基于計算流體動力學的海上氣體擴散安全評價

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(1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；4.中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

隨著化工和油氣產業的快速發展，海上油氣管道成為不可替代的重要輸送工具。但是面對復雜惡劣的海洋環境和第三方損壞[1]，存在極大的水下管道破損失效引發可燃氣體泄漏擴散的事故風險。一旦發生海上可燃氣體泄漏擴散事故，若錯誤指導應急搶險船作業，極有可能引發人員中毒及爆炸燃燒事故，造成嚴重的人員傷亡和船舶設備損傷[2-3]。因此，有必要研究海上開敞空間的氣體擴散規律，準確預測氣體體積分數(后文稱濃度)分布范圍和擴散趨勢，評估安全作業半徑，為制訂安全合理的海上應急搶險方案和作業指導提供有效的信息依據。

氣體泄漏擴散的研究場景眾多，主要有陸上和海底氣體管道[3-5]、海洋平臺內部模塊[6-7]、煉化廠區以及油氣儲配站[8-9]等目標場景下氣體泄漏擴散研究。主要研究方法有試驗、數學模型和CFD方法[10]。在試驗方面：挪威CMR實驗室開展縮尺比海上平臺氣體泄漏擴散試驗研究[11]；20世紀七八十年代，國外開展一系列旨在研究LNG蒸發、擴散和燃燒機理，并為數值模型驗證提供數據標準的試驗，如Burro系列[12]、Coyote系列[13]和Falcon系列[14]試驗。在數學模型方面，國內外學者提出眾多被廣泛接受并應用的預測模型，例如高斯模型、唯象模型、Sutton模型、箱及相似模型、淺層模型和FEM3模型等[15-17]。隨著計算機軟件和有限元理論的發展完善，基于CFD的數值方法可以更好地模擬氣體泄漏擴散過程中濃度場、溫度場的實際分布，得到研究學者的廣泛應用[18]。李新宏等[19]采用CFD方法預測天然氣在海水中的運移軌跡；劉百臣等[20]應用專業三維CFD模擬軟件KFX模擬立管水下泄漏后的氣體擴散和火災情況，分析事故后果對直升機甲板的影響。

目前，國內外圍繞水下泄漏氣體擴散趨勢的研究較多，但對于海上開敞空間氣體擴散事故后，針對搶險船舶作業安全距離的評價研究相對較少。本文采用CFD軟件Fluent對Burro系列氣體擴散現場試驗進行建模計算，對比驗證不同距離監測點氣體濃度最大值以及濃度范圍隨時間的變化趨勢。利用驗證的模型方法，以渤海某氣田海域為例，對海上氣體泄漏擴散事故進行船周氣體濃度分布研究，并對不同泄漏速度、風速下搶險船安全作業距離進行安全評價，為海上氣體泄漏擴散應急搶險作業安全指導提供參考。

1 計算理論

本文采用Fluent流體動力學軟件中的有限體積法進行模擬計算，聯合雷諾時均Navier-Stokes方程(RANS)[21]，對氣體擴散過程的基本控制方程(連續性、動量、能量、組分輸運等)進行離散求解[22]?？紤]開敞空間氣體擴散的具體情況，采用Realizablek-ε湍流模型[23-24]模擬氣體的流場分布，模型中湍流黏度μt、湍動能k和湍動能耗散率ε的方程分別為

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：ρ為氣云密度；Cμ為湍流黏性常數；uj為j方向的位移分量；xj為j方向的坐標分量；μ為動力黏度系數；Gk和Gb分別為黏性力和浮力作用下的湍流項；YM為可壓縮湍流中的波動擴張項；Sk和Sε分別為k和ε的源項；v為運動黏度系數；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為方程因數。

2 模型驗證

2.1 驗證試驗

Burro系列試驗為 1980年在美國China Lake完成的研究不同氣象條件下LNG在水面液池上蒸發擴散的試驗，泄漏液池直徑為58 m，分別在高1 m，距泄漏源中心下風向57 m、140 m、400 m和800 m處設置監測儀器[25-26]進行氣體濃度測定，較符合本文的海上氣體擴散研究工況。為了驗證模型的有效準確性，選取B3～B9共 5組試驗數據與模擬計算結果作對比，具體試驗工況參數如表1所示。

