艾志久,吳光武,王其華,雷文章,,陳高松
(1.西南石油大學(xué),四川 成都 610500;
2.中海油研究總院,北京 100027;
3.中國(guó)石油集團(tuán)公司安全環(huán)保技術(shù)研究院,北京 100083)
井噴失控后大量甲烷從井口噴出,如果沒(méi)有立即點(diǎn)火,而是先擴(kuò)散形成甲烷-空氣混合氣云,當(dāng)氣云在可燃濃度范圍內(nèi)遇到明火,很可能導(dǎo)致氣云爆炸。氣云爆炸由于破壞性大,長(zhǎng)期以來(lái)一直受到廣泛關(guān)注。D.C.Bull[1]、K.J.Hunghes等[2]和丁信偉等[3]的氣云爆燃實(shí)驗(yàn)揭示了氣云爆炸超壓和火焰速度均隨氣云尺寸增大而增大;楊國(guó)剛等[4]進(jìn)行的開(kāi)敞空間氣云爆炸實(shí)驗(yàn)表明,隨著混合氣云內(nèi)可燃?xì)怏w濃度偏離最危險(xiǎn)濃度,爆炸威力將逐漸下降;同時(shí)也開(kāi)展了一些數(shù)值模擬研究,如畢明樹(shù)等[5]利用氣體動(dòng)力學(xué)方程導(dǎo)出無(wú)約束氣云爆炸壓力的計(jì)算式。以上所研究的氣云均為理想形狀模型,比如球形或半球形,且可燃?xì)庠贫紴榫鶆蚧旌?模型內(nèi)部不存在濃度梯度。而在開(kāi)敞空間如天然氣管道泄漏、井噴失控所形成的可燃?xì)庠坪芸赡軟](méi)有均勻混合,而是存在著濃度梯度,與以上的研究模型有較大差別。
為了使數(shù)值模擬結(jié)果更逼近實(shí)際情況,本文中基于K-ε模型和改進(jìn)的EBU模型,考慮可燃混合氣云的形成過(guò)程,建立甲烷噴射流擴(kuò)散及混合氣云爆炸理論模型,模擬甲烷-空氣混合氣云形成過(guò)程和不同點(diǎn)火點(diǎn)引發(fā)氣云爆炸的現(xiàn)象,探討開(kāi)敞空間下氣云爆炸威力最小的合適點(diǎn)火方位。
井噴失控天然氣對(duì)流擴(kuò)散流動(dòng)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、組分方程、能量方程和氣體狀態(tài)方程分別為
式中:U為雷諾平均后的速度,μeff為有效粘性系數(shù),μeff=μ+μt=μ+Cμρk2/ε,wl為第l種組分氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),本文中為純甲烷氣體,h為氣體的焓,M為氣體分子量。
采用EBU(eddy break up)模型來(lái)描述爆炸湍流,同時(shí)引入湍流脈沖動(dòng)能K和湍流耗散率ε使方程封閉
上述式中各常數(shù)因子分別為:Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,C3=1.0,σk=1.0,σε=1.217,σρ=1.0,σT=0.9,σL=0.7,WF=2.0,F=1.0,dB=0.125 。
如圖1所示,x軸正方向?yàn)轱L(fēng)向,計(jì)算區(qū)域?yàn)榈酌姘霃?00 m、高100 m的圓柱體,井口中心軸線與z軸同軸,井口離地面10 m,井口直徑180 mm。假設(shè)計(jì)算過(guò)程中風(fēng)速維持在v=3 m/s,天然氣從井口噴出質(zhì)量流40 kg/s,甲烷-空氣混合氣云燃燒為單步完全反應(yīng),采用弱點(diǎn)火點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)火,點(diǎn)火能量100 mJ[5]。
圖1 計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation domain
控制方程的離散采用控制容積法,差分方程求解采用SIMPLER方法;為了縮短計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算速度,同時(shí)又必須滿(mǎn)足中心區(qū)域精度高的要求,對(duì)井口周?chē)行膮^(qū)域進(jìn)行細(xì)化并采用棱角細(xì)化方法劃分網(wǎng)格。
圖2為井噴失控后甲烷-空氣混合氣云大小隨時(shí)間變化關(guān)系,圖3為井口下風(fēng)方向各區(qū)域所在截面上甲烷最高體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化關(guān)系。由圖2~3得出,井噴失控最開(kāi)始階段甲烷體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化不斷增加,甲烷-空氣混合氣云尺寸也增大,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后該氣云(最低體積分?jǐn)?shù)大于1%)形狀基本不發(fā)生變化,氣云體積分?jǐn)?shù)梯度達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定值,100 s以后氣云形狀基本沒(méi)有發(fā)生變化。
甲烷-空氣混合氣云的爆炸上、下限分別為15%和5%,高于15%或低于5%都不會(huì)發(fā)生爆炸,5%~15%范圍為危險(xiǎn)點(diǎn)火區(qū)域[6]。根據(jù)ERCB Directive 071[7],天然氣井發(fā)生井噴15 min后,如果仍無(wú)法壓井成功,則要求必須點(diǎn)火放噴。由以上可知15 min時(shí)氣云已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定,本文中取15 min時(shí)氣云作為爆炸數(shù)值模擬的氣云,圖4為15 min時(shí)甲烷-空氣混合氣云及點(diǎn)火點(diǎn)設(shè)定。
圖2 甲烷-空氣混合氣云的變化Fig.2 The cloud of methane-air mixture
圖3 下風(fēng)方向甲烷體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Volume fraction of methane under the direction of wind
