用CFD軟件模擬天然氣放空對(duì)環(huán)境的影響

李育天，姬忠禮，吳長(zhǎng)春，于陽

用CFD軟件模擬天然氣放空對(duì)環(huán)境的影響

李育天1, 2，姬忠禮1，吳長(zhǎng)春1，于陽3

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249； 2. 中國(guó)石油規(guī)劃總院，北京 100083； 3. 中國(guó)寰球工程有限公司，北京 100012）

結(jié)合輸氣管道放空系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和有關(guān)規(guī)范要求，采用TGNET軟件模擬放空立管口的泄放速率、溫度、馬赫數(shù)、流速等主要工藝參數(shù)。并運(yùn)用FLUENT軟件和PHAST軟件模擬了放空天然氣在大氣環(huán)境中的對(duì)流和擴(kuò)散后果，比較了二者的計(jì)算差異。最后對(duì)多種工況下的天然氣擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，兩種軟件均適用于輸氣管道放空時(shí)的天然氣擴(kuò)散模擬。實(shí)際操作中PHAST軟件的建模過程更為簡(jiǎn)便，模擬計(jì)算時(shí)間較短，計(jì)算結(jié)果可靠性較高，推薦其作為天然氣擴(kuò)散模擬的首選軟件。

輸氣管道；放空；CFD軟件；模擬；泄放速率；噪聲；擴(kuò)散范圍

輸氣管道的投產(chǎn)和運(yùn)行中，有時(shí)需通過閥室或站場(chǎng)放空系統(tǒng)將管段內(nèi)的天然氣釋放到大氣中。冷放空是最常用的放空方式之一，是通過放空立管，將天然氣直接釋放到大氣環(huán)境中，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需安全距離較短，不產(chǎn)生熱輻射等優(yōu)點(diǎn)。放空時(shí)天然氣噴射到大氣環(huán)境后會(huì)與空氣逐漸摻混，形成易燃易爆的蒸汽云團(tuán)。為了保障放空過程中周圍人員和設(shè)備的安全，需要對(duì)天然氣在空氣中的擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，計(jì)算安全擴(kuò)散半徑，并依此設(shè)計(jì)和建設(shè)放空系統(tǒng)，并在放空過程中指導(dǎo)設(shè)立安全警戒范圍。因此天然氣放空過程的模擬和分析是放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、放空方案編制的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行深入研究有積極意義。

目前國(guó)外針對(duì)輸氣管道放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要包括美國(guó)行業(yè)規(guī)范ASME B31.8國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO13623，歐洲標(biāo)準(zhǔn)SB EN12186，通過對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、北美和加拿大等國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)際進(jìn)行對(duì)比分析，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）輸氣管道的放空方式?jīng)]有強(qiáng)制要求，多數(shù)執(zhí)行不點(diǎn)火的放空方式；

（2）放空立管高度沒有明確規(guī)定，多數(shù)要求計(jì)算確定，一般高于3m；

（3）大多數(shù)石油公司都沒有給出最大允許防控總量和泄放速率的限制；

（4）在國(guó)外各規(guī)范中，放空作業(yè)是否需要集中排放沒有要求，只要能夠保證安全、快速排放到大氣中，設(shè)置放空立管和放散管都是可行的，對(duì)放空立管的設(shè)計(jì)方式。

國(guó)內(nèi)對(duì)于放空系統(tǒng)的研究起步較晚，多參考國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。截至目前我國(guó)針對(duì)輸氣管道放空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，涉及到放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要包括GB 50251-2015[1], GB 50183-2004[2]和SY/T 10043-2002[3]。其中GB 50251-2015給出了輸氣管道放空系統(tǒng)設(shè)置的一個(gè)總體的規(guī)定。GB 50183-2004對(duì)于放空系統(tǒng)的設(shè)置給出了位置、高度、防火安全間距等要求。SY/T 10043-2002《卸壓和減壓系統(tǒng)指南》與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API 521-1997《泄壓和減壓系統(tǒng)導(dǎo)則》[4]等同，用于指導(dǎo)分析過壓原因、確定泄放速率、選擇和設(shè)計(jì)處理放空系統(tǒng)

