張 哲

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

甲烷罐區(qū)泄漏的數(shù)值分析

張 哲*

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

采用CFD計算軟件FLUENT在不同條件下對甲烷泄漏擴散過程進行模擬，以確定甲烷泄漏過程中的形態(tài)和預(yù)防機制，研究分析氣體泄漏擴散后濃度的分布，并對模擬結(jié)果進行分析討論，總結(jié)氣體泄漏擴散的一般規(guī)律。

甲烷 泄漏 數(shù)值分析

在化工過程工業(yè)及相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)、儲存和運輸過程中，易燃、易爆及有毒有害物質(zhì)經(jīng)常發(fā)生事故性泄漏。事故的發(fā)生不僅會導致巨大的經(jīng)濟損失，還可能導致災(zāi)難性的后果，事故現(xiàn)場及鄰近地區(qū)人員的生命與財產(chǎn)都將遭受巨大損失和危害，尤其是對生態(tài)環(huán)境的不可逆性損害將無法挽回[1]。儲氣罐80%以上的事故起因于介質(zhì)泄漏。傳統(tǒng)石油化工領(lǐng)域，關(guān)于泄漏的模擬和仿真計算大多是基于經(jīng)驗公式，計算誤差較大[2]。FLUENT流體計算軟件，針對所研究的特定空間進行建模和網(wǎng)格劃分，根據(jù)質(zhì)量守恒、動能守恒和動量守恒等理論進行較準確的模擬仿真和圖形圖像顯示[3]。這對于數(shù)字化分析現(xiàn)場各種因素、進行安全評估、確定危險區(qū)域、制定搶救措施和事故救援都具有重要的指導作用[4]。

本文針對甲烷這種典型的工業(yè)易燃易爆物質(zhì)泄漏擴散事故，結(jié)合實際的工業(yè)生產(chǎn)情況，實際的地理、氣象條件，利用流體力學、傳質(zhì)學的基本知識，對泄漏物質(zhì)的泄漏、擴散行為進行簡化，建立適用和適當?shù)男孤U散模型，利用FLUENT軟件進行開敞空間甲烷擴散的數(shù)值模擬，研究甲烷泄漏速度、風速、泄漏位置等因素對其擴散過程的影響。在大量數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)分析得到甲烷在擴散過程中的分布規(guī)律。

1 氣體泄漏擴散研究的主要方法

1.1 實測研究

這種方法結(jié)果比較客觀，能反映有毒有害氣體泄漏擴散后實際的流動及分布情況，但實驗過程耗時耗力，對測試人員和實驗研究人員要求較高，只能對有限的情況進行實驗研究。因?qū)嶋H情況比較復雜，具有很大的隨機性，很難通過實驗找到泄漏后形成的流場及濃度場的變化規(guī)律，并且不具有預(yù)測性。

1.2 風洞試驗

風洞試驗是比較可靠的測試方法。但是，實際有毒有害氣體的擴散受到多方面的因素限制，用風洞試驗的方法難以一一對其進行研究。另外，風洞試驗的代價非常昂貴，周期也較長，這給實際應(yīng)用帶來較大的困難。

1.3 計算機數(shù)值模擬計算

隨著計算機技術(shù)和數(shù)值算法的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究該課題的一種有力工具。計算機數(shù)值模擬是在計算機上對有毒有害氣體泄漏的動力學方程進行數(shù)值求解，從而仿真實際的擴散過程。由于近年來計算機運算速度和存儲能力的提高，對于一些大型的、復雜的問題可以在較短的周期(一般20～50天)內(nèi)完成數(shù)值模擬，并且可以借助計算機圖形學技術(shù)將模擬結(jié)果直觀形象地顯示出來，易于理解。同時，由于計算機模擬不受實際條件的限制，只要在計算機程序中改變相應(yīng)的條件，就可以對各種情況進行模擬，獲得詳盡信息。

當然，數(shù)值模擬方法最大的缺陷在于其可靠性，即仿真結(jié)果的可信度，這可以通過先驗性的研究解決，即對同類問題采用合適的數(shù)學物理模型進行模擬，設(shè)計簡易風洞，進行風洞擴散試驗，然后將模型計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較，來驗證模型的合理性。然后將經(jīng)過驗證的程序用于類似的擴散模擬，從而保證模擬結(jié)果的可靠性[5]。

