復(fù)雜地形條件下氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律仿真與試驗(yàn)

鄧海發(fā)，陳國明，朱 淵，付建民，劉德緒

(1.中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266555; 2.中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽 457001)

復(fù)雜地形條件下氣體泄漏擴(kuò)散規(guī)律仿真與試驗(yàn)

鄧海發(fā)1，陳國明1，朱 淵1，付建民1，劉德緒2

(1.中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266555; 2.中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南濮陽 457001)

針對(duì)復(fù)雜地形氣體泄漏擴(kuò)散問題，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，建立復(fù)雜地形氣體泄漏擴(kuò)散數(shù)值仿真方案，確定地面氣體分布特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化規(guī)律、地形及環(huán)境風(fēng)向、風(fēng)速等對(duì)氣體擴(kuò)散的影響作用。以SF6為示蹤氣體，設(shè)計(jì)并在川東北某山區(qū)集氣站實(shí)施氣體釋放試驗(yàn)，以有色煙霧發(fā)生器為工具確定采樣點(diǎn)布置，采用電子時(shí)控大氣采樣器和氣相色譜－電子捕獲檢測(cè)法進(jìn)行樣品采集和分析，得到不同采樣點(diǎn)、不同時(shí)間段內(nèi)示蹤氣體濃度值。SF6釋放試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理、可靠、具有廣泛的適用性，能夠有效降低采樣點(diǎn)數(shù)量，提高采樣數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。試驗(yàn)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證了建立的數(shù)值模型處理復(fù)雜地形氣體泄漏擴(kuò)散過程的有效性。

氣體泄漏;數(shù)值模擬;CFD;試驗(yàn);示蹤氣體

目前，高壓、高產(chǎn)、高含H2S的“三高”氣田已成為中國油氣資源開采領(lǐng)域的重要組成部分，而H2S為劇毒物質(zhì)，其閾限質(zhì)量濃度僅為15 mg/m3［1］，一旦發(fā)生天然氣泄漏，釋放出的含有大量H2S的氣體將會(huì)對(duì)影響區(qū)域內(nèi)的居民人身安全形成極大的威脅，造成嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事故。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［2］。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)(computational fluid dynamic，CFD)方法進(jìn)行有毒氣體的擴(kuò)散模擬。朱淵等［3］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［4］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［5］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［6］針對(duì)Thorney Island Experiments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［7-9］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)散仿真計(jì)算

1.1 控制方程

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［10］。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［11］，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)［12］。通過過濾運(yùn)算得到的控制方程組［11］為

式中，ρ為流體的密度，kg/m3;為流體的平均流速，m/s;ˉp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);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 地形模型建立

以川東北某氣田所提供30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)和等高距為1 m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69.4 m;東側(cè)為一深溝，與集氣站最大落差約為15 m，其他方向地勢(shì)逐步降低。所建立地形模型區(qū)域長1 500 m，寬600 m，最大高差約為194 m。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。

圖1 集氣站區(qū)域地形及周邊情況Fig.1 Regional topography and surrounding circumstances of gas gathering station

圖2 三維地形模型Fig.2 Three dimensional terrain model

1.3 CFD仿真計(jì)算

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23.5 kg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［13］。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86.7 kPa。風(fēng)向和風(fēng)速如圖3所示。平均風(fēng)速為2.39 m/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。

圖3 試驗(yàn)過程風(fēng)向和風(fēng)速Fig.3 Wind direction and wind speed in experiment

1.4 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果分析

SF6釋放后10 min和30 min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。

圖4 地面SF6分布情況Fig.4 Distribution of SF6on ground

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10 min時(shí)，地面SF6向東側(cè)擴(kuò)散，SF6質(zhì)量濃度為6.52 mg/m3區(qū)域下風(fēng)向最大長度為407 m，寬度為60 m;在30 min時(shí)，地面SF6向東偏南方向擴(kuò)散，SF6質(zhì)量濃度為6.52 mg/m3區(qū)域下風(fēng)向最大長度為600 m，寬度為76 m。

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40 s時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值濃度52.6 mg/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。

圖5 1#采樣點(diǎn)SF6濃度隨時(shí)間變化Fig.5 Variations of SF6concentration of NO.1 sampling point with time

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 氣體泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

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30 min，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10.3～28.7 kg，SF6質(zhì)量流速為5.72～15.94 g/s。