以上規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸氣管道擴(kuò)散作了原則性的規(guī)定，但是對(duì)具體計(jì)算和模擬沒有限制。實(shí)際放空天然氣在大氣中的擴(kuò)散過程受天然氣和大氣組分、溫度、環(huán)境風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、地形條件等多種因素的影響，擴(kuò)散過程非常復(fù)雜，通常采用CFD軟件對(duì)天然氣擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬分析，其中FLUENT和PHAST是較為常用的擴(kuò)散分析軟件。本文首次采用兩款軟件的分別模擬天然氣擴(kuò)散過程，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比模擬過程和結(jié)果，并推薦適合天然氣放空模擬的軟件。

1 天然氣放空過程

輸氣管道閥室和站場(chǎng)的放空可以簡(jiǎn)化為固定容積內(nèi)高壓天然氣通過放空閥的自由泄放過程。圖1為某輸氣管道閥室放空的示意圖。

圖1 輸氣管道放空閥室示意圖

如圖1所示，當(dāng)放空截?cái)嚅y1和2之間管段的天然氣時(shí)，關(guān)閉截?cái)嚅y1和截?cái)嚅y2，打開兩個(gè)截?cái)嚅y所在閥室內(nèi)的手動(dòng)閥，然后逐步開啟閥室內(nèi)的放空閥，將管段內(nèi)的天然氣通過放空管路和放空立管排入大氣。當(dāng)管段內(nèi)天然氣壓力降低到接近當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r(shí)，放空過程結(jié)束。

在條件允許的情況下宜采用計(jì)劃放空方式，即通過控制放空閥開度調(diào)整泄放速率，以保證放空產(chǎn)生的噪聲、放空管路振動(dòng)、天然氣最低溫度、天然氣擴(kuò)散范圍等關(guān)鍵指標(biāo)在可接受范圍之內(nèi)。

假設(shè)某待放空的輸氣管段長(zhǎng)24 km、外徑1 422 mm、壁厚32 mm、設(shè)計(jì)壓力12 MPa。放空初始時(shí)刻管段內(nèi)天然氣已停止流動(dòng)，其壓力為5.0 MPa，初始溫度為30 ℃，管存量為206.2×104m3。放空管路和放空立管直徑為406 mm，可以手動(dòng)控制放空閥開度，調(diào)節(jié)放空流量。由于工程上一般在管段兩端同時(shí)放空，當(dāng)兩端放空條件和環(huán)境相同時(shí)，圖1的放空模型可簡(jiǎn)化為1/2管段從一端放空，則初始時(shí)刻管段內(nèi)天然氣為103.1×104m3。

采用TGNET軟件模擬該管段12 h放空過程的天然氣流速和壓力變化。放空過程采用固定泄放速率放空方式，通過實(shí)時(shí)調(diào)整放空閥開度，保持放空立管口的天然氣泄放速率基本不變，最后一小時(shí)由于管段內(nèi)壓力急劇降低，泄放速率下降顯著。模擬所得的泄放過程參數(shù)隨時(shí)間關(guān)系趨勢(shì)見圖2。

圖2 泄放速率、壓力和溫度隨時(shí)間變化過程

放空過程持續(xù)12 h后，管段內(nèi)剩余壓力為0.1 MPa，剩余天然氣總量2 010 m3。放空前11小時(shí)天然氣的泄放速率基本穩(wěn)定在25 Nm3/s，最低溫度為-27 ℃，從放空立管口噴出的天然氣質(zhì)量流量約為18.8 kg/s，流速約為218 m/s。這些模擬結(jié)果將作為后續(xù)的天然氣擴(kuò)散過程模擬的已知條件。

2 FLUENT模擬天然氣擴(kuò)散

FLUENT已廣泛應(yīng)用于天然氣等物質(zhì)擴(kuò)散模擬領(lǐng)域。FLUENT的應(yīng)用可以分為前處理、模擬計(jì)算與后處理三部分。在進(jìn)行天然氣放空擴(kuò)散模擬時(shí)，前處理包括確定模擬空間、劃分模擬空間網(wǎng)格以及設(shè)置模擬空間邊界條件等。模擬計(jì)算是根據(jù)設(shè)置的初始條件和擴(kuò)散方程，用數(shù)值方法計(jì)算放空擴(kuò)散全過程中模擬空間網(wǎng)格點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）上的天然氣濃度，并輸出計(jì)算結(jié)果。后處理是對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化分析，以便于評(píng)價(jià)擴(kuò)散過程的安全性。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[5]，選擇如圖3所示的六面體作為天然氣擴(kuò)散的空間模擬環(huán)境。六面體底面長(zhǎng)25 m，寬10 m；頂面長(zhǎng)25 m，寬20 m；頂面和底面間距為30 m。其中天然氣放空立管口位于底面中心靠近上風(fēng)向5 m的位置。

