基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散模擬與試驗(yàn)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散模擬與試驗(yàn)

目前，“三公”氣田已成為中國(guó)油氣資源開采的重要組成部分，擁有高壓、高產(chǎn)、高質(zhì)量的氣田。m2s是一種有毒藥物，其極限質(zhì)量濃度僅為15mg。如果天然氣泄漏，大量含30ml的氣體將對(duì)影響該地區(qū)居民的安全意識(shí)和財(cái)產(chǎn)損失產(chǎn)生重大影響。2003年,重慶開縣羅家16H井發(fā)生特大井噴事故,噴出的大量高含硫氣體隨空氣快速擴(kuò)散,影響到井場(chǎng)周圍的4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),9.3萬余人受災(zāi),造成243人因H2S中毒死亡。因此,開展有毒氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律研究,減少重大人身傷亡事故的發(fā)生,對(duì)于提升“三高”氣田安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。目前,較多研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalfluiddynamic,CFD)方法進(jìn)行有毒氣體的擴(kuò)散模擬。朱淵等采用CFD方法研究了復(fù)雜地形天然氣凈化廠脫硫裝置H2S泄漏擴(kuò)散規(guī)律,提出了應(yīng)急救援實(shí)施方案;章博等研究了高含硫氣田集氣站天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律,并開展了集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置優(yōu)化分析;Scargiali等研究了復(fù)雜地形條件下重氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律;沈艷濤等針對(duì)ThorneyIslandExperiments系列試驗(yàn)中第008號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了平坦地面氟利昂擴(kuò)散過程數(shù)值模擬。上述研究或缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,或只是開展了平坦地形條件下氣體擴(kuò)散試驗(yàn),而沒有開展復(fù)雜山區(qū)地形條件下氣體擴(kuò)散試驗(yàn),研究成果不具有普遍的指導(dǎo)意義。筆者利用CFD方法建立復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散仿真模型,對(duì)氣體擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,采用在國(guó)內(nèi)外氣體泄漏擴(kuò)散研究領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的無色無毒重氣SF6作為示蹤氣體代替劇毒氣體H2S開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究重氣在復(fù)雜地形條件下的泄漏擴(kuò)散規(guī)律,并驗(yàn)證所建立的復(fù)雜地形氣體泄漏擴(kuò)散仿真模型的有效性。1氣體泄漏擴(kuò)散模擬的計(jì)算1.1氣體運(yùn)動(dòng)的分析方法有毒氣體泄漏后在大氣中的運(yùn)動(dòng)包括湍流流動(dòng)、物質(zhì)擴(kuò)散及傳熱等過程。采用大渦模擬理論計(jì)算湍流流動(dòng),采用組分輸運(yùn)方程模擬氣體組分質(zhì)量變化。大渦模擬采用濾波思想過濾掉湍流運(yùn)動(dòng)中的小尺度脈動(dòng),將小尺度脈動(dòng)對(duì)大尺度(大渦)的作用建立模型,滿足Navier-Stokes方程和質(zhì)量擴(kuò)散方程,能夠有效分析復(fù)雜地形氣體運(yùn)動(dòng)。通過過濾運(yùn)算得到的控制方程組為?ρ?t+??xi(ρuiˉˉˉ)=0,(1)?ρ?t+??xi(ρuiˉ)=0,(1)??t(ρuiˉˉˉ)+??xj(ρuiˉˉˉujˉˉˉ)=??pˉ?xi+??xj(v?uiˉˉˉ?xj)??τij?xj,(2)??t(ρuiˉ)+??xj(ρuiˉujˉ)=-?pˉ?xi+??xj(v?uiˉ?xj)-?τij?xj,(2)?cˉ?t+ujˉˉˉ?cˉ?xj=D?2cˉ?xj?xj+?Tj?xj+Sc.(3)?cˉ?t+ujˉ?cˉ?xj=D?2cˉ?xj?xj+?Τj?xj+Sc.(3)式中,ρ為流體的密度,kg/m3;uˉuˉ為流體的平均流速,m/s;pˉpˉ為流體的壓力,Pa;t為時(shí)間,s;i、j分別為坐標(biāo)軸方向;ν和D分別為分子黏性系數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù);cˉcˉ為氣體組分體積分?jǐn)?shù);τij為亞格子應(yīng)力;Tj為亞格子質(zhì)量通量;Sc為源項(xiàng),kg/(m3·s)。