表1 試驗參數

2.2 試驗模型建立

圖1 計算域邊界條件

建立三維對稱模型，設置x軸正方向為下風向，y軸正方向為水平側風向，z軸正方向為垂直水面向上方向。計算域尺寸：x方向長度為以泄漏液池中心為基點上風向100 m，下風向900 m；y軸方向長度為300 m；z軸方向長度為50 m，模型關于xz平面對稱。對天然氣泄漏擴散過程進行模擬，天然氣主要成分為甲烷，在模型物料選擇時設定為甲烷氣體。

2.2.1 邊界條件

模型邊界設定有：風流出入口、計算域側面和頂面、對稱面、氣體泄漏入口和海面，具體計算域邊界設置如圖1和表2所示。

表2 邊界條件

對于天然氣泄漏入口，需設定氣體的入口速度vNg及對應的湍流動能k和湍流耗散率ε，計算公式分別為

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：(ρv)liq為LNG的質量流量，取0.195 kg/(m2·s)；ρNg為天然氣密度，在111 K時約為1.76 kg/m3；T為泄漏氣體湍流強度，取0.1；Cμ為湍流黏性常數，取0.09；D為液池直徑。

2.2.2 初始風場

氣體擴散的主要動力來自于大氣流動的風，風向決定氣體擴散方向，風速影響氣體運動速率、氣云團形狀和氣體濃度。為了準確模擬風場實際情況，需在計算域內進行風場穩態模擬，形成一定大氣穩定度的初始風場，再進行氣體泄漏擴散非穩態計算。在初始風場模擬計算時，壓力速度耦合方式選擇SIMPLE算法，而在氣體擴散時，采用非穩態計算，壓力速度耦合方式選擇PISO，使每一步的迭代更容易收斂，同時考慮重力作用，在z軸設重力加速度為-9.81 m/s2。

2.2.3 網格劃分

圖2 海平面上六面體網格劃分

計算場域內采用六面體網格單元，對圓形泄漏液池處進行圓形網格加密，提高網格質量；其他開敞空間主控區域采用均勻網格密度劃分；在圓形加密網格與主控網格之間設置方形過渡網格區域。對不同網格密度模型進行試算，當網格加密至前后數值結果很接近時，說明計算結果精度良好，最終確定的網格單元數為360 190 個。海平面上圓形液池及周邊網格劃分如圖2所示。

2.3 模擬結果對比

2.3.1 下風向最大氣體濃度

通過計算完成了Burro系列5組試驗模擬，并與在高為1 m，距泄漏源中心下風向57 m、140 m、400 m和800 m處測得的甲烷最大體積分數試驗值進行對比，具體結果如表3所示。從表3可知，Fluent模擬值與試驗值相差不大，且模擬值普遍比試驗值大，相應地增加了爆炸危險區域的范圍，平均誤差為10.3%，在可接受范圍內，對于實際工程應用是保守有利的。

表3 下風向氣體最大濃度試驗值與模擬值對比

2.3.2 側向擴散

圖3給出了B5組試驗距離泄漏源中心57 m處yz平面甲烷氣體在泄漏20 s、70 s和130 s時的濃度分布試驗值與模擬值對比，甲烷體積分數分別為1%、2%、5%、10%、15%、25%和35%，共7個濃度等級。

圖3 不同時刻B5下風向57 m處垂直氣體濃度分布與模擬結果對比

由圖3可以發現，Fluent模擬值在同一甲烷濃度值的側向擴散距離大于試驗值，例如在泄漏130 s時，體積分數1%的甲烷側向擴散試驗值為76.0 m，而模擬值為107.5 m，比試驗值保守。其原因為模型空氣的湍流作用和側向邊界的存在會影響氣體擴散濃度分布，而實際試驗現場的風速及風向在一個區間不斷隨機變化，相對于模型的固定風速及風向，監測得到的甲烷擴散距離一般會比模擬值小。

