壓縮機廠房可燃氣體泄漏擴散的數(shù)值模擬

范勇 榮蕾 李勝利 李麟 孫德靜 田濤

1.中國石油管道局工程有限公司設(shè)計分公司 2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲氣庫分公司

壓縮機是天然氣長輸管道的核心設(shè)備，其所在的壓縮機廠房能為壓縮機提供保護，亦能減少壓縮機運行時對外界噪聲和震動的影響。作為長輸管道的核心，壓縮機廠房的安全處于至關(guān)重要的地位，天然氣在廠房內(nèi)的泄漏易造成爆炸的風險，為將壓縮機廠房的風險降低到可接受的范圍內(nèi)，需要有減緩風險的措施[1-5]。通過計算機建模和運用流體力學在泄漏工況下的數(shù)值模擬計算，得出通用結(jié)果，能夠有效指導可燃氣體探測器的選型和布置。

本研究使用CFX軟件對長輸管道壓氣站內(nèi)壓縮機廠房可燃氣體泄漏擴散場景進行數(shù)值模擬計算[6]，為壓縮機廠房內(nèi)部可燃氣體探測器選型及布點提供指導方案。

1 計算背景

長輸管道壓氣站內(nèi)主要分為壓縮機廠房區(qū)、工藝設(shè)備區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)及生活區(qū)幾個區(qū)域。壓縮機廠房通常位于壓氣站內(nèi)工藝設(shè)備區(qū)附近，主要由壓縮機及其配套系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)驅(qū)動形式的不同，國內(nèi)常用的壓縮機類型為電驅(qū)壓縮機及燃驅(qū)壓縮機。通常在電力供應(yīng)充足且穩(wěn)定的情況下使用電驅(qū)壓縮機組，而在電力供應(yīng)不充足或不穩(wěn)定區(qū)域優(yōu)先采用燃驅(qū)壓縮機組。兩種壓縮機組在通風系統(tǒng)的輔助下均需設(shè)置在壓縮機廠房內(nèi)[7-8]。

本研究參考國內(nèi)已建的西氣東輸長輸管道某站場，針對常用壓縮機廠房設(shè)置類型，選取了設(shè)置4臺電驅(qū)壓縮機組的電驅(qū)壓縮機廠房進行了模擬計算。

2 數(shù)學模型

任何流體的流動情況都是以質(zhì)量、動量和能量三大守恒定律來作為基礎(chǔ)的。流體的流動在歐拉坐標下應(yīng)滿足下列基本方程[9-12]。計算中僅考慮流體的流動，未考慮流體的傳熱及反應(yīng)，因此流體在歐拉坐標下需滿足以下基本方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

式中：αk為第k相體積分數(shù)；ρk為第k相的密度，kg/m3；uk為第k相的速度，m/s；p為反應(yīng)器內(nèi)的壓力，Pa；τk為第k相的應(yīng)力張量，Nm2；g為重力加速度，m/s2；Fjk為j與k相之間的動量交換系數(shù)，N/m3。

3 幾何模型、邊界條件及求解方法

3.1 幾何模型

壓縮機廠房為設(shè)置了4臺電驅(qū)壓縮機組的單層鋼結(jié)構(gòu)甲類廠房，建筑面積2 270，廠房長度97.2 m，寬度29 m，廠房為尖頂，建筑高度11 m[13]，如圖1所示。

壓縮機廠房的通風方式為送風箱地溝送風，屋頂風機排風，送風箱數(shù)量2臺，全部開啟，單臺送風量70 000 m3/h；屋頂風機數(shù)量22臺，正常運行時開啟11臺，事故通風時，全部開啟，單臺排風量22 700 m3/h[14]。

計算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目55萬，對氣流變化劇烈的區(qū)域網(wǎng)格局部進行加密。圖2 為計算網(wǎng)格圖，其中圖2(a)為壓縮機廠房外墻面及屋頂風機，圖2(b)為廠房內(nèi)主要設(shè)備網(wǎng)格圖。

3.2 邊界條件和求解方法

3.2.1邊界條件

計算的邊界條件如圖3所示，圓球中心為可燃氣體泄漏源位置，箭頭表示此邊界條件處的介質(zhì)流向。

進口采用速度入口；

出口采用指定目標流量的壓力出口；

壁面采用無滑移的壁面；

計算介質(zhì)為常溫常壓下的空氣和西氣東輸管道目前輸送的主要氣源；

空氣為連續(xù)相，天然氣為離散相，采用歐拉雙流體模型，湍流計算方法選用標準κ-ε模型[15-18]；

進口和出口處的湍流指定方法均使用的是湍流強度和水力直徑；

壓力和速度的耦合方法采用SIMPLE算法[19-20]；

采用三維穩(wěn)態(tài)方法進行計算。

3.2.2可燃氣體泄漏位置及泄漏量

壓縮機組及管道系統(tǒng)在運行過程中由于壓力變化、溫度變化、材料缺陷、施工缺陷、運行失誤、管道振動等原因均可能導致管道薄弱位置發(fā)生泄漏[21-23]。本研究選取管道可能發(fā)生泄漏的位置如下：

