張海曦 李燁 邱稼儀

（1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司；2.西安交通大學(xué)人居學(xué)院）

長慶油田保障點建筑室外顆粒物污染預(yù)測

張海曦1李燁1邱稼儀2

（1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司；2.西安交通大學(xué)人居學(xué)院）

長慶油田的前線生產(chǎn)保障點建筑大多距離油氣生產(chǎn)區(qū)域較近；因此，附著有油氣田污染性廢氣的顆粒物有可能隨空氣流動進(jìn)入辦公區(qū)域，對工作人員的身體健康產(chǎn)生影響。為了保證油田保障點的室內(nèi)空氣質(zhì)量，采用計算流體動力學(xué)的方法對保障點建筑的室外顆粒物擴(kuò)散和分布情況進(jìn)行預(yù)測。以環(huán)江作業(yè)區(qū)保障點為例，建立了其建筑物的三維模型，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，模擬計算了以PM10為代表的污染性顆粒物對保障點建筑的污染情況。計算結(jié)果顯示，室外顆粒物對保障點建筑造成了嚴(yán)重污染。通過分析計算結(jié)果，對保障點建筑的顆粒物污染防治問題提出了若干建議，能夠改善保障點的室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑風(fēng)環(huán)境，降低室外顆粒物在建筑內(nèi)的濃度，保證工作人員的身體健康。對新建保障點的選址和已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的保障點的治理具有重要的參考價值。

室外顆粒物；計算流體動力學(xué)；空氣質(zhì)量；建筑環(huán)境

引言

長慶油田地處我國鄂爾多斯盆地，大部分一線生產(chǎn)單位氣候條件惡劣，使廣大基層員工有一個良好的工作和生活環(huán)境是油田公司穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的必要保證。我國西北地區(qū)最基本的環(huán)境特征是沙塵廣布和干旱[1]，空氣中可吸入顆粒物的含量明顯偏高。可吸入顆粒物是粒徑小于或等于10 μm的顆粒物（PM10），能夠長時間懸浮于空氣中，并伴隨呼吸作用進(jìn)入人體。流行病學(xué)的研究顯示，可吸入顆粒物對人體健康有著非常顯著的負(fù)面影響，可能引起多種呼吸系統(tǒng)疾病，甚至引發(fā)癌癥[2]。另外，原油的開采、處理和集輸?shù)倪^程中會發(fā)生跑冒滴漏現(xiàn)象，產(chǎn)生一些污染性氣體，包括烴類、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等[3]。這些對人體有害的污染性氣體在顆粒物的吸附作用下會附著于顆粒物表面[4]。盡管這些附著有污染性氣體的顆粒物主要產(chǎn)生于油氣生產(chǎn)區(qū)域，但長慶油田前線生產(chǎn)保障點大多距離生產(chǎn)區(qū)域較近。而相關(guān)研究表明，建筑附近的大氣顆粒物能夠隨著建筑通風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境中來源于室外大氣的顆粒物占比可以達(dá)到75%以上[5]。因此，有必要對長慶油田前線生產(chǎn)保障點附近的大氣顆粒物擴(kuò)散和分布情況進(jìn)行研究。

選擇長慶油田典型的前線生產(chǎn)保障點進(jìn)行研究，以長慶油田第七采油廠環(huán)江作業(yè)區(qū)前線生產(chǎn)保障點為例，該保障點周圍部署有油井并且與環(huán)江第一聯(lián)合站僅一墻之隔。環(huán)江油田第一聯(lián)合站于2010年建成投運，主要由集輸、加熱、消防、原油穩(wěn)定、采出水處理五大系統(tǒng)組成，日處理原油約1400m3，日外輸凈化油700m3，日處理采出水400 m3。在采油、集輸、加熱、消防、原油穩(wěn)定、采出水處理的過程中，井口揮發(fā)、儲罐“呼吸”及管線泄漏等原因都會產(chǎn)生污染性油田廢氣。