2.3.3 水平擴散

圖4為B8組試驗xy平面在泄漏20 s、60 s和100 s時甲烷體積分數試驗值與模擬值對比。圖5為B5組試驗xy平面在泄漏20 s、90 s時甲烷體積分數試驗值與模擬值對比。

由圖4和圖5可知，模擬計算的各濃度值與試驗值能較好地匹配，模擬濃度范圍較試驗值大一些。由于實際試驗場地非平坦地勢，且實際風速在一定范圍內變化，因此試驗濃度分布呈凹凸線型。模型未考慮實際地勢，且風速為定值，模擬的濃度分布線較為均勻飽滿，整體與試驗值匹配較好，略顯保守。

3 海上搶險安全評價實例

通過與Burro系列試驗數據的對比分析，驗證了本文開敞空間氣體擴散濃度分布范圍預測模型的準確性，模型可用于海上氣體泄漏擴散事故應急搶險作業的安全評價。當某海域輸氣管道發生水下氣體泄漏時，有效保障搶險船在事故海域的安全搶險工作具有重要的工程實際意義。

圖4 不同時刻B8水平氣體濃度分布與模擬結果對比

圖5 不同時刻B5水平氣體濃度分布與模擬結果對比

3.1 泄漏環境及模型參數

渤海某目標氣田海域平均水深為17.6 m，假設水下管道發生破損，氣體泄漏，管徑D=500 mm，泄漏速度為199.93 kg/s，至海面后的擴散半徑為11.78 m，實際出水泄漏速度為0.64 m/s。根據氣田海域年統計氣象條件信息，平均大氣溫度為11.1 ℃，海水溫度為11.9 ℃，空氣濕度為72%，泄漏氣體與海水底部溫度都為10 ℃，平均風速為5 m/s。

圖6 模型邊界條件

建立海上氣體擴散有限元模型，選用“海洋石油257”的船體尺寸，總長79.8 m，寬16.4 m，甲板至水面高12 m，甲板上部結構長40 m、寬14 m、層高16 m，將作業船布置在距離泄漏源150 m處，垂直于下風向側面?？浚w采用方形簡化結構，主要模擬在障礙物阻礙情況下氣體擴散濃度變化。具體模型邊界條件如圖6所示。

3.2 船周氣體濃度分布

圖7 y軸中心線上xz平面甲烷濃度分布

圖7是沿y=0中心線的xz平面甲烷體積分數分布情況。由圖可知，甲烷在xz平面上主要擴散趨勢為垂直方向，這是因為甲烷氣體溫度為11 ℃，密度小于空氣，浮力作用大于重力作用，相對于垂直方向的擴散能力，風力的水平方向輸送能力有限，所以當甲烷氣體擴散至距離泄漏源150 m的搶險船附近時，甲烷-空氣混合物濃度已經降低至1%以下。

圖8是沿x軸下風向距離泄漏源10 m、60 m、100 m和165 m的yz平面甲烷體積分數分布。由圖8可知：隨著下風向距離增大，甲烷氣體擴散范圍不斷擴大，且在垂直方向的擴散效果尤為顯著，主要是因為浮力的主導作用；同時，隨著擴散范圍的變大，甲烷-空氣混合氣體濃度也隨之減小，至搶險船甲板的165 m處時，基本在0.5%～1%的范圍。

圖8 x軸下風向與泄漏源處于不同距離的yz平面甲烷濃度分布

圖9是沿z軸方向自海平面5 m、10 m、15 m和25 m高度的xy平面甲烷體積分數分布情況。由圖9可知：隨著海面高程增大，xy平面甲烷氣體擴散范圍越來越大，當接近搶險船后，甲烷氣體大量充斥在船體周圍，且隨著高度增加，氣體范圍變大，但甲烷濃度隨之降低，同時在搶險船上部結構的下風向側，聚集了部分濃度相對其他區域較高的甲烷氣體，原因是船體上層結構阻擋了風對甲烷氣體的輸送稀釋作用。

