基于Fluent的高含CO₂天然氣泄漏數(shù)值模擬研究

黃輝 潘豪 閆新江 邱浩 馬楠

摘 要：針對(duì)海洋油氣田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的氣體泄漏擴(kuò)散問(wèn)題，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法建立了地面流體泄漏擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型與評(píng)估模型。綜合考慮天然氣和CO2的毒害風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)不同情況下含CO2的天然氣擴(kuò)散過(guò)程開(kāi)展數(shù)值模擬，研究風(fēng)向、風(fēng)速、泄漏速度以及設(shè)備擺放方式等因素對(duì)泄漏擴(kuò)散行為的影響，預(yù)測(cè)和評(píng)估氣體泄漏造成的危險(xiǎn)區(qū)域和毒害范圍。研究表明：風(fēng)速越大，波及范圍越廣，對(duì)危險(xiǎn)氣體的驅(qū)散作用越明顯;風(fēng)向與設(shè)備擺放匹配不佳，將導(dǎo)致設(shè)備阻擋區(qū)域和低速區(qū)域過(guò)多，不利于危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散;風(fēng)向與設(shè)備擺放匹配佳，甲板處可能泄漏區(qū)域的驅(qū)散效果最明顯?？梢?jiàn)，有必要針對(duì)不同風(fēng)況進(jìn)行擴(kuò)散模擬，以便獲取最優(yōu)的設(shè)備擺放布局。

關(guān)鍵詞：CO2;天然氣;泄漏;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0045-03

Abstract： Aiming at the problem of gas leakage and diffusion during the exploration and development of offshore oil and gas fields， Computational Fluid Dynamics （CFD） methods are used to establish a ground fluid leakage and diffusion prediction model and evaluation model. Comprehensively consider the risk factors of natural gas and CO2 poisoning， carry out numerical simulations on the diffusion process of natural gas containing CO2 under different conditions， study the factors of wind direction， wind speed， leakage speed， arrangement of equipment and other factors on the leakage diffusion behavior， and predict and evaluate the dangerous areas and areas formed by the leakage. Studies have shown that the greater the wind speed， the greater the range， and the more obvious the effect of dispersing dangerous gases. The wind direction is not well matched with the equipment placement. There are too many equipment blocking areas and too many low-speed areas， which are not conducive to the diffusion of dangerous gases. If the wind direction is well matched with the equipment placement， the dispersing effect of the possible leakage area in the deck area is the most obvious. The placement of equipment has a relatively large impact on the leakage and diffusion of dangerous gases. It is necessary to simulate the effect of diffusion simulation under different wind conditions in order to obtain the optimal equipment placement layout.

Keywords： carbon dioxide;natural gas;leakage;numerical simulation

巴西某深水區(qū)塊探井測(cè)試過(guò)程中CO2含量達(dá)到40%，同時(shí)含有少量的H2S。桑托斯盆地中，油氣中CO2含量高達(dá)45%。CO2體積濃度在1.5%以下時(shí)，對(duì)人體影響不大;CO2體積濃度達(dá)3.0%后，會(huì)使人血壓升高、脈搏加快以及聽(tīng)力減退，對(duì)體力勞動(dòng)耐受力降低;CO2體積濃度達(dá)5.0%后，人體呼吸中樞受刺激，輕微用力后會(huì)感到頭痛和呼吸困難;CO2體積濃度為7.0%～10.0%時(shí)，數(shù)分鐘即可使人意識(shí)喪失;CO2體積濃度更高時(shí)，可導(dǎo)致人員休克甚至死亡[1]。

本文基于Fluent軟件開(kāi)展高含CO2天然氣泄漏的擴(kuò)散數(shù)值模擬研究，分析不同風(fēng)向、風(fēng)速、泄漏速度以及設(shè)備擺放方式等因素影響下的天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律，為泄漏事故的預(yù)防、控制以及平臺(tái)應(yīng)急、逃生提供依據(jù)，并合理配置現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)，以免因盲目施救或逃生不當(dāng)造成不必要的傷亡和損失。

1 泄漏擴(kuò)散理論基礎(chǔ)

危險(xiǎn)性氣體的泄漏和擴(kuò)散過(guò)程遵守物理守恒定律[2-6]，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律等。

1.1 連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也稱(chēng)質(zhì)量守恒方程，任何流動(dòng)都必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律。該定律可表述為單位時(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量。

1.2 動(dòng)量守恒定律

動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的基本定律，可表述為微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，實(shí)際上是牛頓第二定律。

1.3 能量守恒定律

能量守恒定律是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的基本定律，可表述為微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功，實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律。

1.4 組分質(zhì)量守恒定律

危險(xiǎn)性氣體擴(kuò)散存在多種化學(xué)組分，每一種組分都要遵守組分質(zhì)量守恒定律。對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)，組分質(zhì)量守恒定律可表述為系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率，等于通過(guò)系統(tǒng)界面凈擴(kuò)散流量與通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和。

