第1章 绪论
1.1 论文研究背景
1.1.1 天然气行业发展现状
随着工业产业的不断发展，自进入 21 世纪以来，国内外空气质量问题日益明显，全球气温上升，因北半球雪域不断减少导致海平面逐步上升。为了阻止温度继续上升，需要控制二氧化碳的排放，特别是减少高碳化石燃料的消耗。天然气中碳与氢的比例为1：4，相同热值下的二氧化碳排放量比煤少 43%，比石油少 28%。同等热值下二氧化硫的排放量天然气比煤炭少 99.6%，比石油少 99.4%。使用天然气没有粉尘和硫化物，对空气污染更小，将逐渐成为 21 世纪的主要燃料。
如下图 1-1 所示，全球天然气消费量在 09 年金融危机的打击下极速下降约 2.52 个百分点，10 年经济回暖后开始逐渐稳步上升，每年增长量约为两个百分点，与此同时，全球各地的天然气产量仍高于消费量。截至 17 年，全球天然气产出量为 36032 亿 m3，同比增长约 1.5 个百分点；消费量为 35961 亿 m3，同比增长约 1.5 个百分点，占全球一次能源消费量的 24.1%。随着非常规天然气开采技术（例如页岩气和可燃冰）的逐步成熟，未来全球天然气的增长将继续。
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1.2 国内外研究现状
因天然气泄漏造成的危害十分严重，早在上世纪五十年代就已经有研究学者开始研究探讨管道气体泄漏扩散的特性，并加以实验验证。根据目前天然气管道安装位置类型不同，可分为三大类：一是管道敷设在空气环境中的架空天然气管道，研究学者主要分析了天然气在空气中泄漏扩散的特性；二是管道敷设在空气环境中但在有限空间内的天然气管道，其扩散特性与在空气中扩散特性基本一致，但需要增加考虑浓度检测设置等内容；三是管道敷设在土壤层内的埋地天然气管道，研究学者需增加对土壤环境的研究才能更加清晰准确的分析天然气扩散过程。
1.2.1 对架空天然气管道泄漏的研究现状
对于天然气在空气中扩散的研究，国外研究学者在 20 世纪中期已经研究出多个较为成熟的气体扩散模型，如表 1-3 所示。利用统计学理论中的 Gaussian 模型建立气体泄漏扩散高斯模型，是其中一种常用的气体扩散模型[8]。根据气体泄漏时长不同，高斯模型分为可用于连续泄漏情况的烟羽模型和可用于瞬时泄漏情况的烟团模型[9]。研究学者在研究重气扩散时，根据实验数据绘制计算图表来确立的模型为唯象（BM）模型，该模型计算量较少，但精度一般[10]。结合统计学概念和湍流扩散理论而成的 Sutton 模型[11]适用于两种气体相对速度较低条件下的扩散过程。高斯模型和 Sutton 模型因未考虑管道气体泄漏时的喷射速度和气体自身重力因素，计算时会经常出现错误[12]。二十世纪末期，学者 S.T.Chan[13]等人利用计算机建立一系列三维模型，用于描述重气泄漏过程，并多次实验验证模型的准确性，该模型称为 FEM3 模型。
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第2章 北京 A 地区埋地天然气管道泄漏事件调研分析
2.1 北京 A 地区燃气公司运行所管道泄漏事件统计
北京 A 地区燃气公司运行所辖区内现有中、低压燃气管线 1585 公里，根据该运行所燃气管网泄漏事件数据统计，2012 年至 2016 年期间，发生管道漏气事件 369 起，因第三方外力破坏造成的管道泄漏事件 47 起，占比 12.7%；由于腐蚀造成的管道泄漏 253起，占比 68.6%；地面塌陷造成的管道泄漏 34 起，占比 9.2%；自然损坏及其他原因造成的管道泄漏 35 起，占比 9.5%，统计结果如表 2-1 所示。由此可见，第三方外力破坏和管道的腐蚀破损是管道泄漏事件多发的主要原因。
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2.2 第三方外力破坏造成的燃气管道泄漏事件
2.2.1 埋地天然气管道第三方施工破坏案例分析
北京 A 地区人口密集，地下管线错综复杂，各类管道、基建设施施工若不及时与驻地单位联系极易造成管道施工破坏，且破坏后影响范围广，造成事故情况严重。