(1) 分支管線開孔位置、儀表開口位置。

(2) 管道法蘭、螺紋、卡套等連接接頭位置。

(3) 存在泄漏可能的輔助橇座。

泄漏點采用一定質(zhì)量流率的源點，泄漏量采用ISA-TR84.00.07-2010《Technical Report Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness》(關(guān)于火災、可燃氣體和有毒氣體對系統(tǒng)影響評估的技術(shù)報告指南)中基于環(huán)境的泄漏評估方法及泄漏量確定[13-14]，計算在小泄漏量下的可燃氣體含量分布。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上文中的潛在泄漏點原則，4臺電驅(qū)壓縮機廠房內(nèi)的潛在泄漏點約為60多個，考慮到各泄漏點泄漏后氣流規(guī)律相似，僅對壓縮機出口管線處的1個泄漏點計算結(jié)果進行了分析。

4.1 壓力分布

圖4為壓縮機廠房內(nèi)燃氣泄露時的壓力分布云圖，廠房內(nèi)壓力呈上部壓力略大于底部壓力，壓縮機廠房內(nèi)為微負壓狀態(tài)。這是因為計算中壓縮機廠房內(nèi)風箱進風量小于屋頂風機排風量，從而造成廠房內(nèi)呈微負壓狀態(tài)。壓縮機廠房在實際運行過程中，廠房除了從風箱進風外，廠房內(nèi)的門窗并不是完全封閉的，門窗也會起到一些補風作用,維持廠房內(nèi)壓力不變。因門窗進風量無法量化，且壓力變化相比大氣壓1.0×105Pa，基本可以忽略。因此，本次計算不考慮門窗進風量，將空氣當做不可壓縮流體進行簡化[16]。

4.2 可燃氣體含量分布

本次計算中可燃氣體采用的混合氣體，主要成分為天然氣，可燃氣體組成見表1。

表1 可燃氣體組成表Table1 Componentsofcombustiblegas組分C1C2C3i?C4n?C4y/%92．54693．95820．33530．11580．0863組分i?C5CO2N2H2Sy/%0．22101．89090．84550．0001

從圖5和圖6可看到，可燃氣體從泄漏點泄漏后，因壓力差，呈噴射狀噴出，同時很快向四周擴散，在泄漏點周圍呈球狀分布，含量梯度較大?？扇細怏w的密度小于空氣，因此可燃氣體隨著送風機的氣流向廠房頂部及側(cè)面擴散，最終穩(wěn)定狀態(tài)在屋頂處呈“倒7”型分布。

大部分可燃氣體隨著屋頂風機的排風作用從廠房頂部排出，除泄漏口附近外，在靠近屋頂處可燃氣體的含量最大，因泄漏點存在位置不確定性，且考慮在每一個潛在泄漏點處均設(shè)置可燃氣體報警器經(jīng)濟上不可行。故建議以后在考慮安裝及維修條件的同時，將壓縮機廠房內(nèi)的可燃氣體報警器盡可能地靠近屋頂，以達到第一時間捕捉到可燃氣體，提高預警效果的目的。

從圖7可以看出，一部分可燃氣體聚集在廠房內(nèi)放置送風箱側(cè)墻壁上部角落，在此處形成了通風死角，長時間的聚集必定會在壓縮機廠房內(nèi)形成安全隱患，需要考慮消除此通風死角。

5 結(jié)構(gòu)改進

5.1 幾何模型及邊界條件

為了消除送風箱側(cè)潛在的通風死角，考慮在壓縮機廠房內(nèi)送風箱側(cè)墻壁上部增加幾處自然通風口，本研究增加了4處1 000 mm×300 mm的自然通風口進行計算(見圖8)。

5.2 可燃氣體含量分布

從圖9中可以看出，在增加了頂部自然通風口后，壓縮機廠房內(nèi)的氣流組織變化比較大，可燃氣體在壓縮機廠房內(nèi)擴散成球狀之后，直接被吹散，改變了原廠房內(nèi)可燃氣體的“倒7”型分布，同時送風箱側(cè)墻壁上部的通風死角內(nèi)積累的可燃氣體明顯變少，說明增加頂部自然通風口對于消除通風死角，改善可燃氣體聚集情況效果明顯。

計算的跡線圖顯示(見圖10)，空氣從通風地溝吹出，部分空氣攜帶可燃氣體從頂部屋頂風機排至壓縮機廠房外，部分空氣攜帶可燃氣體從側(cè)面通風口排出廠房外。自然通風口處的計算結(jié)果顯示氣體的流向為從壓縮機廠房向外，呈排風狀。因此，在設(shè)置通風口的時候不需考慮設(shè)置過濾設(shè)備，亦可以直接將自然通風口改為排風口。

6 結(jié) 論

針對西氣東輸管道上設(shè)置了4臺電驅(qū)壓縮機組的典型壓縮機廠房，進行了可燃氣體泄漏數(shù)值計算。對廠房內(nèi)可燃氣體泄漏后，可燃氣體在壓縮機廠房內(nèi)的速度及含量分布情況進行了分析。計算結(jié)果顯示可燃氣體在壓縮機廠房內(nèi)呈“倒7”型分布，除去泄漏口附近外，壓縮機廠房頂部靠近屋頂處可燃氣體含量最大，得出壓縮機廠房內(nèi)可燃氣體探測器的布置位置應(yīng)盡量靠近頂部，同時可燃氣體在送風箱側(cè)墻壁上部角落有聚集。

在送風箱側(cè)墻壁頂部設(shè)置了4處自然通風口后，計算結(jié)果顯示，改善了壓縮機廠房內(nèi)可燃氣體的聚集，說明增設(shè)自然通風口能夠削減可燃氣體的聚集。增設(shè)通風口方案合理有效，應(yīng)在以后項目中推廣此方案。

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