基于計(jì)算流體動力學(xué)的海上氣體擴(kuò)散安全評價

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(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；4.中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

隨著化工和油氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，海上油氣管道成為不可替代的重要輸送工具。但是面對復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境和第三方損壞[1]，存在極大的水下管道破損失效引發(fā)可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散的事故風(fēng)險。一旦發(fā)生海上可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散事故，若錯誤指導(dǎo)應(yīng)急搶險船作業(yè)，極有可能引發(fā)人員中毒及爆炸燃燒事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和船舶設(shè)備損傷[2-3]。因此，有必要研究海上開敞空間的氣體擴(kuò)散規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測氣體體積分?jǐn)?shù)(后文稱濃度)分布范圍和擴(kuò)散趨勢，評估安全作業(yè)半徑，為制訂安全合理的海上應(yīng)急搶險方案和作業(yè)指導(dǎo)提供有效的信息依據(jù)。

氣體泄漏擴(kuò)散的研究場景眾多，主要有陸上和海底氣體管道[3-5]、海洋平臺內(nèi)部模塊[6-7]、煉化廠區(qū)以及油氣儲配站[8-9]等目標(biāo)場景下氣體泄漏擴(kuò)散研究。主要研究方法有試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型和CFD方法[10]。在試驗(yàn)方面：挪威CMR實(shí)驗(yàn)室開展縮尺比海上平臺氣體泄漏擴(kuò)散試驗(yàn)研究[11]；20世紀(jì)七八十年代，國外開展一系列旨在研究LNG蒸發(fā)、擴(kuò)散和燃燒機(jī)理，并為數(shù)值模型驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)，如Burro系列[12]、Coyote系列[13]和Falcon系列[14]試驗(yàn)。在數(shù)學(xué)模型方面，國內(nèi)外學(xué)者提出眾多被廣泛接受并應(yīng)用的預(yù)測模型，例如高斯模型、唯象模型、Sutton模型、箱及相似模型、淺層模型和FEM3模型等[15-17]。隨著計(jì)算機(jī)軟件和有限元理論的發(fā)展完善，基于CFD的數(shù)值方法可以更好地模擬氣體泄漏擴(kuò)散過程中濃度場、溫度場的實(shí)際分布，得到研究學(xué)者的廣泛應(yīng)用[18]。李新宏等[19]采用CFD方法預(yù)測天然氣在海水中的運(yùn)移軌跡；劉百臣等[20]應(yīng)用專業(yè)三維CFD模擬軟件KFX模擬立管水下泄漏后的氣體擴(kuò)散和火災(zāi)情況，分析事故后果對直升機(jī)甲板的影響。

目前，國內(nèi)外圍繞水下泄漏氣體擴(kuò)散趨勢的研究較多，但對于海上開敞空間氣體擴(kuò)散事故后，針對搶險船舶作業(yè)安全距離的評價研究相對較少。本文采用CFD軟件Fluent對Burro系列氣體擴(kuò)散現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行建模計(jì)算，對比驗(yàn)證不同距離監(jiān)測點(diǎn)氣體濃度最大值以及濃度范圍隨時間的變化趨勢。利用驗(yàn)證的模型方法，以渤海某氣田海域?yàn)槔?，對海上氣體泄漏擴(kuò)散事故進(jìn)行船周氣體濃度分布研究，并對不同泄漏速度、風(fēng)速下?lián)岆U船安全作業(yè)距離進(jìn)行安全評價，為海上氣體泄漏擴(kuò)散應(yīng)急搶險作業(yè)安全指導(dǎo)提供參考。

1 計(jì)算理論

本文采用Fluent流體動力學(xué)軟件中的有限體積法進(jìn)行模擬計(jì)算，聯(lián)合雷諾時均Navier-Stokes方程(RANS)[21]，對氣體擴(kuò)散過程的基本控制方程(連續(xù)性、動量、能量、組分輸運(yùn)等)進(jìn)行離散求解[22]?？紤]開敞空間氣體擴(kuò)散的具體情況，采用Realizablek-ε湍流模型[23-24]模擬氣體的流場分布，模型中湍流黏度μt、湍動能k和湍動能耗散率ε的方程分別為