圖4 爆炸計(jì)算氣云及點(diǎn)火點(diǎn)設(shè)定Fig.4 Gas explosion cloud abd ignition point
圖5為在不同體積分?jǐn)?shù)下點(diǎn)火發(fā)生爆炸后壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系,由圖可見(jiàn),氣云爆炸最大超壓值隨點(diǎn)火點(diǎn)所在區(qū)域甲烷體積分?jǐn)?shù)增加而增大。圖6為氣云爆炸實(shí)驗(yàn)超壓隨時(shí)間變化關(guān)系,爆炸過(guò)程超壓變化總趨勢(shì)為:一次超壓→負(fù)壓→二次超壓[8],本文中數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值變化過(guò)程基本吻合。
圖5 不同體積分?jǐn)?shù)的爆炸壓力Fig.5 Explosion pressure with different volume fraction
圖6 氣云爆炸實(shí)驗(yàn)的超壓Fig.6 Overpressure in gas cloud explosion experiments
圖7為在點(diǎn)火點(diǎn)1進(jìn)行點(diǎn)火引發(fā)爆炸后空間各點(diǎn)超壓隨時(shí)間變化曲線。隨著離爆源中心距離增大,最大超壓值呈逐漸減小趨勢(shì),由于氣云爆炸是一個(gè)由點(diǎn)火點(diǎn)逐漸向外發(fā)展的過(guò)程,在爆炸中心附近區(qū)域壓力變化較小,離爆炸中心遠(yuǎn)距離處則下降很快,圖中點(diǎn)(10,0,2)和(20,0,2)的最大超壓值只相差0.72 kPa,而點(diǎn)(100,0,2)最大超壓值只有0.55 kPa。
圖7 不同區(qū)域的超壓Fig.7 Overpressure in different region
甲烷-空氣混合氣云爆炸所形成的最大正壓為6.09 kPa,最大負(fù)壓為-2.10 kPa。而只有當(dāng)超壓大于20 kPa,油罐等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備才會(huì)損壞;超壓大于10 kPa,人體才會(huì)受到較大損害[9]。因此上述甲烷-空氣混合氣云爆炸超壓不會(huì)對(duì)井場(chǎng)周?chē)ㄖ锛把b備造成大的損害,對(duì)人的傷害程度也較輕。
圖8為在點(diǎn)火點(diǎn)1進(jìn)行點(diǎn)火引發(fā)爆炸后空間各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。在爆炸初始階段,點(diǎn)火點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域的溫度急劇上升,最高溫度在3 200 K以上,劇烈的化學(xué)反應(yīng)使混合氣云中可燃?xì)怏w含量減小,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后氣云爆炸逐漸轉(zhuǎn)化為噴射火燃燒,燃燒區(qū)域最高溫度降低到約1 900 K。
圖8 不同區(qū)域的溫度Fig.8 Temperature in different region
圖9 低體積分?jǐn)?shù)區(qū)域的點(diǎn)火溫度Fig.9 Temperature in the ignition of low volume fraction
井噴失控所形成的甲烷-空氣混合氣云分布規(guī)律為中心體積分?jǐn)?shù)高,依次向周?chē)饾u減小,在氣云中心點(diǎn)火所形成超壓最大,所以點(diǎn)火點(diǎn)應(yīng)選取在氣云中甲烷體積分?jǐn)?shù)為約5%的邊緣區(qū)域。
在甲烷體積分?jǐn)?shù)為5.2%和4.85%區(qū)域選取2點(diǎn)(22,0,15)和(34,0,15)進(jìn)行點(diǎn)火求解計(jì)算,圖9為點(diǎn)火后溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。在該區(qū)域點(diǎn)火后沒(méi)有引起爆炸,而是保持在燃燒狀態(tài),火焰溫度在1 550 K左右;由于沒(méi)有發(fā)生爆炸,故超壓值很小,本文中沒(méi)有列出。在甲烷體積分?jǐn)?shù)4.8%~5.5%之間多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)火求解均沒(méi)有發(fā)生爆炸,故該區(qū)域?yàn)橥扑]的人工安全點(diǎn)火區(qū)域。
針對(duì)井噴失控后多種工況氣云形成及點(diǎn)火引爆過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,討論了進(jìn)行人工點(diǎn)火的合適安全點(diǎn)火區(qū)域,結(jié)果表明:
(1)井噴失控發(fā)生15 min后易爆范圍甲烷-空氣混合氣云尺寸不會(huì)再繼續(xù)擴(kuò)大,15 min時(shí)氣云可以作為研究井噴失控爆炸計(jì)算氣云。
(2)點(diǎn)火點(diǎn)離氣云中心越近,或點(diǎn)火點(diǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)越大,都使氣云爆炸最大超壓越大。
(3)井噴失控氣云爆炸屬于3維開(kāi)敞空間爆炸,產(chǎn)生的超壓值較小。對(duì)周?chē)h(huán)境以及人員傷害主要是爆炸引起的高溫火焰,爆炸引起的超壓對(duì)周?chē)h(huán)境建筑以及人員傷害影響范圍較小。
(4)井噴失控人工點(diǎn)火區(qū)域?yàn)榧淄轶w積分?jǐn)?shù)為4.8%~5.5%的可燃?xì)庠七吘墔^(qū)域。
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