埋天然气管道泄漏扩散规律研究.docx

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埋天然气管道泄漏扩散规律研究

摘要

随着时代的发展，我国已建立起了密集的天然气管道网格系统，以应对人们日常的生活需求。

但因多种因素造成天然气管道破裂，从而引发的泄漏导致的安全事故同时也日益增多。

为此利用comsol软件对埋地天然气管道泄漏在土壤中的扩散情况进行模拟，探明各条件对扩散的影响，得到不同条件下地表最先达到一级警报浓度和爆炸下限的时间和位置，为布设合理检测点提供建议。

本实验通过comsol软件建立达西定律和多孔介质稀物质传递耦合的多物理场，构建天然气埋地管道泄漏扩散模型，通过调整不同参数变量得到如下结论：

孔隙率反应着土壤颗粒排列的密集程度，随着该数值提高，土壤质地变得疏松，从而加快了天然气的泄漏扩散速度。

饱和度即土壤中含水量的程度，随着含水量提升，天然气分子在扩散中增加了与水分子的碰撞，使其摩擦阻力提升，因此天然气扩散系数减小，导致天然气扩散速度减小。

随着埋地深度的增加，土壤堆积密度增加，背压增高，天然气扩散阻力增加且扩散至土壤表面距离增加，致使天然气扩散速度降低。

分层填筑土壤中天燃气扩散情况主要与填筑土地性质有关，即孔隙率，饱和度，压力等特点，在材质交界处存在延迟，扩散曲线有明显拐点。

不同情况下都在泄漏口垂直上面土壤表面最快达到警报浓度和爆炸下限，但时间各有所差别。

关键词：

天然气，埋地扩散，多孔介质，孔隙率，小孔泄漏

StudyontheLawofBuriedNaturalGasLeakageandDiffusion

Abstract

Withthedevelopmentofthetimes,Chinahasestablishedadensenaturalgaspipelinegridsystemtomeetpeople'sdailylifeneeds.However,duetovariousfactorscausingthenaturalgaspipelinetorupture,thenumberofsafetyaccidentscausedbyleaksisalsoincreasing.Tothisend,thecomsolsoftwarewasusedtosimulatethediffusionoftheburiednaturalgaspipelineleakageinthesoil,toexploretheeffectsofvariousconditionsonthediffusion,andtoobtainthetimeandlocationwherethegroundsurfacefirstreachedthefirst-levelalarmconcentrationandthelowerexplosionlimitunderdifferentconditions.Providereasonableinspectionpointstoprovideadvice.

Inthisexperiment,themultiphysicsfieldofDarcy’slawandthetransferofdilutesubstancesinporousmediawasestablishedbycomsolsoftware,andthemodelofleakageanddiffusionofburiednaturalgaspipelineswasconstructed.Byadjustingdifferentparametervariables,thefollowingconclusionswereobtained:

Withthedensityofsoilparticlesarranged,asthisvalueincreases,thesoiltexturebecomesloose,therebyacceleratingtherateofnaturalgasleakageanddiffusion.

Saturationisthedegreeofwatercontentinthesoil.Withtheincreaseofwatercontent,naturalgasmoleculesincreasethecollisionwithwatermoleculesduringdiffusion,sothattheirfrictionalresistanceincreases,sothenaturalgasdiffusioncoefficientdecreases,resultinginthenaturalgasdiffusionrateDecrease.

Withtheincreaseoftheburieddepth,thesoilbulkdensityincreases,thebackpressureincreases,thenaturalgasdiffusionresistanceincreasesandthediffusiondistancetothesoilsurfaceincreases,resultinginadecreaseinthenaturalgasdiffusionrate.

Diffusionofnaturalgasinlayeredfillsoilismainlyrelatedtothenatureofthefillland,thatis,porosity,saturation,pressureandothercharacteristics.Thereisadelayatthematerialinterface,andthediffusioncurvehasanobviousinflectionpoint.

Underdifferentcircumstances,thesoilsurfaceverticallyabovetheleakageportreachesthealarmconcentrationandthelowerexplosionlimitasquicklyaspossible,butthetimevaries.