1.2集氣站場(chǎng)及其周邊區(qū)域地形模型的建立以川東北某氣田所提供30m數(shù)字高程數(shù)據(jù)和等高距為1m的集氣站場(chǎng)局部等高線圖為基礎(chǔ),在經(jīng)緯度兩個(gè)方向上采用曲線擬合方法建立集氣站場(chǎng)及其附近區(qū)域地形模型。該集氣站北側(cè)為山坡,地勢(shì)逐步升高,最大高差為69.4m;東側(cè)為一深溝,與集氣站最大落差約為15m,其他方向地勢(shì)逐步降低。所建立地形模型區(qū)域長(zhǎng)1500m,寬600m,最大高差約為194m。該集氣站場(chǎng)所在區(qū)域地圖及所建立的三維幾何模型如圖1、2所示。1.3氣體擴(kuò)散模擬以非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并通過建立size函數(shù)以控制不同區(qū)域網(wǎng)格密度,在SF6鋼瓶區(qū)域附近采用較密網(wǎng)格,隨著離鋼瓶區(qū)域的增加,逐步增大網(wǎng)格。計(jì)算時(shí),區(qū)域頂部采用對(duì)稱邊界條件,出流面采用出流邊界條件,區(qū)域底面采用無滑移邊界條件,SF6釋放入口采用質(zhì)量入口邊界條件。入流邊界條件是由Profile函數(shù)給出的速度入口邊界條件。計(jì)算過程中,控制方程離散采用有限體積法,對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項(xiàng)離散采用中心差分格式,壓力速度耦合采用SIMPLE算法。選用瞬態(tài)求解方法分2步完成氣體泄漏擴(kuò)散仿真計(jì)算:首先計(jì)算風(fēng)場(chǎng),隨后引入氣體釋放入口進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)和氣體泄漏擴(kuò)散的耦合計(jì)算。選取SF6釋放質(zhì)量為23.5kg的試驗(yàn)進(jìn)行分析。試驗(yàn)過程中集氣站場(chǎng)實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每分鐘更新一次,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示試驗(yàn)過程中大氣溫度、濕度和大氣壓力變化較小,風(fēng)速、風(fēng)向變化較大,且風(fēng)速、風(fēng)向?qū)怏w擴(kuò)散過程影響較大。因此,在仿真計(jì)算中將前三者數(shù)值取為平均值,風(fēng)向、風(fēng)速根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新,以更加真實(shí)地反映試驗(yàn)過程中主要影響因素的變化情況,減少試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差。試驗(yàn)過程中大氣平均溫度為18.9℃;平均濕度為29.8%;平均大氣壓力為86.7kPa。風(fēng)向和風(fēng)速如圖3所示。平均風(fēng)速為2.39m/s,平均風(fēng)向角為230.6°,其中風(fēng)向角指風(fēng)向與正北向順時(shí)針方向的夾角。1.4地面sf6質(zhì)量濃度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化SF6釋放后10min和30min時(shí)地面SF6分布區(qū)域如圖4所示。由圖4可知,在試驗(yàn)開始之后,SF6在風(fēng)場(chǎng)的影響下,迅速向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng),當(dāng)SF6氣體擴(kuò)散到東側(cè)地勢(shì)較高區(qū)域后受到地形的阻滯作用,在地勢(shì)低處形成集聚,隨泄漏量的增加,集聚區(qū)域SF6質(zhì)量濃度逐步增加,部分SF6將在地形的誘導(dǎo)作用下向東偏南地勢(shì)較低處進(jìn)行擴(kuò)散,同時(shí),部分SF6在風(fēng)場(chǎng)的影響下,被迫向地勢(shì)較高的下風(fēng)向方向抬升,而形成條帶狀的較大范圍影響區(qū)域。試驗(yàn)時(shí)風(fēng)場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)風(fēng),不同時(shí)刻地面SF6分布區(qū)域具有顯著差異:在10min時(shí),地面SF6向東側(cè)擴(kuò)散,SF6質(zhì)量濃度為6.52mg/m3區(qū)域下風(fēng)向最大長(zhǎng)度為407m,寬度為60m;在30min時(shí),地面SF6向東偏南方向擴(kuò)散,SF6質(zhì)量濃度為6.52mg/m3區(qū)域下風(fēng)向最大長(zhǎng)度為600m,寬度為76m。仿真計(jì)算時(shí)在每一個(gè)采樣點(diǎn)位置建立監(jiān)測(cè)點(diǎn),以實(shí)時(shí)輸出采樣點(diǎn)位置SF6質(zhì)量濃度值。1#采樣點(diǎn)SF6質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化如圖5所示。