含硫天然氣泄漏后H2S擴(kuò)散模型對比分析

陳南熹 何佳坤 梁開武 廖凱 蘇美意

(1. 重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院， 重慶 401331； 2. 重慶市九龍坡區(qū)消防支隊(duì)六店子中隊(duì)， 重慶 400041)

川渝地區(qū)氣田采出的天然氣大部分含有H2S，且含硫量較高。含硫天然氣的危險性較高，一旦發(fā)生泄漏，容易引發(fā)中毒、火災(zāi)甚至爆炸等事故,后果嚴(yán)重[1-2]。含硫天然氣是一種混合氣體，主要由CH4和H2S組成，H2S屬于重氣。重氣在大氣中擴(kuò)散受到環(huán)境風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、地形條件等因素的影響[3]，其擴(kuò)散規(guī)律相對復(fù)雜，目前沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。含硫天然氣泄漏擴(kuò)散后，H2S的濃度分布及影響范圍可運(yùn)用重氣擴(kuò)散模型進(jìn)行模擬計(jì)算。含硫天然氣是混合氣體，泄漏后CH4和H2S同時發(fā)生擴(kuò)散，會使得H2S的擴(kuò)散規(guī)律變得更為復(fù)雜，因而各類模型模擬計(jì)算的結(jié)果并不一定準(zhǔn)確可靠。為了尋求適用于模擬含硫天然氣泄漏后H2S擴(kuò)散的模型，我們將分別運(yùn)用代表性的高斯煙羽模型、UDM模型及CFD模型進(jìn)行模擬計(jì)算，對比分析各模型的適用性。

1 重氣擴(kuò)散模型研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，國外開始利用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對重氣擴(kuò)散進(jìn)行研究[4]。為了計(jì)算更加簡便，基于大量重氣泄漏擴(kuò)散理論數(shù)據(jù)，國內(nèi)外研究人員建立了多種擴(kuò)散模型。

(1) 箱模型和相似模型。箱模型(Box Model，BM)可用于計(jì)算重氣云團(tuán)的平均半徑、高度等特征。該模型概念清晰，計(jì)算量較小，但只適用于簡單擴(kuò)散的危險評價。在箱模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列的拓展和修正，發(fā)展了相似模型。相似模型可以反映出重氣云團(tuán)內(nèi)部不同的速度場和濃度場[5]。

(2) 淺層模型。淺層模型(Shallow Layer Model，SLM)是基于淺水近似(淺層)理論[6]而發(fā)展形成的模型，主要通過簡化的重氣擴(kuò)散控制方程來描述其物理過程。淺層模型進(jìn)一步彌補(bǔ)了箱模型和相似模型的不足，但模型不完全成熟[6]。

(3) 高斯模型。高斯模型分為高斯煙羽模型和高斯煙團(tuán)模型[7]。模擬含硫天然氣的泄漏擴(kuò)散，一般選用計(jì)算連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯煙羽模型[8]。模型如式(1)所示：

(1)

式中： [C](x,y,z) —— 給定地點(diǎn)(x,y,z)的重氣質(zhì)量濃度，kgm3；

Q—— 連續(xù)泄漏的重氣質(zhì)量流量,kgs；

u—— 風(fēng)速，ms；

Hr—— 泄漏點(diǎn)到水平面的垂直距離,m；

σy、σz—— 側(cè)風(fēng)向、垂直風(fēng)向的擴(kuò)散系數(shù)；

x、y、z—— 下風(fēng)向距離、側(cè)風(fēng)向距離和垂直風(fēng)向距離，m。

使用該模型所需的假定條件較多，且只能模擬計(jì)算單一氣體的擴(kuò)散情況。但該模型具有應(yīng)用較早、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富、技術(shù)較為成熟、計(jì)算量較小等優(yōu)勢，因而在含硫天然氣泄漏擴(kuò)散研究方面得到廣泛應(yīng)用。陳曉坤等人以中國石油長慶油田第五采氣廠輸送管線為研究對象，結(jié)合具體場景，利用高斯煙羽模型對含硫天然氣在不同工況下的連續(xù)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[9]。

(4) UDM模型。UDM模型(Unified Dispersion Model)是一種復(fù)合模型，它以時間和距離為條件，通過方程求解，得到重氣擴(kuò)散后的濃度分布。該模型適用于噴射擴(kuò)散、重氣擴(kuò)散、被動兩相擴(kuò)散的模擬計(jì)算[10]。圖1所示為UDM幾何云團(tuán)持續(xù)擴(kuò)散運(yùn)動軌跡[10]。

圖1 UDM幾何云團(tuán)持續(xù)擴(kuò)散運(yùn)動軌跡

UDM模型應(yīng)用相對成熟，劉墨山利用該模型對川渝地區(qū)含硫天然氣的擴(kuò)散過程及影響因素進(jìn)行了分析研究[10]。但是，UDM模型模擬純凈物發(fā)生泄漏擴(kuò)散的精度較高，而對于混合物擴(kuò)散的模擬精度相對較低[11]。此外，UDM模型比較復(fù)雜，且計(jì)算量大，一般內(nèi)嵌于Phast軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

(5) 三維流體力學(xué)模型。三維流體力學(xué)模型基于計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)理論，流體流動符合物理守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[12]。

質(zhì)量守恒：

(2)

式中：ρ—— 密度，gm3；

t—— 時間，s；

u—— 速度，ms；

sm—— 連續(xù)相與離散相之間的質(zhì)量交換以及任何自定義的質(zhì)量源。

動量守恒(N-S方程)：

(3)