KeyWords：

Naturalgas，burieddiffusion，porousmedia，porosity，smallporeleakage

1绪论

1.1课题研究背景与意义

近年来，随着石油价格的不断上涨，国际争端造成的持续石油危机，及石油，煤矿燃烧对生态社会产生的严重环境问题，寻找替代能源及能源的多样化已成为我国发展必须要面对的问题。

当今世界天然气储量丰富。

上世纪70年代探测出的天然气储存量已有60*10^12立方米。

随着人类科技水平的不断前进发展，技术关卡的重大突破及深海开采技术的突飞猛进。

到2017年末，全球天然气总量总共已探测到195.5万亿立方米天然气。

其中中国天然气探测到的总量达5.56万亿立方米，并同时拥有着31.8万亿立方米的最大页岩气储量。

国家能源局发布了《关于加快天然气利用的意见》报告以针对这种情况，并建议把天然气作为中国的主要能源之一。

据推测当2020年时，天然气将在一次能源的占比中达到10%，到2030年时更会进一步增长到15%。

随后在《天然气十三五计划》中国家进一步指出，到2020年，国内天然气产量将达到2070亿立方米，并且气化人口4.7亿人，总管道里程达10.4万公里。

表1天然气“十三五”规划

同时，天然气身具高效，节能的优点同时无污染，在世界上有着广阔的发展空间。

世界上天然气的开发利用也日新月异，近年来，我国原煤的比重已经达到在波动中持续下降，2018年降至最低69.3％.1976年稳步上升至24.8％的峰值后，原油所占比例逐渐下降至2018年的7.2％。

包括天然气，一次电和其他能源在内的能源继续增长，2018年天然气占5.5％。

世界一次能源结构中天然气的比例也在逐年增加，同时保持着强劲的增长趋势，据推算，在未来几十年中天然气很有可能取代石油成为世界领先的能源。

图1.1

（1）我国近年天然气储量趋势图

图1.1

（2）世界能源结构预测图

伴随天然气工业的迅速发展，我国已建成包括“西气东输管道系统”，“陕京天然气管道系统”等在内的数百个天然气管网系统。

但近年因多种因素影响，包括管道自身逐渐老化，城市浸涝，意外破坏等，造成了管道的损坏，从而导致天然气泄漏扩散到土壤及大气中。

因为天然气主要成分甲烷属于易燃易爆炸的气体，当燃气体积分数处于爆炸极限范围内时，如若有火源，便会发生爆炸。

公共场合包括生活小区，马路等地带均掩埋有天然气管道。

如果发生泄漏事故，很有可能造成不可估量的影响，更甚引起火灾和爆炸，则将带来巨大的财产损失，引发重大的人员伤亡状况。

目前学界已进行过多种不同角度的研究，针对了不同种条件下的扩散情况或对扩散影响因素的分析，为进一步综合探究各因素对扩散状况的影响及针对其进行有效的预防措施，因此对天然气管道泄漏扩散相关模型和规律进行研究，并对天然气扩散情况进行模拟，研究各因素对扩散情况的影响，从而得出合理的监测坐标，可有效减少因燃气泄漏扩散等引起的安全隐患和经济损失，具有非常重要的意义。

1.2课题研究现状

1.2.1埋地天然气管道实验研究

进行全尺度实验研究能够最大程度的准确还原天然气泄漏时在土壤内的扩散情况及特征，但因为整体实施较为困难，不仅实验成本高，同时天然气的特性更会大大增加操作的危险性，所以目前此类实验内容相对较少。

谢昱姝等人基于流体动力学原理及信号探测原理，搭造出一个长宽为4m，深度为2m的实验地以对天然气在土壤中的扩散情况做全尺度实验。

并在埋地深度0.8m的管道上钻出一个开口向上的半径为1mm的圆孔模拟泄漏口。

实验旨于研究中低压下城市管道因环境因素造成破损的泄漏情况，使用Gasclam系统实时测量监测点浓度随时间变化情况，监测点布置于垂直相隔0.4m，水平相隔0.5m的平行线上，实验数据表明浓度随时间的变化规律符合S型曲线规律，其将整体情况拟合成玻尔兹曼函数，但该函数只满足其本次实验情况，不能成为规范。

Brotzenberger和Pass建立了大尺度的模拟管道泄漏装置，研究得出饱和度是影响气体在土壤中扩散的重要因素，土壤中含水量量越低，越干燥，气体的扩散速度更大，到底爆炸下限浓度的速度更快。

Iwata等搭建了长宽为10m，高为3m的平台，在其中放入渗透壁，分析其对燃气扩散的作用。

随后Okamoto和Gomi在这项研究的基础上，展开了土壤分层实验，将材料按照城市道路建设规范依次填入为土壤，粘土，碎石块，沥青，在埋地深度1.2m处放入泄漏口，利用仪器测量得到浓度与时间的变化情况，得到稳定状态下

模型垂直正中截面的浓度分布图。

实验分析了Darcy定律和Fick定律在埋地天然气管道泄漏扩散实验中的普适性。

晏玉婷搭建了全尺度模型用于模拟不同泄漏流量及不同开口方向的扩散情况，发现流量的提升，与达到稳态的时间成反比，在模拟结束时监测点的浓度更高，地表相对于其他位置的扩散速度最快最容易达到稳态。