從圖5可以看出:在SF6釋放之后,1#采樣點(diǎn)處SF6質(zhì)量濃度快速升高,在40s時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值濃度52.6mg/m3;在仿真時(shí)間內(nèi),該點(diǎn)SF6質(zhì)量濃度值變化起伏較大,多次出現(xiàn)峰值濃度,這是由于試驗(yàn)過程中現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)刻都在發(fā)生變化(圖3),使SF6的擴(kuò)散路徑發(fā)生變化,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)造成的。這說明環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向?qū)怏w擴(kuò)散路徑及空間濃度分布影響較大。綜上可知:SF6在泄漏擴(kuò)散過程中易于在地勢(shì)較低處集聚;地形對(duì)重氣擴(kuò)散方向具有阻滯和引導(dǎo)作用;環(huán)境風(fēng)場(chǎng)對(duì)重氣擴(kuò)散路徑影響較大,在較高風(fēng)速的影響下重氣依然向地勢(shì)較高區(qū)域擴(kuò)散。2氣體泄漏和擴(kuò)散試驗(yàn)2.1試驗(yàn)過程及方法本試驗(yàn)在川東北某大型氣田一集氣站場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行,通過釋放一定數(shù)量的示蹤氣體SF6,采集多個(gè)位置不同時(shí)刻氣體樣品,最后測(cè)量得到采樣點(diǎn)濃度分布情況。試驗(yàn)過程中基本氣象條件通過該集氣站場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取,包括風(fēng)向、風(fēng)速、環(huán)境溫度、大氣壓力和濕度等參數(shù)。在試驗(yàn)開始之前將SF6鋼瓶置于集氣站場(chǎng)外側(cè)地面上,并測(cè)取其經(jīng)緯度坐標(biāo)。試驗(yàn)過程中通過減壓閥調(diào)節(jié)流量以達(dá)到SF6均勻釋放條件。每次釋放時(shí)間為30min,通過對(duì)比釋放前后鋼瓶質(zhì)量來確定釋放量。共開展5次SF6釋放試驗(yàn),釋放質(zhì)量為10.3~28.7kg,SF6質(zhì)量流速為5.72~15.94g/s。2.2試驗(yàn)儀器和材料試驗(yàn)儀器及材料主要包括有色煙霧發(fā)生器、電子時(shí)控大氣采樣器、氣相色譜儀、GPS定位儀、SF6示蹤氣體、SF6標(biāo)氣等。2.3煙霧釋放及擴(kuò)散SF6示蹤試驗(yàn)均是在大范圍空間內(nèi)展開,根據(jù)試驗(yàn)時(shí)及試驗(yàn)前觀測(cè)到的風(fēng)向等原則進(jìn)行采樣點(diǎn)的布置,沒有考慮風(fēng)向變化的特點(diǎn),缺少直觀性,容易造成采樣點(diǎn)布置較多,而部分位置不能采到數(shù)據(jù)的情況。因此,為了有效降低人員設(shè)備需求和數(shù)據(jù)處理工作量,提高采樣數(shù)據(jù)的有效性,在每次SF6釋放試驗(yàn)之前,以有色煙霧發(fā)生器為工具,釋放煙霧以確定泄漏后氣體在山區(qū)復(fù)雜地形環(huán)境下最可能的擴(kuò)散路徑,煙霧釋放及擴(kuò)散情況如圖6所示。根據(jù)觀測(cè)到的有色煙霧擴(kuò)散情況,結(jié)合下風(fēng)向區(qū)域居民點(diǎn)分布情況及布點(diǎn)方便的原則,進(jìn)行采樣點(diǎn)布置。試驗(yàn)中共布置12個(gè)采樣點(diǎn),其中距泄漏源最遠(yuǎn)采樣點(diǎn)位置為300m,即該氣田集氣站場(chǎng)周圍拆遷距離。2.4氣體組分的采集試驗(yàn)過程中采用電子時(shí)控大氣采樣器進(jìn)行樣品采集。每次SF6釋放試驗(yàn)開始之后5min進(jìn)行采樣,每次采樣時(shí)間為5min,中間間隔時(shí)間為5min,每次試驗(yàn)完成3次氣體樣本采集,即每次試驗(yàn)所采集SF6質(zhì)量濃度值為示蹤試驗(yàn)開始之后的5~10min、15~20min、25~30min3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各采樣點(diǎn)5min的質(zhì)量濃度平均值。采用氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)法(GC-ECD)進(jìn)行樣品分析,以獲得各采集時(shí)間段內(nèi)SF6質(zhì)量濃度。3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算各采樣點(diǎn)不同時(shí)間段內(nèi)的SF6質(zhì)量濃度平均值,并與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。圖7為1#采樣點(diǎn)和4#采樣點(diǎn)在不同時(shí)間段內(nèi)SF6平均質(zhì)量濃度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。從圖7可以看出,1#采樣點(diǎn)SF6實(shí)測(cè)平均質(zhì)量濃度在5~10min、15~20min、25~30min時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),而4#采樣點(diǎn)SF6實(shí)測(cè)平均質(zhì)量濃度呈逐步下降的區(qū)域。