本文以作業(yè)區(qū)內(nèi)的綜合樓和宿舍樓為主要研究對象，采用計算流體動力學(xué)的方法，通過數(shù)值計算得出建筑物周圍PM10的擴(kuò)散及分布情況進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)結(jié)果提出了改善污染情況的建議。

1 數(shù)值計算模型

1.1 建筑概況

環(huán)江作業(yè)區(qū)前線生產(chǎn)保障點位于甘肅省環(huán)縣四合塬鄉(xiāng)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，分別對夏季工況和冬季工況進(jìn)行了模擬計算。氣象參數(shù)如下：夏季平均溫度約為25℃，平均風(fēng)速2.4 m/s，風(fēng)向西南偏南；冬季平均溫度約為-5℃，平均風(fēng)速2.2 m/s，風(fēng)向西北偏北。適當(dāng)簡化后的建筑模型如圖1所示，建筑區(qū)域的大小為100.6 m×90.6 m。主要研究對象為綜合樓（A）（長61.4 m×寬17.3 m×高15 m）和公寓樓（B）（長39.2 m×寬19.4 m×高7.5 m）。另外，參考COST Action 732[6]設(shè)置數(shù)值模擬的計算域，入口邊界、上空邊界和側(cè)面邊界的距離均取為5Hmax，出口邊界的距離取為12Hmax，其中Hmax為15 m。

圖1 建筑模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

常溫空氣可看作不可壓縮的黏性流體，低速湍流時，符合Boussinesq假設(shè)。因此，本文選取標(biāo)準(zhǔn)k—ε紊流模型[7]，采用SIMPLE算法對問題進(jìn)行模擬求解。

1）不可壓縮流體紊流時均流動的連續(xù)性方程：

式中：uˉi—— 時均速度，m/s；

xi——坐標(biāo)。

2）雷諾方程：

式中：uˉj—— 時均速度，m/s；

ui——瞬時速度，m/s；

uˉ′i、uˉ′j—— 脈動速度，m/s；

xj——坐標(biāo)；

t——時間，s；

ρ——密度，kg/m3；

p——壓強(qiáng)，Pa；

μ——黏度，N·s/m2。

3

）湍流黏性系數(shù)方程：

式中：ηt——湍流黏性系數(shù)，N·s/m2；

Cμ——模型常數(shù)，取0.09；

k——湍流中單位質(zhì)量流體脈動動能；

ε——湍流中單位質(zhì)量流體脈動動能的耗散率。4）湍動能k的輸運方程：

式中：uˉk—— 時均速度，m/s；

xk——坐標(biāo)；

Ck——模型常數(shù)，取0.09～0.11。

5）湍動能耗散率ε的輸運方程：

式中：ν——流體的運動黏性系數(shù)，m2/s；

Cε——模型常數(shù)，取0.07～0.09；

Cε1——模型常數(shù)，取1.41～1.45；

Cε2——模型常數(shù)，取1.91～1.92。

6）離散相方程：

式中：up——顆粒速度，m/s；

FD——顆粒的曳力，m/s2；

u——流體速度，m/s；

gx——重力加速度，m/s2；

ρ——流體密度，kg/m3；

ρp——顆粒密度，kg/m3；

Fx——顆粒所受的其他力，m/s2。

1.3 邊界條件

2）出口邊界條件：出流面設(shè)為自由流動邊界。

3）上空及兩側(cè)邊界條件：計算區(qū)域的上空及兩側(cè)設(shè)為對稱邊界。

4）地面及建筑物壁面邊界條件：地面、墻面及屋頂設(shè)為固體壁面，用壁面函數(shù)法并選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計算。