因为介质不均匀存在差异，不同方向上相同距离的浓度不同，管道上部的浓度场对开口方向相对敏感，除向下扩散外，其它扩散方向对管道下部浓度场仅会造成微弱影响。

大型实验需要调节的参数变量较多且同时难以控制其的变化，更多的学者通过利用比例收缩的实验设施来进行模拟，以便于控制变量，进行更细化的操作。

韩光洁建立的埋地管道扩散装置，测量了在物理性质不同的土壤中，不同泄漏口大小的泄漏量。

在将实验得到的数据与理论计算出的数据进行比照后，拟合出计算泄漏量的公式。

同时还得到了土壤物理性质的一些参数，通过进一步的研究计算，发现泄漏口的小孔大小对甲烷的扩散产生影响，当开口越大时，其扩散的范围也会显著提高。

Bettis和Fletche通过将含有不同多孔介质的材料装入一个长为2m，宽为0.8m，高为1.1m的小箱内，进行了甲烷在其内的扩散模拟。

将砂土采用不同边界条件来改造成柏油马路的设置，实验表明，背压及浮升力对甲烷在砂土中的扩散起着重要的作用，在地表附近，浮生力造成的变化更为明显，同时表层的覆盖物也会对气体的扩散产生影响。

Esposito等建造了一个0.35m高的沙箱安放了一条管道来模拟土壤中的气体扩散情况，同时用0.26cm高的风洞对大气进行模拟，通过二者结合起来的系统，分析甲烷于地下扩散是如何造成影响的。

学者利用不同性质的砂土对不同泄漏速度的气体进行模拟，结果表明，因为砂土的均质性和异质性，离沙箱表面10cm处的气体浓度变化比较大，但往上的变化比较小。

从浓度的大小可以计算出气体的泄漏速度，发现均质性是异质性的两倍。

Deepagoda等在风洞下安置了一个长为0.55m，宽为0.35m，高为0.1m的装有多孔介质的实验箱，使用天然气点源进行对甲烷泄漏的模拟，分析饱和度和多孔介质对分层掩埋情况下泄漏扩散的影响，同时对风速及温度调控进行实验。

实验表明，多孔介质对甲烷的扩散产生巨大影响，饱和度的程度多范围的影响着燃气扩散，同时发现温度对扩散的影响大于风速的推动作用。

由于模型尺度较小，横向范围内数据不足，在进行数值模拟时采用二维模型进一步的观察规律，在大规模泄漏领域的模型仍需要探索。

Pokhrel等搭建了砂土，肥料和其他混合物的多孔材料模型，模拟得到了不同条件下扩散系数的变化情况。

发现含水量对天然气在实验材料中的扩散有着显著影响。

在将模拟数据及理论模型数据对比后发现，在使用普适模型下，高孔隙率和低孔隙率的计算结果皆存在误差，前者相对偏高，后者相对偏低，通过本次实验完善了经验拟合公式用于对扩散系数的测量。

1.2.2埋地天然气管道模拟研究

因为天然气存在着易燃易爆炸的特性，如果直接使用天然气进行实体模拟不仅是一种高成本的实验，更会存在着极大的不确定性和危险性，在没有找到合适替代材料前，需要谨慎进行此类操作。

伴随着科技的进步，计算机性能得到了极大的提升，多种软件的开发，优化让研究人员可以采取数值模拟来进行对不同问题的探究。

唐保全等用Fick扩散定律通过使用不同模型计算得到泄漏量，对甲烷在土壤中的扩散基理及多种影响源进行评测，采用无量纲即量纲分析的方法对无限大区域的扩散方程进行求解，拟合出甲烷在土壤中泄漏扩散情况下的浓度表达式，进一步描述了甲烷在一维土壤环境下的扩散规律。

程淑娟同样采用此类方法，在三维环境下分析出了饱和度，不同性质土壤，泄漏孔径大小对甲烷扩散的影响。

FransjePraagman构建了二维的天然气埋地管道扩散模型，在进行完对均匀渗透率模型的模拟后，利用随机函数生成了不规范渗透率分布的数学模型，通过对二者最后得到的浓度场进行分析，发现两种模型中天然气最终的扩散范围类似，因此得出土壤的均匀性相对没有对扩散产生重大影响的结论。

在对实验结果进行分析后，发现含水量会对扩散产生消极作用，原因在于当含水量上升后，气体的扩散还会收到与水分子摩擦阻力的影响；泄漏口径的大小对泄漏区域的影响也相对较小，但土壤颗粒的半径大小与扩散区域有着正相关的关系。

