医结合心血管病杂志》杂志来稿内容应遵循本刊稿约要求和各栏目说明，除内容要求以外，特提醒作者注意以下情况。

模拟管道压力P=0.8 MPa，管径D=0.8 m，分别对泄漏孔径为0.1 m、0.2 m和0.4 m三种工况下的天然气泄露扩散的浓度分布情况进行模拟。如图6所示。

2.3 障碍物高度对泄漏扩散的影响

p：绝对压力，Pa；

分析图7可以得出，当扩散区域内没有建筑物(即障碍物高度为0 m)时，泄漏口射流甲烷浓度以泄漏口为中心轴对称分布；当扩散区域有建筑物(障碍物高度5 m和15 m)时，天然气泄漏扩散受障碍物影响较大，而且在泄漏口和障碍物间出现了天然气涡流区，当障碍物高度为5 m时，涡流高度2 m；障碍物高度为15 m时，涡流高度为2.4 m。所以障碍物高度越高，涡流区范围就越大。同时，障碍物会使天然气扩散发生偏移，射流轴线偏向障碍物，而且天然气扩散会沿着障碍物壁面向上移动，从而使天然气的射流高度增加，导致扩散范围增大。

（57）刺边合叶苔 Scapania ciliata Sande Lac.杨志平（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

3 危险区域分析

随着公司全球化、国际化进程的推进，中国联塑已拥有逾30家控股子公司，25个生产基地，分布于全国15个省份及加拿大和美国（加利福利亚科罗纳），形成了覆盖全国、辐射全球的生产基地和销售网络，能够及时、高效地为客户提供产品和服务。

  

图6 不同泄漏孔径泄漏甲烷浓度分布图

红色区域表示φ(CH4)>15%浓度范围，黄色区域代表5%<φ(CH4)<15%，绿色区域代表1%<φ(CH4)<5%，φ(CH4)表示甲烷气体的体积分数。黄色区域为爆炸区域，属于危险区域，因此需要在绿色区域的边缘(即φ(CH4)=1%)设置警戒带。

从图9中可以看出，甲烷处于危险浓度范围的区域主要在建筑物上空，其主要因为以下几个原因：

(1) 天然气管道内有一定压力，所以天然气从管道射流出来具有较大的初速度，高速气流带动气体向上运动，泄漏口附近甲烷扩散作用很弱；

(2) 随着射流高度的增加，天然气速度逐渐降低，扩散作用逐渐增强，但由于气流速度和障碍物的影响，甲烷的扩散并不明显；

(3) 当直射流达到建筑物顶部，射流速度已经衰减到很小，动能逐渐减小，甲烷只能依靠浮力作用向上扩散，此时，建筑物已对天然气的扩散没有影响，甲烷在空气中自由扩散。

  

图7 不同障碍物高度下的甲烷浓度分布图

天然气泄漏后在高空的爆炸范围对居民的危害不大，若及时切断上游阀门，上空的天然气很快就能扩散到大气中；相反，街道区域(两建筑之间)若发生泄漏则会产生较大的危害，泄漏发生后应及时的疏散人群。

4 结论

(1) 泄露时间、泄露孔径和障碍物都会对天然气的泄露扩散范围和浓度造成一定影响，其中泄露孔径的大小对天然气扩散形成的危险区域影响最大，泄漏孔径越大，则甲烷泄漏扩散范围越大，危险区域也会越大。

以上两个例子都是对参加高考的考生的鼓励，并不是心灵鸡汤式的励志豪言，仅仅通过“确认过眼神X”构式来表达，这样的表达似乎更加贴心，由此可见该构式的语用价值。

(2) 天然气发生泄漏时，在没有障碍物的情况下，天然气浓度分布按泄漏口中心轴线呈对称；在有障碍物时，障碍物对天然气泄漏扩散会造成较大影响，但扩散区域的天然气浓度会随着泄漏事件达到稳定状态。

(3) 在无风稳态持续泄漏下，甲烷浓度危险区域主要集中在建筑物上方，地面的扩散作用很小，应该及时设立隔离带并切断上有阀门，以保证不会发生危险事故。

  

图8 甲烷危险区域分布

  

图9 街道区域内甲烷危险区域分布

参考文献：

[1] 李想.天然气输送管道的腐蚀与保护探讨[J].当代化工研究,2017(2):1-2.

[2] 王婷.天然气场站泄漏扩散事故危害评价[D].北京建筑大学,2017.

[3] 李朝阳，马贵阳，徐柳.架空及埋地天然气管道泄漏扩散数值研究[J].中国安全生产技术，2011,7(7)：66-69.

[4] 张辅仁，杨佳玲，阚正武.建筑群外空间城市燃气泄漏扩散浓度场模拟[J].天然气工业,2013,33(4):114-119.

[5] 付建民，赵洪翔，陈明国.裂口几何形体对输气管道小孔泄漏的影响[J].天然气工业,2014,34(11):128-133.

[6] 张贺，马贵阳. 建筑物条件下埋地天然气管道泄漏扩散数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2018，38(2)：33-39.

[7] 陈宇，马贵阳.障碍物形状对含硫天然气管道泄漏扩散影响的数值模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2017，37(6)：19-24.

[8] 赵然.城镇燃气管道泄漏扩散模型及数值模拟[J].化工设计通讯，2017，43(10)：166.