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：ρ為氣云密度；Cμ為湍流黏性常數(shù)；uj為j方向的位移分量；xj為j方向的坐標(biāo)分量；μ為動力黏度系數(shù)；Gk和Gb分別為黏性力和浮力作用下的湍流項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中的波動擴(kuò)張項(xiàng)；Sk和Sε分別為k和ε的源項(xiàng)；v為運(yùn)動黏度系數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為方程因數(shù)。

2 模型驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

Burro系列試驗(yàn)為 1980年在美國China Lake完成的研究不同氣象條件下LNG在水面液池上蒸發(fā)擴(kuò)散的試驗(yàn)，泄漏液池直徑為58 m，分別在高1 m，距泄漏源中心下風(fēng)向57 m、140 m、400 m和800 m處設(shè)置監(jiān)測儀器[25-26]進(jìn)行氣體濃度測定，較符合本文的海上氣體擴(kuò)散研究工況。為了驗(yàn)證模型的有效準(zhǔn)確性，選取B3～B9共 5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果作對比，具體試驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

圖1 計(jì)算域邊界條件

建立三維對稱模型，設(shè)置x軸正方向?yàn)橄嘛L(fēng)向，y軸正方向?yàn)樗絺?cè)風(fēng)向，z軸正方向?yàn)榇怪彼嫦蛏戏较?。?jì)算域尺寸：x方向長度為以泄漏液池中心為基點(diǎn)上風(fēng)向100 m，下風(fēng)向900 m；y軸方向長度為300 m；z軸方向長度為50 m，模型關(guān)于xz平面對稱。對天然氣泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬，天然氣主要成分為甲烷，在模型物料選擇時設(shè)定為甲烷氣體。

2.2.1 邊界條件

模型邊界設(shè)定有：風(fēng)流出入口、計(jì)算域側(cè)面和頂面、對稱面、氣體泄漏入口和海面，具體計(jì)算域邊界設(shè)置如圖1和表2所示。

表2 邊界條件

對于天然氣泄漏入口，需設(shè)定氣體的入口速度vNg及對應(yīng)的湍流動能k和湍流耗散率ε，計(jì)算公式分別為

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：(ρv)liq為LNG的質(zhì)量流量，取0.195 kg/(m2·s)；ρNg為天然氣密度，在111 K時約為1.76 kg/m3；T為泄漏氣體湍流強(qiáng)度，取0.1；Cμ為湍流黏性常數(shù)，取0.09；D為液池直徑。

2.2.2 初始風(fēng)場

氣體擴(kuò)散的主要動力來自于大氣流動的風(fēng)，風(fēng)向決定氣體擴(kuò)散方向，風(fēng)速影響氣體運(yùn)動速率、氣云團(tuán)形狀和氣體濃度。為了準(zhǔn)確模擬風(fēng)場實(shí)際情況，需在計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行風(fēng)場穩(wěn)態(tài)模擬，形成一定大氣穩(wěn)定度的初始風(fēng)場，再進(jìn)行氣體泄漏擴(kuò)散非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。在初始風(fēng)場模擬計(jì)算時，壓力速度耦合方式選擇SIMPLE算法，而在氣體擴(kuò)散時，采用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，壓力速度耦合方式選擇PISO，使每一步的迭代更容易收斂，同時考慮重力作用，在z軸設(shè)重力加速度為-9.81 m/s2。

2.2.3 網(wǎng)格劃分

圖2 海平面上六面體網(wǎng)格劃分

計(jì)算場域內(nèi)采用六面體網(wǎng)格單元，對圓形泄漏液池處進(jìn)行圓形網(wǎng)格加密，提高網(wǎng)格質(zhì)量；其他開敞空間主控區(qū)域采用均勻網(wǎng)格密度劃分；在圓形加密網(wǎng)格與主控網(wǎng)格之間設(shè)置方形過渡網(wǎng)格區(qū)域。對不同網(wǎng)格密度模型進(jìn)行試算，當(dāng)網(wǎng)格加密至前后數(shù)值結(jié)果很接近時，說明計(jì)算結(jié)果精度良好，最終確定的網(wǎng)格單元數(shù)為360 190 個。海平面上圓形液池及周邊網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.3 模擬結(jié)果對比

