基于FLUENT的海上平臺天然氣儲罐泄漏擴散研究

曲晶，陳 凱

（1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318；　2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

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基于FLUENT的海上平臺天然氣儲罐泄漏擴散研究

（1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

針對海上石油平臺天然氣儲罐泄漏擴散問題，基于計算流體動力學軟件 FLUENT，參照某海洋平臺，建立海上平臺的二維模型。模擬得到不同風速、泄漏孔徑和泄漏速度條件下天然氣在海上平臺的泄漏擴散分布規(guī)律，并根據(jù)天然氣5%～15%的爆炸極限模擬出天然氣泄漏后的危險區(qū)域。模擬結果表明不同風速、泄漏孔徑和泄漏速度與天然氣泄漏擴散之間的規(guī)律并以此預測天然氣泄漏擴散危險區(qū)域。為此類事故的預防、控制以及海上平臺人員應急逃生方面均提供了參考。

海上平臺；FLUENT；天然氣泄露；擴散規(guī)律

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，對油氣資源的需求量也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計，中國海洋石油資源量為246億t，占全國石油資源總量的23%；海洋天然氣資源量為16萬億m3，占全國總量的30%［1］。根據(jù)我國海洋石油 2015年遠景規(guī)劃，截至 2015年，我國共有30多個油田待開發(fā)，需建造70多座海洋石油平臺，新建或改裝10多艘FPSO［2］。海上石油平臺是進行石油勘探、開發(fā)和采集的重要場所，具有設備尺寸小，效率高，布局緊湊和自動化程度高的特點。天然氣的泄漏擴散問題在海上石油平臺時有發(fā)生，天然氣一旦泄漏，其易燃、易爆、易擴散的特征會帶來嚴重后果，會給平臺造成巨大的人員傷亡和財產損失［3-8］。

天然氣泄露后，各組分的氣體在大氣中會有不同的擴散規(guī)律，再加上復雜的大氣條件和地表環(huán)境，導致天然氣的泄露擴散復雜多變。針對海上石油平臺天然氣儲罐的泄漏擴散問題，基于計算流體動力學軟件FLUENT進行天然氣泄漏擴散模擬，用有限體積法對其求解，計算分析在不同大氣風速、泄露速度和泄露孔孔徑條件下的天然氣泄漏擴散規(guī)律，為此類事故的預防、控制和平臺人員應急逃生提供了重要參考。

1　計算模型

1.1幾何建模與網格劃分

本次模擬海上平臺尺寸為70 m×70 m，對平臺上的部分設備和結構依據(jù)其功能進行簡化，分別簡化為工作區(qū)、生活區(qū)、原油處理器區(qū)和天然氣儲罐。對不同天然氣儲罐泄漏孔徑進行幾何建模，并通過ICEM軟件對其進行網格劃分。為使計算結果更加趨近真實情況，對泄露孔附近的網格進行局部加密。最終所得網格數(shù)為286 152個，節(jié)點數(shù)為20 433，其二維網格示意圖如圖1所示。

圖1　平臺二維網格模型Fig.1 Two-dimensional grid model of platform

1.2計算方程

任何流體的流動都必須滿足質量守恒定律，天然氣泄漏擴散過程中的氣體也必須滿足質量守恒定律，也稱作連續(xù)性方程。

連續(xù)性方程：

氣體流體的流動也必須滿足動量守恒定律，也就是牛頓第二定律。

動量方程：

能量方程：

式中，μ是流體粘度；Pc為比熱容；T是溫度；k是原油的傳熱系數(shù)；TS為粘性耗散項。

海上平臺天然氣儲罐壓力較大，天然氣泄漏時的會有很大的速度，其運動符合湍流運動，因此采用標準ε

k模型來模擬天然氣泄漏擴散過程。在湍流工程計算中，標準εk兩方程模型應用最為廣泛，其k和ε是兩個未知量，其方程分別是［9］：

式中，kG是由平均速度梯度引起的湍動能K的產生項；bG是由浮力引起的湍動能K的產生項；MY是指可壓湍流中脈動擴張的貢獻；ε1C、ε2C和ε3C 是經驗常數(shù)；kS和εS分別是用戶定義的源項。