圖3 天然氣擴(kuò)散模擬的三維空間

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度與計(jì)算速度的，在劃分模擬空間網(wǎng)格時(shí)，對(duì)天然氣濃度梯度大的放空立管出口附近3 m區(qū)域采用較小的網(wǎng)格，其邊長(zhǎng)為0.05 m，而在濃度梯度小的其它區(qū)域采用較大的網(wǎng)格，其邊長(zhǎng)0.3 m。應(yīng)用GAMBIT軟件自帶的自適應(yīng)六面體網(wǎng)格對(duì)模擬空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

對(duì)模擬空間設(shè)定的邊界條件為：放空立管出口的天然氣流速和溫度，具體數(shù)據(jù)為前面介紹的TGNET模擬結(jié)果；上風(fēng)面的空氣流速和溫度取當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的風(fēng)速20 m/s和大氣溫度27℃；頂面、底面、兩側(cè)面及下風(fēng)面的壓力取當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α?/p>

基于上述模擬空間的網(wǎng)格劃分及邊界條件，利用FLUENT模擬放空過程前11 h天然氣擴(kuò)散范圍，得到的模擬空間內(nèi)天然氣濃度分布見圖4。第1張圖是模擬空間的側(cè)視圖，顯示天然氣擴(kuò)散時(shí)在長(zhǎng)度和高度的影響范圍。第2至4張圖是放空口下游0、10和16.5 m處的正視圖，顯示天然氣擴(kuò)散時(shí)在寬度和高度的影響范圍。其中最內(nèi)層的是天然氣爆炸上限以上范圍（體積濃度高于16.5%），影響長(zhǎng)度約為0.6 m，寬度0.4 m，高度3.2 m。中間區(qū)域的是天然氣爆炸上、下限濃度范圍（體積濃度介于4.4%~16.5%），影響長(zhǎng)度約6.5 m，寬度約2.6 m，高度約4.8 m。最外層（綠色）的是天然氣濃度小于1/2爆炸下限的范圍，影響長(zhǎng)度約16.5 m，寬度約4.2 m，高度約9.5 m。剩余區(qū)域是天然氣濃度低于1/2爆炸下限。由此可見，天然氣擴(kuò)散范圍受自然風(fēng)的影響較大，影響區(qū)域集中在下風(fēng)向，并斜向上的區(qū)域。工程上一般將天然氣1/2爆炸下限作為安全擴(kuò)散半徑，因此FLUENT軟件模擬的安全擴(kuò)散半徑為16.5 m。

圖4　天然氣擴(kuò)散濃度FLUENT模擬結(jié)果

圖5 天然氣擴(kuò)散濃度PHAST模擬結(jié)果

3 PHAST模擬天然氣擴(kuò)散

PHAST是一款適用于石油石化領(lǐng)域危險(xiǎn)后果分析的軟件，其泄放和擴(kuò)散模型可模擬放空的天然氣在大氣中的擴(kuò)散過程。只要輸入放空立管高度和直徑、天然氣組分、泄放速率和溫度以及大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風(fēng)速等參數(shù)，PHAST就可模擬天然氣從放空立管口進(jìn)入大氣以后的濃度分布，并用等濃度線描述氣體云團(tuán)的高度和下風(fēng)距離，從而確定安全區(qū)域、易燃易爆區(qū)域和準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域[6]。

針對(duì)上節(jié)相同算例，PHAST 獲得的側(cè)風(fēng)向的天然氣影響范圍如圖5。圖中最內(nèi)層對(duì)應(yīng)天然氣爆炸上限以上濃度范圍（體積濃度高于16.5%），影響長(zhǎng)度約為0.8 m，高度3.1 m。中間區(qū)域?qū)?yīng)天然氣爆炸上、下限濃度范圍（體積濃度介于4.4%~16.5%），影響長(zhǎng)度約7.2 m，高度約6.2 m。最外層對(duì)應(yīng)天然氣濃度低于1/2爆炸下限（體積濃度為低于2.2%），影響長(zhǎng)度約16.3 m，高度約8.9 m。天然氣擴(kuò)散影響區(qū)域基本集中在下風(fēng)向且向上傾斜的區(qū)域。從圖5可知安全擴(kuò)散半徑為16.3 m。

