瓦斯電廠甲烷泄漏CFD 模擬研究

賈永森，胡建榮，李銳，賈玉進(jìn)，鄒杰

(華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000)

0 引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及甲烷在能源方面的廣泛應(yīng)用，瓦斯電廠逐漸成為甲烷燃燒利用的重要方式之一[1]。發(fā)電廠房中的瓦斯燃燒機(jī)組需通過(guò)甲烷運(yùn)輸管道獲取用于燃燒發(fā)電的甲烷氣體，然而在機(jī)組管道輸送過(guò)程中，由于長(zhǎng)期運(yùn)行和管道腐蝕等原因可能導(dǎo)致甲烷泄漏[2]，一旦廠房?jī)?nèi)部甲烷泄漏達(dá)到一定濃度，引發(fā)的火災(zāi)和爆炸將帶來(lái)不可估量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，研究甲烷泄漏在現(xiàn)有廠房通風(fēng)模式下的擴(kuò)散情況用以預(yù)防泄漏后產(chǎn)生的危險(xiǎn)十分重要。

隨著計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的發(fā)展及計(jì)算設(shè)備的日益強(qiáng)大，CFD 數(shù)值模擬技術(shù)在污染物擴(kuò)散過(guò)程研究方面得到了廣泛認(rèn)可[4]。通過(guò)計(jì)算機(jī)獨(dú)立準(zhǔn)確的模擬分析，不僅高效豐富地獲取了甲烷流動(dòng)特性和分布信息，也大大減少了人力物力的消耗，為甲烷泄漏的預(yù)防和控制提供了理論支撐[5]。

1 廠房建模與網(wǎng)格劃分

1.1 廠房工況

本文中的瓦斯電廠為保證夏季廠房?jī)?nèi)溫度在45 ℃以下，通風(fēng)采用機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的方式，瓦斯廠房尺寸為58 m×12 m×9 m，內(nèi)部等距放置14 臺(tái)燃機(jī)機(jī)組，廠房側(cè)剖圖如圖1 所示。為保證瓦斯燃燒機(jī)組發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)側(cè)采用雙排機(jī)械送風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱，其中中心標(biāo)高0.438 m的風(fēng)機(jī)共11 臺(tái)，中心標(biāo)高為2.6 m 的風(fēng)機(jī)共14 臺(tái)，并安裝30°送風(fēng)彎頭，中心標(biāo)高0.438 m 的各風(fēng)機(jī)風(fēng)量為17 000 m3/h，中心標(biāo)高2.6 m 的各風(fēng)機(jī)風(fēng)量為70 000 m3/h。為保證機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱排出，正對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)采用14 臺(tái)機(jī)械排風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，每臺(tái)排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為53 900 m3/h，B 壁面8.296 m 高度處裝有8 臺(tái)機(jī)械排風(fēng)機(jī)對(duì)廠房上部進(jìn)行局部排風(fēng)，每臺(tái)排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為3 265 m3/h。此外，發(fā)電機(jī)側(cè)上部屋頂采用11 臺(tái)無(wú)動(dòng)力通風(fēng)機(jī)和3 臺(tái)機(jī)械排風(fēng)機(jī)間隔安裝的排風(fēng)方式，其中每臺(tái)機(jī)械排風(fēng)機(jī)風(fēng)量為27 572 m3/h。

圖1 廠房側(cè)剖圖

1.2 甲烷泄漏位置及泄漏量

管道系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中由于壓力變化、溫度變化、材料缺陷、施工缺陷、運(yùn)行失誤、管道振動(dòng)等原因均可能導(dǎo)致管道薄弱位置發(fā)生泄漏[6-8]。本研究選取管道可能發(fā)生泄漏的位置為管道進(jìn)入廠房時(shí)卡套連接接頭的位置，選取其中最不利情況，即與每臺(tái)機(jī)組連接的管道均發(fā)生泄漏，管道起點(diǎn)壓力為25 kPa，管道內(nèi)氣體溫度為50 ℃，大氣壓力為101 325 Pa，假設(shè)每個(gè)甲烷泄漏口為直徑1 cm 的圓孔、中心高度為4.5 m，泄漏量依照小孔模型[9]進(jìn)行計(jì)算，小孔模型下的管道泄漏量與氣體流速是否為音速有關(guān)，通常用臨界壓力判別，判別式為：