圖9 z軸方向不同海面高度處xy平面甲烷濃度分布

在上述泄漏和氣象條件下，搶險船位于距離泄漏源150 m處時，船周氣體最大體積分數為1%左右，小于甲烷氣體爆炸下限5.05%，不會發生爆燃事故，處于爆炸下限安全距離；參照瑞士職業接觸限值甲烷容許接觸上限為6 700 mg/m3(體積分數為0.98%)[27]，仍然處于接觸危險距離，對現場搶險人員產生健康危害。

3.3 搶險作業安全距離評價

當改變泄漏速度和風速時，船體周圍甲烷氣云濃度會發生變化。因此，需對不同泄漏速度和風速下的搶險作業安全距離進行評價分析。模擬計算不同泄漏速度和風速聯合影響下氣體濃度分布，具體計算參數如表4所示，以甲烷氣體爆炸下限(34 616 mg/m3)和容許接觸上限(6 700 mg/m3)為安全評價指標，給出搶險船作業爆炸下限安全距離和容許接觸濃度安全距離。

表4 計算參數

圖10為不同風速下搶險船作業爆炸下限安全距離和容許接觸上限安全距離隨泄漏速度變化的曲線。由圖10可知，同種泄漏工況下，爆炸下限安全距離低于容許接觸安全距離，且爆炸下限安全距離和容許接觸濃度安全距離隨泄漏速度和風速變化的趨勢一致：泄漏速度越大，搶險作業安全距離越大；相反地，風速越大，搶險作業安全距離越小。原因為風對空氣中的甲烷有稀釋作用，且風速越小，稀釋作用越弱。因此可見，低風速(1 m/s)時，危險高濃度氣體分布在較遠的距離，給搶險船近距離作業帶來困難。上述分析結果表明，并非單一泄漏速度越小或風速越大，安全作業距離就越近，應綜合考慮泄漏速度與風速對氣體擴散的聯合作用，并以搶險人員安全為第一原則，對搶險船作業距離進行合理的安全評價。

圖10 安全距離隨泄漏速度的變化曲線

3.4 海上搶險應急響應

氣田海域搶險應急響應指揮部按照最短時間到達現場的原則，在接到突發事件信息時，第一時間派出應急搶險船趕赴現場，對事故海域現況進行巡視、核實，并開展必要的搶險作業。結合海上搶險安全評價實例結果，為現場搶險安全作業提供一定參考建議?，F場搶險船嚴格控制在安全作業區域，應盡量在上風或側風方向進行作業活動，船體靠近泄漏源一側布置現場實時氣體監測裝置，與搶險船操作室時刻保持聯系，保證作業區域氣體濃度時刻低于安全閾值；在重點搶險危險區域，保持船體艙室通風，及時驅散和稀釋泄漏氣體，防止人員中毒及形成爆炸性混合氣體，引發船體火災爆炸等次生災害。

4 結 論

本文采用CFD軟件Fluent對海上氣體泄漏擴散事故實例進行船周氣體濃度分布研究，得出如下結論：

(1) 選取Burro系列氣體擴散試驗數據與本文建立的CFD模型結果進行對比分析，整體趨勢與試驗結果吻合較好，但是模擬結果存在一定的偏差，略顯保守，對海上氣體泄漏搶險安全作業具有一定的預測指導意義。

(2) 對海上開敞空間氣體泄漏擴散實例進行模擬分析，發現搶險船周氣體垂直方向濃度分布受浮力主導影響，水平方向濃度分布受到風與船體障礙物共同影響。

(3) 在風速不變的情況下，安全距離隨泄漏速度的變大而增大；在泄漏速度不變的情況下，安全距離隨風速的變大而減小。在進行搶險作業距離安全評價時，應綜合考慮泄漏速度與風速對氣體擴散的聯合作用，對搶險船安全作業提供合理的參考建議。