與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出2個(gè)采樣點(diǎn)處SF6平均質(zhì)量濃度值與仿真計(jì)算值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本一致,且數(shù)值比較接近,相對(duì)誤差較小。圖8為25~30min時(shí)間內(nèi)12個(gè)采樣點(diǎn)處SF6平均質(zhì)量濃度的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和仿真計(jì)算值(圖中曲線并不代表各采樣點(diǎn)SF6濃度變化趨勢(shì),僅為便于對(duì)比而連接)。由圖8可知,試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值比較接近,在可接受的誤差范圍內(nèi)。從圖7、8可以看出:試驗(yàn)值與計(jì)算值比較吻合,但二者之間存在一定的偏差,其中3#、6#和9#采樣點(diǎn)位置25~30min時(shí)間內(nèi)SF6平均質(zhì)量濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值之間的偏差相對(duì)較大,這是由于這3個(gè)采樣點(diǎn)處于集氣站場(chǎng)東側(cè)深溝區(qū)域,該區(qū)域地勢(shì)向東南方向逐步降低,而且文中所建立的地形模型網(wǎng)格間距為30m,將會(huì)出現(xiàn)局部地勢(shì)較低區(qū)域被填平,而局部地勢(shì)較高區(qū)域被削平的情況,致使這3個(gè)采樣點(diǎn)所在區(qū)域地形呈現(xiàn)更為明顯的溝渠特性,而對(duì)SF6擴(kuò)散過程產(chǎn)生引導(dǎo)作用,使該區(qū)域SF6大量積聚,從而導(dǎo)致這3個(gè)采樣點(diǎn)處SF6試驗(yàn)值與仿真計(jì)算值相差較大;試驗(yàn)過程中該區(qū)域風(fēng)向角變化范圍為195°~259°,風(fēng)速變化范圍為1.5~3.2m/s,頻繁變化的風(fēng)向和風(fēng)速,以及受地面植被、集氣站場(chǎng)緩沖罐、分離器等的影響,使SF6氣體在擴(kuò)散過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化,而仿真過程中模擬風(fēng)場(chǎng)為每1min更新一次,并對(duì)地面樹木、集氣站設(shè)備等進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,這些變化使模擬風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際存在一定的偏差,從而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算值存在偏差;試驗(yàn)儀器的精度、人為因素等原因也影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,在以后的研究中,應(yīng)盡可能獲取更為詳細(xì)的地面數(shù)字高程數(shù)據(jù),提高仿真幾何模型精度,降低由地形模型引起的計(jì)算誤差。由上述分析可知,建立的復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近,具有較高的精度,能夠用于復(fù)雜地形條件下氣體擴(kuò)散規(guī)律的研究,指導(dǎo)事故評(píng)價(jià)、預(yù)防、控制等工作的開展。具體體現(xiàn)為:首先,該模型通過設(shè)置相應(yīng)的初始條件和邊界條件,可以分析不同環(huán)境、不同泄漏參數(shù)等條件下的氣體擴(kuò)散規(guī)律,得出危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散后的時(shí)空分布情況(圖4),從而根據(jù)危險(xiǎn)氣體毒害標(biāo)準(zhǔn)(如H2S的閾限值為15mg/m3,安全臨界濃度為30mg/m3,危險(xiǎn)臨界濃度為150mg/m3)劃分不同的危害區(qū)域,提前開展事故預(yù)防工作,制定有針對(duì)性的事故應(yīng)急救援和控制技術(shù)方案,包括人員疏散區(qū)域、道路交通管制區(qū)域、現(xiàn)場(chǎng)人員防護(hù)措施等;其次,該模型通過建立不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn),能夠預(yù)測(cè)不同位置氣體達(dá)到危險(xiǎn)濃度所需時(shí)間及持續(xù)時(shí)間(圖5),從而確定不同位置所允許的人員疏散時(shí)間及事故影響區(qū)域恢復(fù)安全所需時(shí)間,以指導(dǎo)氣體泄漏事故中的人員疏散,確定現(xiàn)場(chǎng)人員是否采用就地庇護(hù)措施等。4基于cfd的復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散仿真模型的建立(1)設(shè)計(jì)的利用有色煙霧發(fā)生器為工具進(jìn)行采樣點(diǎn)布置