式中：k為絕熱指數(shù)，甲烷氣取1.3。

式中：ap為大氣壓力(Pa)；1p為管道起點(diǎn)壓力(Pa)；A為泄漏口面積(m2)；R為氣體常數(shù)；T為管道氣體溫度(K)。

經(jīng)計(jì)算，14 處甲烷泄漏口總泄漏量為0.04 kg/s，在建模時(shí)將泄漏口簡(jiǎn)化在B 壁面上，采用Solidworks軟件建模，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 廠房模型圖

1.3 網(wǎng)格劃分

本文利用軟件Ansys meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性、提高模擬計(jì)算效率，生成網(wǎng)格選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為202 萬(wàn)，網(wǎng)格尺寸為0.34 m，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.84(最大值為1)。同時(shí)對(duì)風(fēng)口及甲烷泄漏口等氣流劇烈變化位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密從而優(yōu)化計(jì)算精度[10]，網(wǎng)格劃分示意圖如圖3 所示。

2 Fluent 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

Fluent 仿真軟件可以對(duì)多種不同性質(zhì)的同相物體間的對(duì)流擴(kuò)散守恒方程進(jìn)行快速準(zhǔn)確求解，進(jìn)而模擬各組分之間的混合和輸運(yùn)過(guò)程[11]。在甲烷管道泄漏的背景條件下，以對(duì)流擴(kuò)散方程的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，可利用Fluent 軟件模擬計(jì)算出甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度。本文研究對(duì)象為純甲烷氣體向高溫廠房?jī)?nèi)空氣的泄漏擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因此采用不伴隨化學(xué)反應(yīng)的多組分輸運(yùn)模型求解此類(lèi)多種氣體的混合問(wèn)題[12]，同時(shí)開(kāi)啟能量方程。

2.1 參數(shù)設(shè)置

通過(guò)分析各湍流模型的適用范圍[13]得出結(jié)論，在存在障礙物的復(fù)雜空間條件下，選用更加準(zhǔn)確的Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行甲烷泄漏擴(kuò)散的研究更為合適[14]。

Fluent 軟件基本設(shè)置如下：

(1)求解器：雙精度，壓力基類(lèi)型，絕對(duì)速度格式，三維穩(wěn)態(tài)。

3.基于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)的方法有多種，要鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)實(shí)際目標(biāo)，進(jìn)行深入思考，勇于創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。另外可對(duì)比設(shè)計(jì)方案種類(lèi)的數(shù)量與效果，評(píng)析誰(shuí)的設(shè)計(jì)方法較為獨(dú)特新穎，或者哪種方法較科學(xué)。

(2)多組分模型：Mixture，最后一個(gè)組分為空氣，另一組分為天然氣，開(kāi)啟擴(kuò)散能量源項(xiàng)。

(3)湍流模型：Realizablek-ε，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

(4)材料：固體為steel，氣體為空氣和甲烷。

(5)操作環(huán)境：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度31.2 ℃，重力加速度9.8 m/s2，方向豎直向下(沿Y方向)。

(6)邊界條件：甲烷泄漏口為質(zhì)量流量入口；機(jī)械送風(fēng)機(jī)入口為速度入口；機(jī)械排風(fēng)機(jī)出口為壓力出口且抑制回流；無(wú)動(dòng)力通風(fēng)機(jī)出口為壓力出口且抑制回流，默認(rèn)自然出口氣流已達(dá)到穩(wěn)定均勻狀態(tài)，表壓為0 Pa；墻面為無(wú)位移壁面，熱邊界條件通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行耦合；機(jī)組表面為熱流表面。

(7)耦合方法和離散格式：壓力和速度的耦合方法采用工程上應(yīng)用最為廣泛的SIMPLE 方法；梯度的離散方法選用基于最小二乘單元；時(shí)間、壓力、動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率、能量項(xiàng)均選用二次迎風(fēng)格式。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

在迭代400 次后，廠房?jī)?nèi)甲烷氣體平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度收斂結(jié)果如圖4 所示，由圖4 可知，在甲烷泄漏之初，廠房?jī)?nèi)甲烷濃度較高，但隨著廠房通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行，廠房?jī)?nèi)甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度穩(wěn)定在8.5×10-5%，甲烷的爆炸范圍為5%～15%[15]。本文選取1.25% 作為甲烷泄漏報(bào)警器的警戒濃度，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度為1.25×10-4%，廠房?jī)?nèi)甲烷氣體平均濃度為警戒濃度的68%，因此從平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度的角度來(lái)看，廠房滿(mǎn)足安全需要。