2.2 試驗(yàn)儀器及材料

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 采樣點(diǎn)布置

SF6示蹤試驗(yàn)均是在大范圍空間內(nèi)展開［7-8］，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。

圖6 煙霧釋放及擴(kuò)散情況Fig.6 Release and dispersion of colored smoke

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300 m，即該氣田集氣站場(chǎng)周圍拆遷距離。

2.4 樣品采集與分析

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5 min進(jìn)行采樣，每次采樣時(shí)間為5 min，中間間隔時(shí)間為5 min，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5～10 min、15～2 0min、25～30 min 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各采樣點(diǎn)5 min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)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比分析

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5～10 min、15～20 min、25～30 min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7 不同時(shí)間段內(nèi)1#、4#采樣點(diǎn)SF6平均質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值Fig.7 Experimental value and calculated value of SF6average concentration of NO.1 and NO.4 sampling points at different periods

圖8為25～30 min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)。

圖8 25～30 min時(shí)間內(nèi)各采樣點(diǎn)SF6平均濃度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值Fig.8 Experimental value and calculated value of SF6average concentration of all sampling points in 25－30 min

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25～30 min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30 m，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1.5～3.2 m/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1 min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15 mg/m3，安全臨界濃度為30 mg/m3，危險(xiǎn)臨界濃度為150 mg/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 結(jié)論

(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、采用電子時(shí)控大氣采樣器和氣相色譜－電子捕獲檢測(cè)法進(jìn)行樣品采集和分析的試驗(yàn)方案是合理可行的，能夠有效降低采樣點(diǎn)數(shù)量，提高采樣數(shù)據(jù)的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。

(2)提出的一套基于CFD方法的復(fù)雜地形氣體擴(kuò)散仿真模型計(jì)算結(jié)果可靠、精度較高，能夠有效處理山區(qū)復(fù)雜地形條件下氣體泄漏擴(kuò)散過程，對(duì)危險(xiǎn)氣體泄漏事故評(píng)價(jià)、預(yù)防、控制等工作的開展具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

(3)重氣泄漏擴(kuò)散過程中具有明顯的向地表沉降的趨勢(shì)，且地形、風(fēng)向風(fēng)速對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散具有較大的影響。在復(fù)雜地形氣體泄漏事故人員疏散過程中，可以據(jù)此做出快速反應(yīng)，選擇有效疏散路徑。

致謝在試驗(yàn)過程中，川東北某氣田集氣站工作人員提供了大力支持，中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心譚清磊、郭恒、李準(zhǔn)參加了現(xiàn)場(chǎng)的釋放、采樣、分析工作，特此致謝。

［1］國家發(fā)展和改革委員會(huì).SY/T 5087－2005含硫化氫油氣井安全鉆井推薦做法［S］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［2］徐龍君，吳江，李洪強(qiáng).重慶開縣井噴事故的環(huán)境影響分析［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(5):84-87.

XU Long-jun，WU Jiang，LI Hong-qiang.Analysis on environment impact of chongqing kaixian blowout［J］.China Safety Science Journal，2005，15(5):84-87.

［3］朱淵，陳國明，劉德緒.復(fù)雜地形天然氣凈化廠脫硫裝置泄漏事故模擬及危害評(píng)價(jià)［J］.化工學(xué)報(bào)，2010，61(10):2758-2764.

ZHU Yuan，CHENGuo-ming，LIU De-xu.Simulation and assessment on leakage hazard from gas sweetening unit of sour gas processing plant in complex terrain［J］.CIESCJournal，2010，61(10):2758-2764.

［4］章博，陳國明.基于計(jì)算流體力學(xué)的集氣站氣體檢測(cè)報(bào)警儀布置優(yōu)化［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，34(5):141-146.

ZHANG Bo，CHENGuo-ming.Optimization of gas detection and alarm instrument networks at gas gathering station based on CFD［J］.Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science)，2010，34(5): 141-146.

［5］SCARGIALI F，DI RIENZO E，CIOFALO M，et al.Heavy gas dispersion modelling over a topographically complex mesoscale:a CFD based approach［J］.Process Safety and Environmental Protection，2005，83(3):242-256.

［6］沈艷濤，于建國.有毒有害氣體泄漏的CFD數(shù)值模擬(Ⅰ):模型建立與校驗(yàn)［J］.化工學(xué)報(bào)，2007，58(3): 745-749.