杜美萍通过gambit和fluent软件建立了三维的物理模型进行仿真模拟，较为深入的对埋地天然气管道在土壤中的泄漏扩散情况进行了分析并对多种可能会对扩散产生影响的因素展开了定量研究。

孔隙率，泄漏口大小及管道压力都与扩散速度及扩散范围有着正相关的关系，泄漏口的形状也对扩散产生作用，其中三角形的泄漏口对扩散最为有利，其次为正方形，圆孔相对来说较为平缓；通过定量分析，进一步得到了泄漏量与压力，泄漏口大小和孔隙率大小的关系式；在对埋地深度进行探究时，发现在1.5m深度之上的埋管有着相似的扩散情况，而更深处的埋地则脱离实际因此没有研究价值，但是埋地管道越浅，其扩散到底地表的速度则更快，需要引起重视。

赵悦瑛对造成天然气管道腐蚀的多种因素进行介绍后，通过天然气网公司公开的数据运用matlab软件进行了数据处理，得到了甲烷三维扩散的浓度区域情况，分析了地表不同覆盖物，泄漏孔朝向和管道压力所造成的扩散情况的变化，得到如下结论。

绿植覆盖物下的泄漏扩散会在地表处达到较高值而在土壤内部相对浓度较小，沥青覆盖物下则有相反的表现。

原因在于绿植层孔隙率较大，为气体扩散提供了便利条件，而由于沥青的物理性质则会阻碍气体离开土壤，造成在土壤内部聚集；当泄漏口位置为侧方时，因为甲烷泄漏具有一定的初始速度，另外还会受到压力梯度的影响，如此造成泄漏口背侧浓度扩散会慢于正侧速度，且范围相对较小；比较低压与中压管道的扩散情况，中压管道中甲烷的初始速度更大，从而导致会有更大的泄漏扩散范围，因此发生中压管道泄漏时，当迅速转换备用管道，并打开周围阀门，以减少局部汇集量。

蒋永清等人依仿实际工况中经常采用的分层掩埋式结构，采用fluent软件和RNS模型中的双方程模型k-ε模型，对甲烷在分层土壤内的流动扩散情况进行了仿真。

根据模拟结果将浓度场分为了高，中，低三个范围，发现当气体通过分层时会存在短暂延迟现象，气体扩散曲线会有明显拐点，不同区域内扩散情况不同，分析结果是因分层材料物理性质不同所导致。

1.2.3气体在多孔介质中扩散实验研究

当管道发生泄漏时，天然气气体通过土壤向大气中扩散，而土壤作为一种代表性的多孔介质，故可以采用类似性质的材料来进行仿真以便于操作。

天然气在土壤中的迁移作为一个极为复杂的输运机制，其整个运动过程主要是以压力差为源进行的气体对流和浓度差为源进行的气体扩散，对流和扩散产生的影响视不同位置而定。

Fick扩散定律，ADM模型，Maxwell-Stefan模型，BFM模型和DGM模型等做为常见的被用于模拟气体在多孔介质中运动的模型被广大学者所接受。

经过越来越多的实验论证，发现Fick扩散定律在低渗透率的条件下会产生较大的误差，并且整个操作系统不能受到其他源的干扰，同时也只能进行二元混合组分的模拟；ADM模型综合了Fick扩散定律与达西定律中两种运动基理的表达，但没有展现两者所产生的链锁反应，对其余组分的影响；Kn扩散在整个输运基理中也非常重要，当Kn数超过阈值时，其对整个扩散起主导作用，而Maxwell-Stefan模型中却对这一点产生了忽视；BFM模型中存在着扩散气体的运动速度与孔隙介质速度相同的设想，但与实际情况并不相同；DGM模型是协调了不同输送基理，通过气体动力学验证得到的一种模型，通过实验模拟与实际工况最为匹配。

Solsvik和Jakobsen对Wilke-Bosanquet模型，DGM模型，Maxwell-Stefan模型进行了在质量平均速率及摩尔平均速率设想基础上的多元气体在多孔材料中扩散的推导。

通过对甲醇----二甲醚变化的不稳定状态利用有限差分计算，分析出不同组分分数，浓度，温度，速率，压力跟随时间的变化规律。

整个求解过程中采用方程耦合的形式将温度场和速度场耦合，并将模型规范为Fick扩散定律的形式，以便于对各量值求解。

最终发现，DGM模型与Maxwell-Stefan模型的计算数据较为接近，和其他模型有着一定误差。

杨益彪搭建了0.8m高，0.1m半径的圆柱体土柱模型对土质的气体渗透规律和甲烷氧化性在室内进行了实验，收集到随时间变化，各个位置的气体样本，对其进行了气相色谱的研究，同时还记录了压力跟随时间的变化规律。