標準k-ε模型中的經驗常數(shù)分別為：ε1C=1.44，

k模型中，ε表示湍動耗散率，其定義為：在ε-

在一個特定的系統(tǒng)中如果含有多種組分，每一種組分都需要遵守組分質量守恒定律，即組分方程。該方程可表述為：系統(tǒng)內某種化學組分質量對時間的變化率，等于通過系統(tǒng)界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分的生產率之和［10］。

組分s的組分質量守恒方程是：

式中，sc為組分s的體積濃度；scρ是該組分的質量濃度；sD是該組分的擴散系數(shù)；ss是系統(tǒng)內部時間內單位體積通過化學反應產生的該組分的質量，即生產率。上式中的四項從左至右依次為時間變化率、對流項、擴散項和反應項。

1.3邊界條件以及參數(shù)選擇

本次模擬海上平臺計算區(qū)域選取水平方向70 m，豎直方向70 m。根據(jù)泄露孔孔徑的大小，泄漏可分為小孔泄漏和大孔泄露?？讖叫∮?0 mm為小孔泄漏，孔徑在20到80 mm為大孔泄漏。故此次模擬孔徑分為20、50和80 mm三種不同條件。平臺所在海域常年盛行刮西南風和南風，其中每年平均風速為 7.3 m/s。分別對以上情況下天然氣擴散泄露進行模擬，模擬泄漏事件為100 s。定義進出口邊界條件分別為速度入口和壓力出口，入口速度依據(jù)不同泄漏速度選取，出口壓力取一個標準大氣壓。在一個標準大氣壓下，天然氣的傷害下限為 1%，爆炸極限為5%～15%，因此取1%、5%、15%作為評價天然氣泄漏危害的重要指標。模擬選擇εk兩方程模型并將壁面條件選擇為加強壁面函數(shù)條件。由于涉及泄漏擴散問題，應用組分輸運模型（Species Transport），而不啟用化學反應模型。為提高計算精度，采取二階迎風差分格式和SIMPLE算法求解。

對于海上石油平臺，天然氣擴散泄漏會受到大氣條件、地面布置情況等諸多方面的影響。由于影響天然氣泄漏擴散的因素很多，做出如下的簡化和假設。

（1）平臺上風向為水平方向，風速和風向固定不變，不隨時間發(fā)生變化。

（2）天然氣泄漏過程與外界環(huán)境不進行熱量交換，即氣體流動為絕熱流動。

（3）泄露孔口附近氣體視為不可壓縮流體，處于湍流狀態(tài)。

基于上述簡化與假設，建立海上石油平臺天然氣泄漏擴散的數(shù)學模型并對其進行模擬。

2　模擬結果與分析

2.1不同風速大小對天然氣泄漏擴散影響分析

根據(jù)此海上平臺所處海域年平均氣象條件制定模擬工況。（1）在泄漏孔徑 80 mm，泄露速度200 m/s，風向為南風的條件下，分別模擬靜風風速下（0.5 m/s）和年海上平均風速下（7.3 m/s）天然氣的泄露擴散規(guī)律；（2）在泄漏孔徑80 mm，泄露速度200 m/s，風向為西南風的條件下，分別模擬靜風風速下（0.5 m/s）和年海上平均風速下（7.3 m/s）天然氣的泄露擴散規(guī)律。所得天然氣模擬擴散分布如圖2和圖3所示。

圖2　南風風向下天然氣泄露擴散圖Fig.2 Natural gas leak diffusion figure under the direction of the south wind

圖3　西南風風向下天然氣泄露擴散圖Fig.3 Natural gas leak diffusion figure under the direction of the southwest wind

從圖4中的天然氣泄露危險區(qū)域分布圖可以看出，在南風靜風條件下，工作區(qū)和生活區(qū)的北側完全被危險氣體覆蓋，這時應從東西兩側的逃生通道逃生；在南風風速達到7.3 m/s時，工作區(qū)北部和生活區(qū)西北部的區(qū)域會很危險。從圖5中可以看出在西南風向靜風條件下，生活區(qū)的北部會被天然氣覆蓋，工作區(qū)東北方有待擴散氣體，應盡快沿著平臺的外邊界進行逃生；在西南方向風速7.3 m/s時，泄漏氣體對平臺的工作和生活區(qū)域造成的危害有限。