2 FLUENT的甲烷泄漏擴散的數(shù)值模擬

2.1 FLUENT軟件簡介

FLUENT軟件是目前國際上最流行的商業(yè)計算流體力學軟件，其最大的特點是可以模擬復雜幾何流域和流動的熱傳導。FLUENT用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理復雜的幾何外形，因此網(wǎng)格生成能力很強，甚至可以在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對網(wǎng)格進行細化和放粗。

FLUENT軟件包括兩種數(shù)值解算器：壓力與速度分離的解算器(對不可壓縮流體和低馬赫數(shù)流動的情況)、壓力與速度耦合解算器(對高馬赫數(shù)可壓縮流體，包含浮力和旋轉(zhuǎn)的流動)。這兩種解算器都求解積分控制方程，包括質(zhì)量守恒方程，動量守恒方程，能量方程和湍流方程，所用方法為有限體積法。

2.2 甲烷泄漏擴散的計算模型

2.2.1 甲烷擴散過程模擬模型的基本假設(shè)

對氣體泄漏擴散過程進行完全的數(shù)學模擬是非常困難的。為了便于對甲烷的泄漏擴散進行數(shù)值模擬,特作如下基本假設(shè)和簡化：

(1)泄漏時泄漏面積和泄漏速度不隨時間變化。

(2)泄漏氣體與空氣完全作為理想氣體。

(3)在擴散過程中,不發(fā)生化學反應(yīng)和相變反應(yīng)。

(4)風向為水平方向不隨時間、地點和高度變化。

(5)與外界無熱量交換。

2.2.2 甲烷泄漏擴散過程的數(shù)學模型

對低度特征污染物的遷移、擴散進行計算機模擬采用的基本控制方程為連續(xù)方程、動量方程、能量方程、狀態(tài)方程和本構(gòu)方程。污染物泄漏遷移、擴散過程中，其流動規(guī)律遵循機械運動普遍適用的守恒方程：質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒。由此可以推導出甲烷泄漏擴散基本方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

組分輸送方程：

(4)

其中，

2.2.3 湍流模型的選擇

本文采用標準的k-ε模型，它是基于湍動能k和湍動耗散率ε的半經(jīng)驗公式。k方程是個精確方程，ε方程是個由經(jīng)驗公式導出的方程。

湍動能k方程和湍動耗散率ε方程的輸運方程：

+Gk+Gb-ρε-YM-Sk

(5)

(6)

式中，Gk為平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為在可壓縮湍流中，脈動擴散產(chǎn)生的波動；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σk和σε為湍動能k方程和湍動耗散率ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶定義；湍流粘度為常量。常量分別取值：C1ε取1.44；C2ε取1.92；C3ε取0.09；σk取1.3；σε取1.0。

2.3 基于FLUENT的甲烷泄漏擴散的數(shù)值模擬

2.3.1 幾何模型的建立

以某化工廠天然氣儲罐泄漏為例說明。利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立甲烷儲罐的幾何模型，計算域的大小為：100m×50m×50m，球罐直徑D=9m，幾何模型見圖1。

2.3.2 初始及邊界條件的設(shè)定

GAMBIT和FLUENT相結(jié)合給定初始及邊界條件，泄漏口給壓力入口條件，罐壁和地面設(shè)為固壁

圖1 甲烷罐區(qū)泄漏幾何模型

條件，靜壁、無滑移；X=0m面為自然風入口，設(shè)為速度入口條件，風力速度范圍1～10m/s；其余四面設(shè)為壓力出口條件。邊界條件模型見圖2。

圖2 邊界條件模型

選用隱式分離求解器進行定常計算，動量、湍動能、湍動耗散率的離散格式選用一階迎風格式，應(yīng)用壓力速度耦合的SIMPLE算法，以連續(xù)性方程來聯(lián)系速度場與壓力場，互相校正，采用目前工程上使用最為廣泛的標準壓力修訂方程進行求解。

2.3.3開放空間中的甲烷泄漏擴散模擬

甲烷在開敞空間中的氣云擴散受到包括地形，地表面粗糙度，太陽輻射，自然風速，泄漏壓力，泄漏高度，泄漏位置，泄漏點大小等各種因素的影響，本文著重針對在沒有存在障礙物的平坦的地形下對自然風速、泄漏壓力、泄漏位置及泄漏點大小這幾種影響因素進行模擬分析：