SHENYan-tao，YU Jian-guo.Numerical simulation of hazardous gas release with CFD model(Ⅰ):establishment and verification of model［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2007，58(3):745-749.

［7］胡二邦，辛存田，宣義仁，等.福建惠安核電廠址SF6示蹤試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(2):320-325.

HU Er-bang，XINCun-tian，XUANYi-ren，et al.The SF6 tracer experiment study in the Fujian Huian nuclear power plant［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2004，24(2):320-325.

［8］張永義，閆江雨，衛(wèi)為強(qiáng).復(fù)雜地形條件下大氣擴(kuò)散六氟化硫示蹤試驗(yàn)研究［J］.輻射防護(hù)通訊，2006，20 (3):7-14.

ZHANG Yong-yi，YANJiang-yu，WEI Wei-qiang.Sulfur hexafluoride-based atmosphere diffusion trace experimental study in complex topography［J］.Radiation Protection Bulletin，2006，20(3):7-14.

［9］GENIKHOVICH E L，SCHIERMEIERF A.Comparison of United States and Russian complex terrain diffusion models developed for regulatory applications［J］.Atmospheric Environment，1995，29A(17):2375-2385.

［10］顏峻，左哲.CFD方法對(duì)突發(fā)性化學(xué)事故中危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏范圍的確定［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17(1):102-106.

YANJun，ZUO Zhe.Leaking coverage definition for dangerous materials during emergent chemical accidents based on CFD method［J］.China Safety Science Journal，2007，17(1):102-106.

［11］崔桂香，史瑞豐，王志石，等.城市大氣微環(huán)境大渦模擬研究［J］.中國科學(xué)G緝:物理學(xué)，力學(xué)，天文學(xué)，2008，38(6):626-636.

CUI Gui-xiang，SHI Rui-feng，WANG Zhi-shi，et al.Large eddy simulation of city micro-atmospheric environment［J］.Science in China Series G:Physics，Mechanics，Astronomy，2008，38(6):626-636.

［12］LI Xian-xiang，LIU Chun-hu，DENNISY CLeung，et al.Recent progress in CFD modeling of wind field and pollutant transport in street canyons［J］.Atmospheric Environment，2006，40(29):5640-5658.

［13］孫安娜，段常貴，周衛(wèi).地下燃?xì)夤艿朗鹿市孤U(kuò)散分析［J］.煤氣與熱力，2007，27(1):17-20.

SUNAn-na，DUANChang-gui，ZHOU Wei.Diffusion analysis of leaked gas during accident of underground gas pipeline［J］.Gas＆Heat，2007，27(1):17-20.

Simulation and experiment of gas leakage and dispersion in complex topography

DENG Hai-fa1，CHENGuo-ming1，ZHU Yuan1，F(xiàn)U Jian-min1，LIU De-xu2

(1.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum，Qingdao266555，China; 2.Petroleum Prospecting and Design Institute，Zhongyuan Petroleum Exploration Bureau，Puyang457001，China)

Aiming at the problem of gas leakage and dispersion in complex terrain，a CFD-based gas leakage and dispersion numerical simulation model in complex terrain was proposed.The gas distribution on the ground and variation of tracer gas concentration of monitoring points with time were estimated.The effects of terrain，wind direction and wind speed on gas dispersion were obtained.Taking SF6as tracer gas，a gas release experiment was carried out in mountain gas gathering station.The colored smoke generator was taken as a tool to determine the arrangement of the sampling points.The electronic timecontrolled air sampler and gas chromatography-electron capture detection method were used for sample collection and sample analysis，respectively，which could measure the concentration of tracer gas in sampling points at different time.The results of SF6release experiment show that the experimental program is reasonable and has wide applicability.The model can effectively reduce the number of sampling points，improve the effectiveness of sampling data，and implement the test data acquisition and analysis.The contrast between simulation results and experiment results illustrates the validity of numerical model in handling gas leakage and dispersion in complex mountainous terrain.

gas leakage;numerical simulation;CFD;experiment;tracer gas

X 937

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.01.021

1673-5005(2012)01-0122-05

2011－07－12

大型油氣田及煤層氣開發(fā)國家科技重大專項(xiàng)課題(2008ZX05017);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(12CX04060A)

鄧海發(fā)(1984－)，男(漢族)，河南南召人，博士研究生，主要從事油氣安全工程方面的研究。

(編輯 沈玉英)