圖4 甲烷平均濃度收斂圖

由于機(jī)械送風(fēng)機(jī)實(shí)際安裝位置受廠房?jī)蓚?cè)大門(mén)位置影響，送風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)并非完全等距分布，因此選取廠房中部風(fēng)機(jī)等距分布位置x=31.5 m 和靠近大門(mén)位置x=47.5 m 兩處截面，對(duì)廠房?jī)?nèi)空氣流場(chǎng)和甲烷氣體泄漏情況進(jìn)行分析，兩截面位置圖如圖5 所示。

圖5 兩截面位置示意圖

在進(jìn)行廠房風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬后，x=31.5 m 和x=47.5 m 兩截面處的空氣速度矢量圖如圖6 所示，x=31.5 m 和x=47.5 m 兩截面處的甲烷氣體濃度分布云圖如圖7 所示。

圖6 廠房風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖

圖7 甲烷泄漏濃度分布云圖

由圖6(a)可知，在廠房中部位置氣流整體由左側(cè)向右側(cè)流動(dòng)，左側(cè)上升氣流部分由屋頂排風(fēng)口排出廠房，部分沿廠房上部繼續(xù)向右側(cè)流動(dòng)，在經(jīng)過(guò)B 壁面上部排風(fēng)機(jī)抽吸后仍以0.96 m/s 的速度沿B 壁面向下運(yùn)動(dòng)，并最終由發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的機(jī)械排風(fēng)機(jī)排出廠房，氣流在從上部排風(fēng)機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)排風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷加速，在接近發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)排風(fēng)機(jī)排風(fēng)口時(shí)氣流速度達(dá)到2 m/s。圖6(b)顯示了靠近廠房大門(mén)位置的氣流速度矢量圖，此處風(fēng)場(chǎng)與廠房中部位置有較大差異，由于此處發(fā)電機(jī)側(cè)未安裝機(jī)械進(jìn)風(fēng)機(jī)，廠房?jī)?nèi)部風(fēng)壓不平衡，中部位置大量低位氣流以較大的壓強(qiáng)向廠房?jī)蓚?cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在熱壓作用下靠近左側(cè)的中部來(lái)流向上浮升，在經(jīng)過(guò)屋頂排風(fēng)口流出部分氣流后繼續(xù)向右側(cè)移動(dòng)，同理，在熱壓作用下靠近右側(cè)的中部來(lái)流以4 m/s 的速度向上浮升，在經(jīng)過(guò)B 壁面上部排風(fēng)機(jī)后繼續(xù)向廠房左側(cè)運(yùn)動(dòng)，與左側(cè)浮升氣流相遇后，兩股氣流受各自的阻滯作用在廠房上部形成兩處渦流區(qū)域。

從圖7(a)可以發(fā)現(xiàn)，甲烷在泄漏到廠房之初形成自由射流，由于甲烷泄漏口極小，在管道內(nèi)部25 KPa的高壓下，甲烷氣體呈噴射狀噴出，同時(shí)迅速向四周擴(kuò)散到流體域中，四周含量梯度較大。而在圖6(a)所示的風(fēng)場(chǎng)下，甲烷氣體受由上而下的高速氣流影響，并未呈現(xiàn)持續(xù)水平射流狀態(tài)，而是在較大氣流速度衰減后迅速向下方進(jìn)行射流運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明甲烷氣體在受熱浮升力和自身重力作用下仍不足以抵抗廠房?jī)?nèi)空氣來(lái)流的動(dòng)能影響，這也間接說(shuō)明了對(duì)廠房?jī)?nèi)部風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬的必要性。甲烷氣體在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)排風(fēng)機(jī)的抽吸作用，逐漸向排風(fēng)機(jī)靠攏并最終排出廠房，因此甲烷氣體泄漏區(qū)域相對(duì)集中，向廠房其他區(qū)域的擴(kuò)散趨勢(shì)基本為0。圖7(b)顯示了靠近大門(mén)位置甲烷氣體濃度分布情況，在右側(cè)上升氣流與熱浮升力的作用下，甲烷氣體在泄漏之初便向廠房上方運(yùn)動(dòng)。B 壁面上部的機(jī)械排風(fēng)機(jī)附近甲烷氣體濃度較低，說(shuō)明其對(duì)廠房局部甲烷氣體的排出有一定積極作用，但受風(fēng)機(jī)風(fēng)量與甲烷擴(kuò)散速率的影響，B 壁面上部機(jī)械排風(fēng)機(jī)抽吸作用受到限制，因此在廠房右側(cè)上部仍出現(xiàn)較多甲烷氣體聚集，易形成安全隱患。在甲烷氣體擴(kuò)散過(guò)程中濃度逐漸降低，在渦流區(qū)域的影響下，甲烷氣體沿燃機(jī)機(jī)組上表面向廠房左側(cè)逐漸擴(kuò)散并呈現(xiàn)向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