2.3.1 下風(fēng)向最大氣體濃度

通過計(jì)算完成了Burro系列5組試驗(yàn)?zāi)M，并與在高為1 m，距泄漏源中心下風(fēng)向57 m、140 m、400 m和800 m處測得的甲烷最大體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值進(jìn)行對比，具體結(jié)果如表3所示。從表3可知，F(xiàn)luent模擬值與試驗(yàn)值相差不大，且模擬值普遍比試驗(yàn)值大，相應(yīng)地增加了爆炸危險區(qū)域的范圍，平均誤差為10.3%，在可接受范圍內(nèi)，對于實(shí)際工程應(yīng)用是保守有利的。

表3 下風(fēng)向氣體最大濃度試驗(yàn)值與模擬值對比

2.3.2 側(cè)向擴(kuò)散

圖3給出了B5組試驗(yàn)距離泄漏源中心57 m處yz平面甲烷氣體在泄漏20 s、70 s和130 s時的濃度分布試驗(yàn)值與模擬值對比，甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、5%、10%、15%、25%和35%，共7個濃度等級。

圖3 不同時刻B5下風(fēng)向57 m處垂直氣體濃度分布與模擬結(jié)果對比

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)luent模擬值在同一甲烷濃度值的側(cè)向擴(kuò)散距離大于試驗(yàn)值，例如在泄漏130 s時，體積分?jǐn)?shù)1%的甲烷側(cè)向擴(kuò)散試驗(yàn)值為76.0 m，而模擬值為107.5 m，比試驗(yàn)值保守。其原因?yàn)槟Ｐ涂諝獾耐牧髯饔煤蛡?cè)向邊界的存在會影響氣體擴(kuò)散濃度分布，而實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)場的風(fēng)速及風(fēng)向在一個區(qū)間不斷隨機(jī)變化，相對于模型的固定風(fēng)速及風(fēng)向，監(jiān)測得到的甲烷擴(kuò)散距離一般會比模擬值小。

2.3.3 水平擴(kuò)散

圖4為B8組試驗(yàn)xy平面在泄漏20 s、60 s和100 s時甲烷體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值與模擬值對比。圖5為B5組試驗(yàn)xy平面在泄漏20 s、90 s時甲烷體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值與模擬值對比。

由圖4和圖5可知，模擬計(jì)算的各濃度值與試驗(yàn)值能較好地匹配，模擬濃度范圍較試驗(yàn)值大一些。由于實(shí)際試驗(yàn)場地非平坦地勢，且實(shí)際風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化，因此試驗(yàn)濃度分布呈凹凸線型。模型未考慮實(shí)際地勢，且風(fēng)速為定值，模擬的濃度分布線較為均勻飽滿，整體與試驗(yàn)值匹配較好，略顯保守。

3 海上搶險安全評價實(shí)例

通過與Burro系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了本文開敞空間氣體擴(kuò)散濃度分布范圍預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，模型可用于海上氣體泄漏擴(kuò)散事故應(yīng)急搶險作業(yè)的安全評價。當(dāng)某海域輸氣管道發(fā)生水下氣體泄漏時，有效保障搶險船在事故海域的安全搶險工作具有重要的工程實(shí)際意義。

圖4 不同時刻B8水平氣體濃度分布與模擬結(jié)果對比

圖5 不同時刻B5水平氣體濃度分布與模擬結(jié)果對比

3.1 泄漏環(huán)境及模型參數(shù)