张旭俊等也对类似问题展开实验，采用相同的土柱模型，发现体相扩散对组分分布在各区域的分布有着较大影响，即土壤渗透系数对其的影响，在调节组分比例后浓度分布也会产生变化。

Visscher等采用参数敏感度分析进行了甲烷于多孔介质内的氧化模拟后，通过对数据量化分析得到了饱和度和温度是影响甲烷土氧化关键因素的结论。

Kong等通过将DGM模型转换为包含Fick扩散定律的新模型，更形象的解释了不同组分在多孔材料中运输体量的方程表达。

该模型相对尘气模型对对流量进行了更为细致的整合，其中包含了占比很小的误差流量，随后进在燃料电池阳极的氧化实验并对扩散和对流两中流量比例进行了统计。

Sleep通过粉尘气体模型进行了在多孔材料中有机气体瞬态的传输模拟，对Fick扩散定律和DGM模型于有机混合气体中的一维流动做出对比。

实验结果显示当渗透率大于10-11m2时，两种模型的数据接近，但随着渗透率的递减，两种模型的偏差越来越大，其原因在于Kn扩散会对渗透率有着较大影响。

在学者对其他类别有机物进行二维层次的的仿真时有着相似的结论，比较物质在不同模型中的速率，发现DGM模型要低于Fick扩散定律。

Hibi等进行了土壤气相中多组分迁移的实验，将数据与尘气模型模拟进行了对比。

以对流扩散的方程形式改写DGM模型，通过推导单一组分在整个混合气体内的扩散系数及整体速度，分析出随着渗透率降低，Kn扩散的作用将会逐渐变弱。

Bertei等分析了多孔电极中尘气模型和Fick扩散定律对于气体传输的表达。

作者认为尘气模型中采取恒压来简化计算时不切实际的，同时Fick扩散定律中也存在着当使用Bosanquet形式时总流量不满足反应化学计量学，总摩尔分数不为1的缺陷，其并不能用于描述三元及以上的气体扩散情况。

Binning等进行了不饱和区黄铁矿氧化而导致的土壤内压力降低与空气形成对流及扩散的研究，搭建了多元气体于不饱和情况下稳态与非稳态的运输模型。

在稳态条件下，对流在总流量中占比主要取决于大气组成，土壤的大多物理性质可以忽略不计，但当渗透率更低时会形成更大的压力梯度；非稳态条件下，土壤的物理性质成为了决定性的因素，扩散流量远低于对流流量。

Wang等运用CPIM模型，BFM模型，DGM模型进行了多组分气体在稳态环境下对带有内部修复的固体氧化物燃料电池阳极传质的性能比较实验。

DGM模型虽然有着一定缺陷，但最终得到的数据符合正常范围，三种模型对于浓度场的分布较为一致。

孔隙率对于压差有一定影响，当忽略压差变化时，DGM模型的计算结果会产生较大变化，CPIM模型和BFM模型在有较大孔隙时简化所带来的影响相对较小。

1.2.4数值模拟软件

随着时代的发展，大量复杂困难的流体问题需要进行求解，这些问题基本都可以由多种方程组组合形式来在数学层次方面上进行表达，流体的运动状态通常以流速，浓度，密度，压力等物理参数来描述，在确立各种边界条件后，通过对方程组求解就可以得到相应的物理参数。

但通常线性的控制方程难以解决此类问题，因此于流体力学和计算机技术相结合而形成的计算流体力学随着计算机的飞速发展，成为了研究此类问题的重要手段。

CFD软件主要以前处理，求解器，后处理三模块组成。

前处理阶段负责几何模型的确立和网格的划分，求解器的作用在于确定控制方程，选择离散方法和数值计算方法，输入有关参数，后处理则是对压力场，浓度场，速度场等进行可视化处理。

它的核心思想是用离散点之间的关系来表达连续方程，将得到的实际结果顶代物理量。

CFD具有着低成本，便于优化的特点，不仅节省了时间，同时能对危险系数较大的实验进行替代，便于研究人员将精力用于探究物理问题本身。

目前被广大学着所使用的CFD软件包括CFX，Fluent，Comsol等。

CFX采用多种算法用于分析工业生产中出现的各种流动，Fluent采用Gambit前处理进行网格的生成，从用户群需求层次出发，使用多种离散方法和数值计算的组合形式以求能在速度，稳