對(duì)比不同位置風(fēng)場(chǎng)情況和甲烷氣體濃度分布情況可知，甲烷氣體受風(fēng)場(chǎng)因素影響較大，對(duì)廠房?jī)?nèi)部進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬存在較大價(jià)值。在廠房中部甲烷氣體主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的中下部區(qū)域，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)械排風(fēng)機(jī)對(duì)甲烷氣體進(jìn)行及時(shí)排出，而在廠房?jī)蓚?cè)大門(mén)處甲烷氣體主要集中在中上部區(qū)域，由于B 壁面機(jī)械排風(fēng)機(jī)對(duì)甲烷氣體的捕捉能力有限，因此甲烷氣體在廠房?jī)蓚?cè)大門(mén)位置的擴(kuò)散影響區(qū)域明顯大于廠房中部位置。

廠房?jī)?nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度分布直方圖如圖8 所示，可知，在報(bào)警器警戒濃度范圍內(nèi)的甲烷氣體占全部甲烷氣體的73.9%，僅有26.1% 的氣體超出警戒濃度，經(jīng)比對(duì)，超出警戒濃度的部分氣體以較快速度從廠房中被捕獲并排出，其余部分氣體主要分布在管道泄漏小孔附近，而在其向外射流的過(guò)程中受通風(fēng)影響，濃度逐漸降低并在廠房大門(mén)處的右側(cè)中上部聚集，因此需在大門(mén)截面處靠近B 壁面的廠房上部安裝一定數(shù)量的甲烷泄漏報(bào)警器，以提高廠房運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

圖8 廠房甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度分布直方圖

3 結(jié)語(yǔ)

山西某瓦斯電廠采用CFD 數(shù)值模擬方法模擬甲烷氣體的泄漏過(guò)程，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，廠房?jī)?nèi)不同位置風(fēng)場(chǎng)的變化對(duì)甲烷氣體泄漏濃度分布情況有重要影響。對(duì)廠房中部位置，由于機(jī)械進(jìn)風(fēng)機(jī)布置較均勻，由上及下的空氣來(lái)流推動(dòng)甲烷氣體向下運(yùn)動(dòng)并從發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)機(jī)械排風(fēng)機(jī)處及時(shí)排出；對(duì)靠近兩側(cè)大門(mén)的位置，由于發(fā)電機(jī)側(cè)缺乏機(jī)械進(jìn)風(fēng)機(jī)，廠房中部低位氣流向兩側(cè)大門(mén)處擠壓，同時(shí)在熱浮升力的助力下，帶動(dòng)甲烷氣體向廠房上部運(yùn)動(dòng)，使得除泄漏口附近外，廠房頂部靠近B 壁面甲烷氣體濃度最高，易導(dǎo)致甲烷聚集，產(chǎn)生通風(fēng)死角。因此，甲烷泄漏報(bào)警器的合理布置位置應(yīng)在距離廠房頂部0.5 m 高度處[16]的前提下，盡量向廠房B 壁面靠近，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)甲烷泄漏的突發(fā)安全事故，同時(shí)建議增大B 壁面上部機(jī)械排風(fēng)機(jī)風(fēng)量，有效避免甲烷泄漏死角的出現(xiàn)，改善廠房上部甲烷氣體的聚集現(xiàn)象，未來(lái)可根據(jù)甲烷泄漏濃度分布的變化特點(diǎn)和變化規(guī)律，劃分出不同等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性管理。綜上所述，上述研究可以為其他瓦斯電廠在散熱通風(fēng)條件下甲烷泄漏的預(yù)防和控制提供理論依據(jù)。