圖4　南風風向下天然氣泄露危險區(qū)域圖Fig.4 Dangerous area figure of natural gas leakage under the direction of the south wind

圖5　西南風風向下天然氣泄露危險區(qū)域圖Fig.5 Dangerous area figure of natural gas leakage under the direction of the southwest wind

2.2不同泄漏孔徑對天然氣泄漏擴散影響分析

圖6給出的是在泄露速度為200m/s，風向為南風，風速為7.3 m/s的條件下，不同泄漏孔孔徑（20，50，80 mm）對天然氣擴散泄露的影響。

圖6　不同泄露孔徑下天然氣泄露分布圖Fig.6 Natural gas leak diffusion figure under the different diameter of leakage hole

從圖7給出的不同泄露孔徑下天然氣泄露危險區(qū)域分布圖中可以看出，在泄漏孔徑為20 mm的小孔泄漏時，工作區(qū)北部和東側會有危險氣體擴散；在泄漏孔孔徑為50 mm條件下，生活區(qū)北側會有大量危險氣體，應選擇從兩側的應急逃生通道逃生；在泄漏孔孔徑擴大到80 mm時，工作區(qū)北側和生活區(qū)東北側有著濃度范圍較大的危險氣體，要避免經過這些區(qū)域進行逃生。

圖7　不同泄露孔徑下天然氣泄露危險區(qū)域圖Fig.7 Dangerous area figure of natural gas leakage under the different diameter of hole leakage

2.3不同泄漏速度對天然氣泄漏擴散影響分析

當泄漏孔徑為 80 mm，風向為南風，風速為7.3 m/s的條件下，不同泄漏速度（100，200，300 m/s）對天然氣擴散泄露的影響如圖8所示。

圖8　不同泄露速度下天然氣泄露分布圖Fig.8 Natural gas leak diffusion figure under the different leakage rate

從圖9不同泄露速度下天然氣泄露危險區(qū)域分布圖中可以看出，隨著泄漏速度的增加，泄漏氣體云在逐漸擴大，天然氣的危險區(qū)域在不斷的向生活區(qū)靠近。這就要求平臺上的人員需要在發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏的第一時間從安全通道撤離并啟動緊急預案來處理泄漏事故。

圖9　不同泄露速度下天然氣泄露危險區(qū)域圖Fig.9 Dangerous area figure of natural gas leakage under the different leakage rate

3　結 論

運用 FLUENT軟件中的組分輸運模型對海上石油平臺的天然氣儲罐泄漏模擬進行二維數(shù)值模擬，較大程度上對天然氣擴散泄露過程進行了真實還原。

通過此次模擬可以得出：當環(huán)境風速較低達到靜風條件時，天然氣泄漏擴散產生的危害較大，天然氣會逐漸擴散彌漫到整個平臺區(qū)域而且濃度很大；隨著泄露速度和泄漏孔徑增大，危險區(qū)域會逐漸向生活區(qū)靠近，對平臺人員產生危害。模擬表明FLUENT軟件對類似危險氣體泄露擴散模擬有著較大優(yōu)勢，為危險區(qū)域的劃分以及人員應急逃生通道的定制提供了參考。

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Study on Leakage and Diffusion of Natural Gas Containers on the Offshore Platform Based on FLUENT

QU Jing-yu1，CHEN Kai2
（1. College of Petroleum Engineering , Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

In order to study leakage and diffusion of natural gas containers on the offshore platform,based on computational fluid dynamics software FLUENT, taking an offshore platform as reference, a two-dimensional model of offshore platform was established. The leakage and diffusion laws of natural gas on the offshore platform were obtained under the different condition of wind speed, diameter of leakage hole and leakage rate. The dangerous area after the leakage of natural gas was determined according to the gas explosion limit of 5% -15%.Simulation results show that,the different wind speed, diameter of leakage hole and leakage rate have effect on gas leakage and diffusion ,then the danger area of the leakage and diffusion of natural gas can predicted based on these factors.

offshore platform; FLUENT; natural gas leak; diffusion law

曲晶（1993-），男，黑龍江省大慶人，碩士研究生，研究方向：長輸管線運行優(yōu)化。E-mail：15845821951@163.com。

X397； TE58

A

1671-0460（2016）05-1082-04

2016-03-27