1.4 污染物分析

環(huán)江作業(yè)區(qū)所處環(huán)境條件下，附著有油田廢氣的沙塵隨風(fēng)飛揚為當(dāng)?shù)刂饕拇髿馕廴拘问?，而其中PM10對人體的危害尤甚；因此，針對來流大氣中的PM10進(jìn)行計算。由于慶陽地區(qū)沒有實測數(shù)據(jù)，所以設(shè)置來流中PM10的濃度為150 μg/m3，此值為國家二級標(biāo)準(zhǔn)[9]（即國家規(guī)定空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的最低標(biāo)準(zhǔn)）?？諝赓|(zhì)量分指數(shù)與污染物（PM10）濃度的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 空氣質(zhì)量分指數(shù)與污染物濃度限值

2 計算結(jié)果與分析

2.1 夏季工況

2.1.1 夏季風(fēng)場壓力分析

夏季風(fēng)向為西南偏南，平均風(fēng)速2.4 m/s（圖2）。由圖2可知，由于圍墻距離公寓樓過近，導(dǎo)致公寓樓上風(fēng)向和下風(fēng)向的壓差大于5 Pa，會出現(xiàn)局部漩渦和死角，對行人造成安全隱患，不利于自然通風(fēng)，易引起氣態(tài)污染物的積聚。

圖2 夏季風(fēng)壓云圖（Z=1.5 m）

2.1.2 夏季濃度場分析

夏季工況，PM10在不同高度的分布情況見圖3和圖4。其中，圖3為1層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖，圖4為綜合樓2—5層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖。圖例中的數(shù)值單位是kg/m3，其中的6E-07 kg/m3對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)為500，也就是所謂的污染程度“爆表”，因此圖中綠色、黃色、紅色區(qū)域污染情況非常嚴(yán)重。

由圖3可知，在綜合樓的東半部分，尤其是北側(cè)區(qū)域，PM10的濃度非常高，不僅會對行人的呼吸造成影響，而且能夠通過門窗進(jìn)入一樓的辦公區(qū)域。公寓樓東側(cè)污染也比較嚴(yán)重，附著有污染性氣體的顆粒物會通過側(cè)門進(jìn)入公寓樓內(nèi)，危害工作人員的健康。

由圖4可知，隨著高度的增加污染情況有所減緩，但是綜合樓的北側(cè)和東側(cè)墻外PM10濃度高，2—5層均受到污染，且污染情況比較嚴(yán)重。公寓樓的東側(cè)和南側(cè)墻外PM10濃度較高，2—4層均受到污染。

圖3 夏季PM10濃度云圖（Z=1.5 m）

圖4 夏季PM10濃度云圖（2—5層）

綜上所述，綜合樓和公寓樓受到PM10的污染都比較嚴(yán)重，綜合樓尤甚。由于PM10受到重力影響，有沉降現(xiàn)象，所以污染程度隨著高度的增加有所減弱。因此，在綜合樓的北側(cè)和公寓樓東側(cè)種植一排靠近建筑的樹木，即可在很大程度上阻隔顆粒物的擴(kuò)散，阻止其進(jìn)入綜合樓。另外，可以看到圍墻對于污染物有明顯的阻隔作用，適當(dāng)增加圍墻高度可以改善建筑區(qū)域的空氣質(zhì)量。

為了保證工作人員的身體健康和居住舒適性，當(dāng)受實際情況所限無法在在污染嚴(yán)重的區(qū)域種植樹木和適當(dāng)加高圍墻時，也可以考慮在建筑物內(nèi)部采取空氣凈化措施或加裝機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)。加裝機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)時，需將進(jìn)風(fēng)口設(shè)在空氣質(zhì)量較好的區(qū)域（綜合樓設(shè)在南側(cè)，公寓樓設(shè)在西側(cè)為宜），使建筑物內(nèi)保持正壓送風(fēng)，防止污染物侵入室內(nèi)。