(1)自然風速

工況1為：自然風速為3m/s；泄漏點直徑為0.1m；泄漏壓力為10MPa；泄漏點位置在頂部。

工況2為：自然風速為10m/s；泄漏點直徑為0.1m；泄漏壓力為10MPa；泄漏點位置在頂部。

當泄漏時間為1.8s，自然風速分別為3m/s、10m/s時甲烷氣云的濃度分布情況分別見圖3和圖4。

圖3 自然風速為3m/s時甲烷濃度云圖

圖4 自然風速為10m/s時甲烷濃度云圖

由圖3和圖4可見，在風速很小(如：3m/s)時，甲烷氣云在下風方向上擴散的距離不是很遠，此時氣云在下風向上擴散的主要動力是自然風，隨著風速的增加，風速的影響會加劇空氣和甲烷之間的傳熱和傳質(zhì)，使得甲烷的擴散加劇，此時甲烷氣云在下風方向擴散的距離會隨著風速的增加而增加，同時大氣的湍流程度也在增大，湍流程度越大，甲烷氣云與周圍大氣的混合就越快，越容易被稀釋。

(2)泄漏位置及泄漏點

工況1為：自然風速為3m/s；泄漏點直徑為0.1m；泄漏壓力為10MPa；泄漏位置在儲罐中部。

工況2為：自然風速為3m/s；泄漏點直徑為0.3m；泄漏壓力為10MPa；泄漏位置在儲罐中部。

當泄漏時間為1.8s，泄漏點直徑分別為0.1m，0.3m時甲烷氣云的濃度分布情況分別見圖5和圖6。

由圖5和圖6可見，泄漏點的直徑不同，氣云的擴散形態(tài)完全不同。當泄漏點很小時，氣云的擴散受外界氣象條件影響較大，由于甲烷密度比空氣輕，所以在整個擴散過程中受到空氣浮力和風速的共同影響，氣云向上運動的趨勢明顯。而當泄漏點擴大，泄漏壓力不變的情況下，泄漏量增大，動量也增加，所以受到空氣浮力的影響很小，擴散過程貼近地面，所以在貼近地面搶修操作時，動火是很危險的。由此也可引申到其他有毒有害氣體，例如氯氣在這種情況下泄漏時，地面的搶修人員一定要戴防毒面具，避免受到傷害。

圖5 泄漏點直徑為0.1m甲烷濃度云圖

圖6 泄漏點直徑為0.3m甲烷濃度云圖

(3)泄漏壓力

工況1為：自然風速為3m/s；泄漏點直徑為0.1m；泄漏壓力為10MPa；泄漏位置在儲罐中部。

工況2為：自然風速為3m/s；泄漏點直徑為0.1m；泄漏壓力為5MPa；泄漏點位置在儲罐中部。

當泄漏時間為1.8s，泄漏壓力分別為10MPa、5MPa時甲烷氣云的濃度分布情況分別見圖7和圖8。

圖7 泄漏壓力為10MPa甲烷濃度云圖

由圖7和圖8可見，泄漏壓力不同，氣云的擴散形態(tài)完全不同。與泄漏點直徑變化的情況相似，泄漏壓力越小，整個擴散過程中受到空氣浮力和風速的影響越大，氣云向上運動的趨勢越明顯。泄漏壓力越大，受到空氣浮力的影響很小，擴散過程越貼近地面。而且由濃度云圖還可看出，下風向的兩個儲罐對泄漏罐區(qū)形成了障礙，氣云將不易于向障礙物背風區(qū)域擴散，氣云從障礙物的兩側(cè)繞過去，且甲烷氣云的高度不是很高，障礙物間流場湍流程度較強，導致更多的甲烷滯留在兩個儲罐之間，且渦旋的增加使甲烷氣云的高度比單個儲罐泄漏時顯著增高。所以在布置時保證安全距離的同時，可適當增加此類儲罐的間距，有益于氣體的擴散。