式中：ρ—— 靜壓，Pa；

τij—— 應(yīng)力張量，N；

Fi—— 外部張力，N。

能量守恒：

(4)

式中：T—— 溫度，K；

K—— 流體傳熱系數(shù)，W(m2·℃)；

cd—— 比熱容，J(g·℃)；

ST—— 黏性耗散系數(shù)。

CFD模型的計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算量大，因此一般利用CFX、Fluent、FLACS等基于CFD的商用軟件對重氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究。在模擬過程中，以常用的k-ε雙方程[13]作為理論基礎(chǔ)，再通過代入邊界值和氣體實(shí)際參數(shù)，將擴(kuò)散后每時刻氣體的濃度與距離之間的關(guān)系通過三維視圖模擬出來，得到的結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，且精度較高。

CFD模型可模擬多種氣體同時發(fā)生擴(kuò)散的情況，在含硫天然氣的泄漏擴(kuò)散研究方面得到了廣泛應(yīng)用。高永強(qiáng)利用基于CFD的模擬軟件和組分輸運(yùn)模型，模擬了高含硫架空天然氣管道的非穩(wěn)態(tài)泄漏和穩(wěn)態(tài)泄漏[14]。張寶柱等人利用Fluent軟件模擬了不同風(fēng)速條件下，高含硫天然氣管道發(fā)生的孔泄漏事故，以此來分析CH4和H2S的擴(kuò)散情況[15]。

根據(jù)各類重氣模型描述，對比分析各擴(kuò)散模型的特點(diǎn)，如表1所示。

2 數(shù)值模擬實(shí)例分析

選擇具有代表性的高斯煙羽模型、UDM模型及CFD模型，針對某地面集輸工程高含硫天然氣集輸管線泄漏擴(kuò)散場景進(jìn)行模擬分析。該段集輸工程天然氣中H2S的平均質(zhì)量濃度為32 gm3，管徑為100 mm，管道平均壓力為5 MPa。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選取泄漏孔徑為25 mm、風(fēng)速為2 ms的場景進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 重氣擴(kuò)散模型對比分析

2.1 模擬結(jié)果

分別利用高斯煙羽模型、內(nèi)嵌UDM模型的Phast軟件和基于CFD的Fluent軟件模擬相同工況下含硫天然氣發(fā)生泄漏擴(kuò)散的場景，獲取H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300×10-6、100×10-6、10×10-6的H2S擴(kuò)散云圖(見圖2)。

2.2 結(jié)果分析

在H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，對比氣體擴(kuò)散可達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。高斯煙羽模型模擬結(jié)果的數(shù)值最大，不同H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)下最遠(yuǎn)距離分別為35、73、347 m；UDM模型模擬結(jié)果的數(shù)值最小，不同H2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)下最遠(yuǎn)距離分別為19、44、286 m。

高斯煙羽模型的模擬結(jié)果偏大，是由于該模型一般用于計(jì)算中性氣體的擴(kuò)散，之所以用來計(jì)算重氣是因?yàn)橹貧鈹U(kuò)散存在重力沉降、空氣卷吸、云團(tuán)加熱和向中性氣體轉(zhuǎn)化等4個階段的變化[16]。運(yùn)用高斯煙羽模型計(jì)算出的是H2S擴(kuò)散到最后階段的結(jié)果，與另兩個模型的結(jié)果相比，其值偏大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，不考慮安全成本的情況下，可以利用高斯煙羽模型模擬含硫天然氣的泄漏擴(kuò)散情況，以確定H2S的毒害范圍。

UDM模型模擬含硫天然氣泄漏擴(kuò)散的結(jié)果偏小。這是因?yàn)楹蛱烊粴馐腔旌蠚怏w，在模擬過程中，H2S被CH4中和稀釋了一部分(即CH4稀釋了H2S的毒性)。這也印證了運(yùn)用UDM模型分析混合氣體擴(kuò)散結(jié)果精度相對較低的情況。

通過CFD模型模擬的H2S云圖可以看出，利用CFD模型預(yù)測含硫天然氣的擴(kuò)散效果最好，與實(shí)際情況吻合度最高。但是由于使用該模型的步驟復(fù)雜，計(jì)算量大且成本高，需要專業(yè)的人員才能操作，故該模型一般用于理論計(jì)算。在目前含硫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律的研究中，也多是利用CFD模型來進(jìn)行模擬。

圖2 3種模型的H2S擴(kuò)散云圖

3 結(jié) 語

對比分析了幾種典型重氣擴(kuò)散模型的原理、適用范圍、精度以及優(yōu)缺點(diǎn)?？梢钥闯觯没贑FD模型的模擬軟件來預(yù)測含硫天然氣泄漏后H2S的擴(kuò)散，精度最高，應(yīng)用范圍也最廣。但應(yīng)用該方法一般需要三維建模、網(wǎng)格劃分、程序編輯等復(fù)雜工序，工作量大，運(yùn)算速度慢，并且需要專業(yè)人員才能完成，故一般僅用于理論計(jì)算。高斯煙羽模型、UDM模型也可以用于預(yù)測含硫天然氣泄漏后H2S的擴(kuò)散情況，雖然精度低于CFD模型，但運(yùn)算速度快，使用相對簡單，故在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。

CFD模型雖然精確度高，但運(yùn)用此模型模擬時操作難度較高。在以后的研究中，可嘗試使CFD模型在保持準(zhǔn)確精度的基礎(chǔ)上降低操作難度。另外，也可通過CFD數(shù)值模擬結(jié)果，對現(xiàn)有的重氣擴(kuò)散模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，從而提高模型精度。