2.2 冬季工況

2.2.1 冬季風(fēng)場壓力分析

冬季風(fēng)向為西北偏北，平均風(fēng)速2.2 m/s（圖5）。由圖5可知，綜合樓北側(cè)和南側(cè)以及宿舍樓和食堂之間的風(fēng)壓差較大，影響行人的安全和舒適性，也可能會影響一樓房間的熱舒適[10]。為減小壓差，同樣可以采取夏季減弱污染的策略，即在綜合樓的北側(cè)種植一排靠近建筑的樹木。另外，公寓樓入口處與食堂南側(cè)之間風(fēng)壓變化急劇，對行人造成嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)當(dāng)在兩者之間種植樹木，減小風(fēng)壓差。

圖5 冬季風(fēng)壓云圖（Z=1.5 m）

2.2.2 冬季濃度場分析

冬季工況，PM10在不同高度的分布情況見圖6和圖7。其中，圖6為1層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖，圖7為綜合樓2—5層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖。

由圖6可知，冬季工況，綜合樓的污染情況較夏季輕，但污染物同樣集中在建筑壁面附近，容易進(jìn)入建筑物內(nèi)。在公寓樓的東側(cè)，PM10大范圍聚集，并有明顯的渦流現(xiàn)象，污染物不易擴(kuò)散，與夏季情況相同。圍墻對于污染物的阻隔作用，在冬季依然有所體現(xiàn)。

圖6 冬季PM10濃度云圖（Z=1.5 m）

由圖7可知，綜合樓的東南角墻外PM10濃度高，2—5層均受到污染，但污染范圍較小。公寓樓的東側(cè)和南側(cè)墻外PM10濃度較高，2—4層均受到污染。

圖7 冬季PM10濃度云圖（2—5層）

與夏季相比，冬季污染區(qū)域相似且情況較輕，主要是由于冬季地面溫度較低，浮升力弱于夏季；因此，改善措施主要考慮夏季工況，兼顧冬季即可。

3 結(jié)論

通過模擬計算的結(jié)果可知，粒徑小于或等于10 μm的顆粒物（PM10）一方面受浮升力的影響能夠長時間懸浮于空氣中，另一方面也會在重力作用下有一定的沉積現(xiàn)象，同時也會隨氣流的“爬墻”效應(yīng)聚集于建筑壁面附近。

基于PM10的擴(kuò)散特性，油田附近附著有油田廢氣的沙塵隨氣流擴(kuò)散時，遇到建筑物便有一定的聚集，導(dǎo)致建筑附近空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化；一旦氣流進(jìn)入建筑內(nèi)部，就會對室內(nèi)人員產(chǎn)生影響，易引起呼吸系統(tǒng)相關(guān)的疾病。

所以，為了有效減弱PM10的污染程度，保證工作人員身體健康，提出以下建議：

1）應(yīng)在以后的油田前線生產(chǎn)保障點前期選址工作中將室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑周圍風(fēng)環(huán)境的因素考慮在內(nèi)綜合評估，設(shè)計人員應(yīng)提高對保障點建筑室外顆粒物污染的重視程度，應(yīng)通過模擬計算來驗證設(shè)計方案的可行性。

2）對于已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的油田前線生產(chǎn)保障點，可以進(jìn)行模擬計算對污染情況進(jìn)行分析，通過在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾訃鷫Ω叨群头N植樹木的方法可以有效改善污染情況。增加圍墻高度能夠有效地降低進(jìn)入院內(nèi)的污染物濃度；種植樹木不僅能夠阻隔污染物的擴(kuò)散、降低污染物濃度，而且能夠減小風(fēng)壓、改善風(fēng)環(huán)境、保證行人的安全和舒適性。

3）對于某些由于生產(chǎn)需要無法兼顧室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑周圍風(fēng)環(huán)境的新建保障點，或已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的保障點治理較困難時，可以考慮購買空氣凈化裝置或加裝正壓送風(fēng)系統(tǒng)，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善工作人員的呼吸環(huán)境。

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2017-05-22

（編輯 李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.016

張海曦，工程師，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系，從事油氣田地面工程暖通設(shè)計工作，E-mail：bravolfc@126.com，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)長慶興隆園小區(qū)，710018。