渤海某目標(biāo)氣田海域平均水深為17.6 m，假設(shè)水下管道發(fā)生破損，氣體泄漏，管徑D=500 mm，泄漏速度為199.93 kg/s，至海面后的擴(kuò)散半徑為11.78 m，實(shí)際出水泄漏速度為0.64 m/s。根據(jù)氣田海域年統(tǒng)計(jì)氣象條件信息，平均大氣溫度為11.1 ℃，海水溫度為11.9 ℃，空氣濕度為72%，泄漏氣體與海水底部溫度都為10 ℃，平均風(fēng)速為5 m/s。

圖6 模型邊界條件

建立海上氣體擴(kuò)散有限元模型，選用“海洋石油257”的船體尺寸，總長79.8 m，寬16.4 m，甲板至水面高12 m，甲板上部結(jié)構(gòu)長40 m、寬14 m、層高16 m，將作業(yè)船布置在距離泄漏源150 m處，垂直于下風(fēng)向側(cè)面停靠，船體采用方形簡化結(jié)構(gòu)，主要模擬在障礙物阻礙情況下氣體擴(kuò)散濃度變化。具體模型邊界條件如圖6所示。

3.2 船周氣體濃度分布

圖7 y軸中心線上xz平面甲烷濃度分布

圖7是沿y=0中心線的xz平面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況。由圖可知，甲烷在xz平面上主要擴(kuò)散趨勢為垂直方向，這是因?yàn)榧淄闅怏w溫度為11 ℃，密度小于空氣，浮力作用大于重力作用，相對于垂直方向的擴(kuò)散能力，風(fēng)力的水平方向輸送能力有限，所以當(dāng)甲烷氣體擴(kuò)散至距離泄漏源150 m的搶險船附近時，甲烷-空氣混合物濃度已經(jīng)降低至1%以下。

圖8是沿x軸下風(fēng)向距離泄漏源10 m、60 m、100 m和165 m的yz平面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布。由圖8可知：隨著下風(fēng)向距離增大，甲烷氣體擴(kuò)散范圍不斷擴(kuò)大，且在垂直方向的擴(kuò)散效果尤為顯著，主要是因?yàn)楦×Φ闹鲗?dǎo)作用；同時，隨著擴(kuò)散范圍的變大，甲烷-空氣混合氣體濃度也隨之減小，至搶險船甲板的165 m處時，基本在0.5%～1%的范圍。

圖8 x軸下風(fēng)向與泄漏源處于不同距離的yz平面甲烷濃度分布

圖9是沿z軸方向自海平面5 m、10 m、15 m和25 m高度的xy平面甲烷體積分?jǐn)?shù)分布情況。由圖9可知：隨著海面高程增大，xy平面甲烷氣體擴(kuò)散范圍越來越大，當(dāng)接近搶險船后，甲烷氣體大量充斥在船體周圍，且隨著高度增加，氣體范圍變大，但甲烷濃度隨之降低，同時在搶險船上部結(jié)構(gòu)的下風(fēng)向側(cè)，聚集了部分濃度相對其他區(qū)域較高的甲烷氣體，原因是船體上層結(jié)構(gòu)阻擋了風(fēng)對甲烷氣體的輸送稀釋作用。

圖9 z軸方向不同海面高度處xy平面甲烷濃度分布

在上述泄漏和氣象條件下，搶險船位于距離泄漏源150 m處時，船周氣體最大體積分?jǐn)?shù)為1%左右，小于甲烷氣體爆炸下限5.05%，不會發(fā)生爆燃事故，處于爆炸下限安全距離；參照瑞士職業(yè)接觸限值甲烷容許接觸上限為6 700 mg/m3(體積分?jǐn)?shù)為0.98%)[27]，仍然處于接觸危險距離，對現(xiàn)場搶險人員產(chǎn)生健康危害。

3.3 搶險作業(yè)安全距離評價

當(dāng)改變泄漏速度和風(fēng)速時，船體周圍甲烷氣云濃度會發(fā)生變化。因此，需對不同泄漏速度和風(fēng)速下的搶險作業(yè)安全距離進(jìn)行評價分析。模擬計(jì)算不同泄漏速度和風(fēng)速聯(lián)合影響下氣體濃度分布，具體計(jì)算參數(shù)如表4所示，以甲烷氣體爆炸下限(34 616 mg/m3)和容許接觸上限(6 700 mg/m3)為安全評價指標(biāo)，給出搶險船作業(yè)爆炸下限安全距離和容許接觸濃度安全距離。