1.5 擴(kuò)散影響因素

擴(kuò)散過(guò)程中存在許多不確定性因素[7-9]，模擬計(jì)算較困難。其中，風(fēng)向決定泄漏氣云擴(kuò)散的主要方向，而風(fēng)速的大小決定擴(kuò)散稀釋作用的強(qiáng)弱。在設(shè)備布局方面，在低矮的設(shè)備區(qū)域泄漏氣云不易擴(kuò)散;高大的設(shè)備有阻擋作用，氣云會(huì)從風(fēng)速較大的兩側(cè)迅速通過(guò);復(fù)雜的設(shè)備布局會(huì)使泄漏物質(zhì)的擴(kuò)散更加困難，使泄漏物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間聚集，增加了其危險(xiǎn)性與危害性。

2 模型建立

將泄漏混合物簡(jiǎn)化為CH4和CO2，體積濃度分別設(shè)為60%和40%。

2.1 幾何模型建立

采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Auto Computer Aided Design，AutoCAD）軟件建立模型，之后導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格處理。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立20 m×10 m的地面流程設(shè)備擺放簡(jiǎn)易場(chǎng)地模型。計(jì)算流體域?yàn)?30 m×110 m×50 m，東風(fēng)入口離簡(jiǎn)易場(chǎng)地邊界有10 m，東風(fēng)出口離簡(jiǎn)易場(chǎng)地邊界有100 m。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于地面流程設(shè)備的種類(lèi)和尺寸有所不同，為了提高模擬的準(zhǔn)確性和操作的方便性，采用四面體網(wǎng)格類(lèi)型。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)能力，網(wǎng)格設(shè)置為最大5 m，甲板附近區(qū)域設(shè)置為0.5 m，泄漏點(diǎn)附近設(shè)置為0.005 m，共形成370 258個(gè)網(wǎng)格和66 449個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3 模擬模型和邊界條件

采用湍流模型中的Realizable [κ-ε]湍流模型。所有流體均為氣態(tài)，但由于氣體環(huán)境為大氣壓，可以假定泄漏氣體是不可壓的，開(kāi)啟能量方程。

邊界條件：①風(fēng)速入口為5 m/s、10 m/s，分為北（N）、東北（NE）、東（E）3個(gè)風(fēng)向;②出口邊界為壓力邊界;③對(duì)于海平面、船體面、物件面等足以影響擴(kuò)散的大型壁面，均為無(wú)滑移壁面;④氣體泄漏速度為2 kg/s和5 kg/s。

3 模擬結(jié)果及分析

模擬泄漏速度為2 kg/s、風(fēng)速為0 m/s（見(jiàn)圖1），泄漏速度為2 kg/s、東風(fēng)風(fēng)速為2 m/s（見(jiàn)圖2），泄漏速度為2 kg/s、東風(fēng)風(fēng)速為2 m/s（見(jiàn)圖3），以及泄漏速度為2 kg/s、東北風(fēng)風(fēng)速為2 m/s（見(jiàn)圖4）等工況下，1.5%和5.0%以上體積濃度的CO2云圖。從圖1和圖2可知，風(fēng)向也會(huì)造成危險(xiǎn)區(qū)域的擴(kuò)大。從圖3和圖4可知，圖4的設(shè)備布局與風(fēng)向匹配性比圖3更利于危險(xiǎn)氣體的驅(qū)散。條件允許的情況下，設(shè)備擺放布局最好與當(dāng)時(shí)的風(fēng)向相匹配，提前進(jìn)行模擬分析，以便獲取最優(yōu)布局。

4 結(jié)語(yǔ)

基于Fluent軟件開(kāi)展高含CO2天然氣泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬研究，分析不同風(fēng)向、風(fēng)速、泄漏速度以及不同設(shè)備擺放下的泄漏擴(kuò)散過(guò)程。結(jié)果表明：風(fēng)速越大，波及范圍越廣，對(duì)危險(xiǎn)氣體的驅(qū)散作用越明顯;風(fēng)向與設(shè)備擺放匹配不佳，則設(shè)備阻擋區(qū)域和低速區(qū)域會(huì)較多，不利于危險(xiǎn)氣體擴(kuò)散;風(fēng)向與設(shè)備擺放匹配佳，甲板處可能泄漏區(qū)域的驅(qū)散效果最明顯?？梢?jiàn)，設(shè)備擺放對(duì)危險(xiǎn)氣體泄漏擴(kuò)散影響較大，有必要在編寫(xiě)設(shè)備流程后針對(duì)不同風(fēng)況進(jìn)行擴(kuò)散模擬，以便獲得最優(yōu)的設(shè)備擺放布局。

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