该运行所第三方外力破坏事件统计中显示，2014 年 5 月 3 日 A 地区东某家园埋地DE200 塑料管道被园区内某施工单位外力破坏，造成 DE200 塑料管道撕裂破损，晚间用气高峰时段 135 户用户停气，如图 2-2。事件原因是施工方在未确认周边地下管线情况时冒然使用挖掘机进行树坑挖掘，导致事件发生，且施工日期为法定节假日，在工作日管线巡查时未发现施工迹象。
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第 3 章 土壤中天然气泄漏扩散理论分析 ............................... 25
3.1 多孔介质基本理论 .......................... 25
3.1.1 多孔介质 ................................. 25
3.1.2 饱和多孔介质与非饱和多孔介质 ................................... 26
第 4 章 埋地低压天然气管道泄漏扩散模拟 ............................................... 44
4.1 计算流体动力学（CFD）简介 .................................... 44
4.2 模拟软件选用介绍 ............................................ 45
4.2.1 CFD 前处理 .................................... 45
4.2.2 CFD 求解器 ............................... 45
第 5 章 埋地低压天然气管道泄漏扩散模拟结果分析 ............................... 63
5.1 埋地低压天然气管道泄漏扩散影响因素分析 ........................ 63
5.2 管道泄漏孔对泄漏扩散的影响 ........................ 63
第5章 埋地低压天然气管道泄漏扩散模拟结果分析
5.1 埋地低压天然气管道泄漏扩散影响因素分析
埋地低压天然气管道泄漏无法提前预知，并且难以判断泄漏点位置。因此本文对其泄漏过程进行研究分析，旨在为降低抢修难度，保障国民人身及财产安全提出一定建议。埋地天然气管道泄漏在土壤—空气中扩散一般受土壤环境因素、大气环境因素及管道自身性质影响，图 5-1 列举的为主要影响因素。
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第6章 结论与展望
6.1 结论
天然气是清洁能源之一，是北京地区重要发展的对象。随着城市管网数量的不断增多，管网运营安全问题日益凸显。为缓解管网运营单位管理压力，本文主要研究低压埋地天然气管道泄漏扩散特性，为管网运营单位提供一定的参考。但因天然气易燃、易爆炸的特性，实际管道埋地泄漏实验操作难且具有一定的危险性，故本文采用 CFD 技术建立模型对天然气在土壤-空气中的泄漏扩散过程进行模拟研究。
本文模拟采用 CAD 软件进行 2D 建模，Meshing 软件进行网格划分，FLUENT 软件进行数值模拟并计算结果，通过设置泄漏孔径、土壤含水率和管道埋深这三个单一变量来监测甲烷泄漏扩散浓度分布变化、甲烷浓度的空间分布图及固定监测点浓度曲线图等。通过对比分析得到以下结论：
（1）天然气（甲烷）在土壤-空气区域扩散可分为三个阶段：快速增长阶段、轻度下降阶段和稳定阶段。因北京地区天然气甲烷含量可达 94%～98%，所以模拟时将天然气看作单纯含有甲烷。
（2）在单一影响条件为泄漏孔径大小时，泄漏孔径越大，甲烷扩散速度越快，到达浓度峰值越早；在同时刻同监测点下，泄漏孔径越大，甲烷浓度含量越大。
（3）在单一影响条件为土壤含水率时，土壤为干土壤，甲烷扩散速度及浓度远远大于土壤含水扩散情况，且含水量越大，甲烷扩散越慢，浓度含量越低。对比第三章北京某地区管道泄漏事件季节影响分析表，可发现在夏秋雨季时节，管道泄漏事件发现的次数小于春冬季节。但是这不代表地下管道未发生泄漏情况，所以建议管道运行管理单位在雨季过后应加强巡检力度，防止不可控事件发生。
（4）在单一影响条件为管道埋深时，当管道埋深越浅，甲烷沿 Y 轴方向（纵向）扩散速度及浓度远远大于 X 轴方向（水平方向），换句话说就是更容易扩散出地面，被人们察觉。
参考文献（略）