表4 計(jì)算參數(shù)

圖10為不同風(fēng)速下?lián)岆U船作業(yè)爆炸下限安全距離和容許接觸上限安全距離隨泄漏速度變化的曲線。由圖10可知，同種泄漏工況下，爆炸下限安全距離低于容許接觸安全距離，且爆炸下限安全距離和容許接觸濃度安全距離隨泄漏速度和風(fēng)速變化的趨勢一致：泄漏速度越大，搶險作業(yè)安全距離越大；相反地，風(fēng)速越大，搶險作業(yè)安全距離越小。原因?yàn)轱L(fēng)對空氣中的甲烷有稀釋作用，且風(fēng)速越小，稀釋作用越弱。因此可見，低風(fēng)速(1 m/s)時，危險高濃度氣體分布在較遠(yuǎn)的距離，給搶險船近距離作業(yè)帶來困難。上述分析結(jié)果表明，并非單一泄漏速度越小或風(fēng)速越大，安全作業(yè)距離就越近，應(yīng)綜合考慮泄漏速度與風(fēng)速對氣體擴(kuò)散的聯(lián)合作用，并以搶險人員安全為第一原則，對搶險船作業(yè)距離進(jìn)行合理的安全評價。

圖10 安全距離隨泄漏速度的變化曲線

3.4 海上搶險應(yīng)急響應(yīng)

氣田海域搶險應(yīng)急響應(yīng)指揮部按照最短時間到達(dá)現(xiàn)場的原則，在接到突發(fā)事件信息時，第一時間派出應(yīng)急搶險船趕赴現(xiàn)場，對事故海域現(xiàn)況進(jìn)行巡視、核實(shí)，并開展必要的搶險作業(yè)。結(jié)合海上搶險安全評價實(shí)例結(jié)果，為現(xiàn)場搶險安全作業(yè)提供一定參考建議。現(xiàn)場搶險船嚴(yán)格控制在安全作業(yè)區(qū)域，應(yīng)盡量在上風(fēng)或側(cè)風(fēng)方向進(jìn)行作業(yè)活動，船體靠近泄漏源一側(cè)布置現(xiàn)場實(shí)時氣體監(jiān)測裝置，與搶險船操作室時刻保持聯(lián)系，保證作業(yè)區(qū)域氣體濃度時刻低于安全閾值；在重點(diǎn)搶險危險區(qū)域，保持船體艙室通風(fēng)，及時驅(qū)散和稀釋泄漏氣體，防止人員中毒及形成爆炸性混合氣體，引發(fā)船體火災(zāi)爆炸等次生災(zāi)害。

4 結(jié) 論

本文采用CFD軟件Fluent對海上氣體泄漏擴(kuò)散事故實(shí)例進(jìn)行船周氣體濃度分布研究，得出如下結(jié)論：

(1) 選取Burro系列氣體擴(kuò)散試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文建立的CFD模型結(jié)果進(jìn)行對比分析，整體趨勢與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但是模擬結(jié)果存在一定的偏差，略顯保守，對海上氣體泄漏搶險安全作業(yè)具有一定的預(yù)測指導(dǎo)意義。

(2) 對海上開敞空間氣體泄漏擴(kuò)散實(shí)例進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)搶險船周氣體垂直方向濃度分布受浮力主導(dǎo)影響，水平方向濃度分布受到風(fēng)與船體障礙物共同影響。

(3) 在風(fēng)速不變的情況下，安全距離隨泄漏速度的變大而增大；在泄漏速度不變的情況下，安全距離隨風(fēng)速的變大而減小。在進(jìn)行搶險作業(yè)距離安全評價時，應(yīng)綜合考慮泄漏速度與風(fēng)速對氣體擴(kuò)散的聯(lián)合作用，對搶險船安全作業(yè)提供合理的參考建議。