بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از مهمترین عوامل انفجار در خطوط لوله گازی فشار قوی، پخش گاز در محیط در اثر حوادث حفاری میباشد. با توجه به فشار بالای خطوط انتقال گاز، شکاف ایجاد شده در اثر حفاری نادرست پیامدهای ناگواری را به همراه خواهد داشت.
در این مطالعه به بررسی و شبیهسازی نحوه انتشار گاز از شکاف ایجاد شده در خط لولهی انتقال گاز پرداخته میشود. شبیهسازی عددی بر اساس روش حجم محدود بوده و برای در نظر گرفتن آشفتگی جریان از مدل k-ε استفاده شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که گاز متان در فاصله زمانی کمتر از 6 ثانیه در محیط اطراف پخش میشود. پس از این فاصله زمانی، غلظت گاز متان در محدودهی اشتعال پذیری 5/3-15 - درصد مولی - قرار گرفته و شرایط لازم برای ایجاد انفجار در ناحیه مورد نظر بوجود میآید.
-1 مقدمه
استفاده از تانکرهای حامل سوخت، واگنهای مخصوص انتقال سوخت و خطوط لوله فشار قوی از مهترین روشهای انتقال گاز در اکثر نقاط جهان محسوب میشود. به دلیل قابلیت انتقال سوخت در حجمهای بسیار بالاتر، استفاده از خطوط لوله فشار قوی نسبت به دو روش دیگر از اهمیت بیشتری برخوردار میباشد. فشار کاری در خطوط انتقال گاز طبیعی بین 10 - 70 بار و قطر این خطوط در حدود 2 متر میباشد .[1] با توجه به میزان دبی گاز عبوری از این خطوط، انرژی ذخیره شده در خطوط انتقال گاز طبیعی به چندین هزار گیگاوات میرسد. بنابراین بروز کوچکترین حادثه، تبعات غیر قابل جبرانی را به همراه خواهد داشت.
امروزه استفاده از روش های عددی یکی از مناسبترین راهکارها برای پیشبینی رفتار سیالات در مسایل مختلف مهندسی میباشد.در صورت پیشبینی مناسب رفتار گاز پس از ایجاد شکاف در خطوط لوله و تدوین تمهیدات لازم میتوان شدت بروز عواقب ثانویه را کاهش داد. با توجه به اهمیت موضوع، تاکنون مطالعات مختلفی در زمینه پخش گاز از مخازن فشار بالا انجام شده است. بعنوان نمونه در سال 1984 بیرچ و همکاران [2] میزان دبی خروجی از یک مخزن فشار بالا را بصورت تحلیلی مورد بررسی قرار دادند.
نتایج این مطالعه نشان میدهد که میزان دبی خروجی از مخزنهای فشار بالا به شرایط محیط بستگی ندارد. در سال 2005 خو و همکاران [3] به شبیهسازی 3بعدی فرار گاز از یک مخزن فشار بالا در ابعاد محدود پرداختند. در این شبیهسازی از نرمافزارهای تجاری CFX و KIVA استفاده شده است. در مطالعات مشابهی [4-6] نحوه فرار گاز از مخازن تحت فشار در ابعاد کوچک مورد بررسی قرار گرفته است. در سال 2007 نیز ویلکنینگ [7] و بارالدی به بررسی حادثه انفجار از خطوط لوله کشور بلژیک پرداختند.
در بیشتر مطالعات انجام شده در این زمینه، فرار گاز از مخازن تحت فشار در ابعاد کوچک مورد بررسی قرار گرفته است. در مقالهی حاضر به بررسی نحوه پخش گاز در فضای آزاد و در ابعادی بزرگتر پرداخته میشود. در این مطالعه هدف بررسی و شبیهسازی نحوه نفوذ گاز متان از خطوط لوله به محیط اطراف آن میباشد. پس از شبیهسازی پخش گاز در محیط و با توجه به خواص شیمیایی گاز متان، نواحی اشتعالپذیر در محدودهی خط لوله مورد نظر شناسایی میشود.
-2 معرفی مساله و روش حل
-1-2 هندسه مساله
در این مطالعه نحوه پخش گاز متان از شکافی به عرض 20 سانتیمتر مورد بررسی قرار گرفته است. طول محدودهی مورد بررسی برابر با 240 متر و ارتفاع آن برابر با 80 متر میباشد. در شکل - 1 - ، هندسهی کلی مسالهی مورد نظر نشان داده شده است. در این شکل ناحیه فرار گاز در کنار تأسیسات مجاور به آن با ابعاد 30×20 - متر - نشان داده شده است.
شکل :1 هندسهکلی مسالهی مورد نظر
-2-2 معادلات حاکم
همانطور که اشاره شد، فشار کاری خطوط انتقال طبیعی بین 10 - 70 بار میباشد. بنابراین با توجه به اختلاف فشار خط لوله و محیط، در ناحیه شکاف لوله شاهد ایجاد شرایط بحرانی خواهیم بود. بعبارت دیگر، گاز متان با سرعت صوت از شکاف ایجاد شده به محیط تخلیه خواهد شد. در نتیجه، جریان حاکم بر این مساله بصورت تراکمپذیر و آشفته خواهد بود.
با توجه به نکات فوق، معادلات حاکم در این مساله، معادلهی پیوستگی گونه، معادله ناویر استوکس و معادله انرژی میباشند. برای ارتباط چگالی با فشار و دما نیز رفتار گاز متان بصورت گاز ایدهآل در نظر گرفته شده و معادله حالت گاز ایدهآل حل میگردد. معادلات اشاره شده به ترتیب در روابط - 1 - الی - 4 - ارائه شده است.
-3-2 مدل آشفتگی جریان
با توجه به سرعت بالای جت خروجی از خط لوله و عدد رینولدز حاکم بر مسئله، جریان آشفته در این مسئله حاکم خواهد بود. حال با توجه به نتایج مرجع [7]، برای مدلسازی مناسب پخش گاز در محیط و در نظر گرفتن آشفتگی جریان از مدل k-ε استاندارد استفاده شده است.
-4-2 روش حل عددی
شبیهسازی مسالهی مورد نظر با استفاده از روش حجم محدود انجام شده است.