圖8 泄漏壓力為5MPa甲烷濃度云圖

對于開敞空間中的平坦地形，沒有障礙物存在時的甲烷擴散，本文主要分析自然風速、泄漏壓力、泄漏位置及泄漏點大小等影響因素對氣云擴散及其分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)受噴射初始階段高壓的影響，甲烷密度與周圍空氣介質(zhì)密度相差較大，使得其所受的重力與浮力不平衡，整個射流和膨脹部分在初始階段稍有下沉趨勢，但繼續(xù)發(fā)展可見此趨勢減弱，氣團主要受浮力影響，但其在上浮過程中會受到靜止大氣對氣團的阻力。

(2)射流上半部分由于充分接觸大氣，氣流卷吸混合作用較射流下半部分強且迅速，造成上半部分氣體濃度、速度都低于下半部分。

(3)隨著泄漏點直徑的增加，泄漏量增大，動量也增大，氣云受空氣浮力和自然風速的影響減小，擴散過程貼近地面，容易給地面搶修人員造成危險。

(4)在風速一定的情況下，氣云隨著泄漏壓力的增大而增大，無論是長度還是寬度都隨之增加，但變化規(guī)律各不相同。泄漏的距離隨泄漏壓力增大而增加較快；泄漏的寬度始終隨泄漏速度增加。

(5)隨著泄漏高度的增加，氣云隨之升高，在下風向上擴散的距離會隨著自然風速的增加而增加。

(6)風速的影響會加劇空氣和甲烷之間的傳熱和傳質(zhì)，使得甲烷的擴散加劇。甲烷在擴散過程中，主風向的平流輸送作用占主導地位，風速越大，輸送作用越顯著。

(7)若泄漏罐區(qū)下風向有障礙物時，障礙物間流場湍流程度較強，導致更多的甲烷滯留在兩個儲罐之間，且渦旋的增加使甲烷氣云的高度比單個儲罐泄漏時顯著增高。

3 研究展望

由于計算機條件的限制和時間的倉促沒能進行更深的研究，此種研究方法還可以擴大到整個工廠三維模型的建立和泄漏事故的模擬[6]：

(1)可以通過計算揭示其泄漏過程的規(guī)律性,直觀表達泄漏發(fā)生的全過程以及不同時間和不同位置氣云的溫度、濃度、壓力等參數(shù)的變化情況,劃定危險區(qū)域范圍,從而為工廠危險源的規(guī)劃布局、消防設(shè)施的配置以及應(yīng)急方案的編制起到一定的指導作用。

(2)可為工廠初期選址、化工裝置平面布局等提供參考依據(jù),避免裝置之間、化工園區(qū)不同企業(yè)之間發(fā)生事故效應(yīng),提高選址、布局本質(zhì)安全。

(3)通過不同事故情景的設(shè)定和研究,對已經(jīng)建成投產(chǎn)的企業(yè)或化工園區(qū)進行定量風險評價(QRA)和安全規(guī)劃,協(xié)調(diào)企業(yè)和周邊單位關(guān)系,為進行安全整改提供依據(jù)。

(4)可以根據(jù)不同事故情景下的特定傷害程度和范圍提出更加合理的事故應(yīng)急處置措施方案,包括應(yīng)急處置不同區(qū)域劃分、呼吸器等應(yīng)急設(shè)備使用條件、應(yīng)急路線選擇等。

(5)可應(yīng)用于事故調(diào)查,目前許多化工廠泄漏爆炸事故沒能查明點火源,約占這類事故的23%[7]，可以通過不同位置可能著火點的設(shè)置進行不同爆炸模擬結(jié)果與實際爆炸效應(yīng)對比研究，推斷可能的著火點位置,進而確定事故的原因,提高爆炸事故調(diào)查工作的科學性和準確性。

4 結(jié)語

在給定的事故情景下，數(shù)值模擬研究結(jié)果主要包括地表地形、風向、風速、不同位置泄漏點等主要影響因素在內(nèi)的大氣擴散。通過模擬研究，不僅可為工廠初期選址、化工裝置平面布局等提供參考，將布局不合理、安全距離不足等隱患消除在初始階段，也可為化工裝置事故分析、事故應(yīng)急處置措施方案的制定等安全建設(shè)和整改提供依據(jù)。

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2016-11-16)

*張 哲：工程師。2009年畢業(yè)于北京化工大學化工機械專業(yè)獲碩士學位。從事工藝管道配管工作。聯(lián)系電話：(029)87988906， E-mail: zz2285@chinahualueng.com。