4 模擬結(jié)果對(duì)比分析

FLUENT和PHAST的模擬結(jié)果對(duì)比如表1，可見二者模擬的爆炸上、下限區(qū)域較為接近，最大偏差為8%，且安全擴(kuò)散半徑的模擬偏差僅為1%。

表1 FLUENT和PHAST擴(kuò)散模擬結(jié)果

表2 不同工況的擴(kuò)散模擬結(jié)果

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果對(duì)不同放空工況的適應(yīng)程度，分別用FLUENT和PHAST對(duì)多種放空方案的擴(kuò)散過程進(jìn)行了模擬，見表2。其中，v表示泄放速率，m表示質(zhì)量流量，表示流速，w表示風(fēng)速?？梢钥闯觯涸诓煌狗潘俾?、放空立管出口流速和環(huán)境風(fēng)速下，分別用FLUENT和PHAST確定的安全擴(kuò)散半徑比較接近，四種工況模擬結(jié)果的最大相對(duì)偏差為8%，平均相對(duì)偏差為4%。

5 結(jié)論

（1）對(duì)應(yīng)本文所涉及的放空方案，由FLUENT和PHAST模擬得到的天然氣安全擴(kuò)散半徑的最大相對(duì)偏差為6%，平均相對(duì)偏差為4%。兩款軟件的模擬結(jié)果比較接近，均可作為天然氣閥室和站場(chǎng)放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

（2）鑒于PHAST是專門用于石油化工領(lǐng)域危險(xiǎn)后果分析的軟件，應(yīng)用于天然氣放空擴(kuò)散過程模擬比FLUENT更方便，模擬結(jié)果略偏保守，故推薦PHAST作為天然氣放空過程模擬的首選軟件。

［1］ 諶貴宇,湯曉勇,郭佳春,孫在榮,李強(qiáng),郭辰華,等. GB50251-2015輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[M]. 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2015.

［2］ GB 50183-2004石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2004.

［3］ SY/T 10043-2002. 卸壓和減壓系統(tǒng)指南[S]. 北京:石油工業(yè)出版社,2002.

［4］ 董剛, 唐維維, 杜春, 楊君濤, 于彥飛. 高壓管道天然氣泄漏擴(kuò)散過程的數(shù)值模擬[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2009, 5(6): 253-256.

［5］ 王赟, 李曉青, 孫建宇, 趙志超, 周瑞. 基于Fluent的坡面天然氣管道破裂泄漏擴(kuò)散模擬[J]中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014, (s1): 753-757.

［6］梁俊奕. 天然氣長(zhǎng)輸管道火炬放空擴(kuò)散規(guī)律研究[J]. 當(dāng)代化工. 2016, 45(3): 559-563.

Environmental Impact Simulation of Gas Pipeline Venting by CFD Software

1,2,1,1,3

（1. China University of Petroleum at Beijing, Beijing 102249, China; 2. PetroChina Planning & Engineering Institute, Beijing 100083, China; 3. China Huanqiu Contracting & Engineering Co., Ltd., Beijing 100012, China)

Based on the process characteristics and corresponding standard specification of the ventilation system, the main operation parameters of natural gas vertical pipe, including discharge rate, temperature, Mach number, flow rate, etc., were simulated by TGNET. Then FLUENT and PHAST were applied to simulate the convection and diffusion process of the natural gas under air condition, and the results simulated by the two kinds of software were compared. Finally, the natural gas diffusion results under various conditions were investigated. The results show that both FLUENT and PHAST can be applied to simulate the diffusion process of natural gas pipeline venting system. But the modeling process of PHAST software is more simple, the calculation time is shorter, and the reliability of the results are more credible, so the PHAST software is recommended as the preferred software for simulating the diffusion process for natural gas.

Gas pipeline; Venting; CFD software; Simulation; Flow rate; Noise; Diffusion range

TE 624

A

1671-0460（2017）12-2556-04

2017-05-25

李育天（1985-），男，陜西省渭南市人，工程師，博士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），主要從事油氣長(zhǎng)輸管道、油氣田地面工程、液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)等領(lǐng)域的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail：lyt18@163.com。