張海曦 李燁 邱稼儀

（1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司；2.西安交通大學(xué)人居學(xué)院）

長(zhǎng)慶油田保障點(diǎn)建筑室外顆粒物污染預(yù)測(cè)

張海曦1李燁1邱稼儀2

（1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司；2.西安交通大學(xué)人居學(xué)院）

長(zhǎng)慶油田的前線生產(chǎn)保障點(diǎn)建筑大多距離油氣生產(chǎn)區(qū)域較近；因此，附著有油氣田污染性廢氣的顆粒物有可能隨空氣流動(dòng)進(jìn)入辦公區(qū)域，對(duì)工作人員的身體健康產(chǎn)生影響。為了保證油田保障點(diǎn)的室內(nèi)空氣質(zhì)量，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)保障點(diǎn)建筑的室外顆粒物擴(kuò)散和分布情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。以環(huán)江作業(yè)區(qū)保障點(diǎn)為例，建立了其建筑物的三維模型，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，模擬計(jì)算了以PM10為代表的污染性顆粒物對(duì)保障點(diǎn)建筑的污染情況。計(jì)算結(jié)果顯示，室外顆粒物對(duì)保障點(diǎn)建筑造成了嚴(yán)重污染。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)保障點(diǎn)建筑的顆粒物污染防治問(wèn)題提出了若干建議，能夠改善保障點(diǎn)的室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑風(fēng)環(huán)境，降低室外顆粒物在建筑內(nèi)的濃度，保證工作人員的身體健康。對(duì)新建保障點(diǎn)的選址和已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的保障點(diǎn)的治理具有重要的參考價(jià)值。

室外顆粒物；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；空氣質(zhì)量；建筑環(huán)境

引言

長(zhǎng)慶油田地處我國(guó)鄂爾多斯盆地，大部分一線生產(chǎn)單位氣候條件惡劣，使廣大基層員工有一個(gè)良好的工作和生活環(huán)境是油田公司穩(wěn)產(chǎn)上產(chǎn)的必要保證。我國(guó)西北地區(qū)最基本的環(huán)境特征是沙塵廣布和干旱[1]，空氣中可吸入顆粒物的含量明顯偏高?？晌腩w粒物是粒徑小于或等于10 μm的顆粒物（PM10），能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，并伴隨呼吸作用進(jìn)入人體。流行病學(xué)的研究顯示，可吸入顆粒物對(duì)人體健康有著非常顯著的負(fù)面影響，可能引起多種呼吸系統(tǒng)疾病，甚至引發(fā)癌癥[2]。另外，原油的開(kāi)采、處理和集輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)發(fā)生跑冒滴漏現(xiàn)象，產(chǎn)生一些污染性氣體，包括烴類、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等[3]。這些對(duì)人體有害的污染性氣體在顆粒物的吸附作用下會(huì)附著于顆粒物表面[4]。盡管這些附著有污染性氣體的顆粒物主要產(chǎn)生于油氣生產(chǎn)區(qū)域，但長(zhǎng)慶油田前線生產(chǎn)保障點(diǎn)大多距離生產(chǎn)區(qū)域較近。而相關(guān)研究表明，建筑附近的大氣顆粒物能夠隨著建筑通風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境中來(lái)源于室外大氣的顆粒物占比可以達(dá)到75%以上[5]。因此，有必要對(duì)長(zhǎng)慶油田前線生產(chǎn)保障點(diǎn)附近的大氣顆粒物擴(kuò)散和分布情況進(jìn)行研究。

選擇長(zhǎng)慶油田典型的前線生產(chǎn)保障點(diǎn)進(jìn)行研究，以長(zhǎng)慶油田第七采油廠環(huán)江作業(yè)區(qū)前線生產(chǎn)保障點(diǎn)為例，該保障點(diǎn)周圍部署有油井并且與環(huán)江第一聯(lián)合站僅一墻之隔。環(huán)江油田第一聯(lián)合站于2010年建成投運(yùn)，主要由集輸、加熱、消防、原油穩(wěn)定、采出水處理五大系統(tǒng)組成，日處理原油約1400m3，日外輸凈化油700m3，日處理采出水400 m3。在采油、集輸、加熱、消防、原油穩(wěn)定、采出水處理的過(guò)程中，井口揮發(fā)、儲(chǔ)罐“呼吸”及管線泄漏等原因都會(huì)產(chǎn)生污染性油田廢氣。

本文以作業(yè)區(qū)內(nèi)的綜合樓和宿舍樓為主要研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出建筑物周圍PM10的擴(kuò)散及分布情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)結(jié)果提出了改善污染情況的建議。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 建筑概況

環(huán)江作業(yè)區(qū)前線生產(chǎn)保障點(diǎn)位于甘肅省環(huán)縣四合塬鄉(xiāng)，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，分別對(duì)夏季工況和冬季工況進(jìn)行了模擬計(jì)算。氣象參數(shù)如下：夏季平均溫度約為25℃，平均風(fēng)速2.4 m/s，風(fēng)向西南偏南；冬季平均溫度約為-5℃，平均風(fēng)速2.2 m/s，風(fēng)向西北偏北。適當(dāng)簡(jiǎn)化后的建筑模型如圖1所示，建筑區(qū)域的大小為100.6 m×90.6 m。主要研究對(duì)象為綜合樓（A）（長(zhǎng)61.4 m×寬17.3 m×高15 m）和公寓樓（B）（長(zhǎng)39.2 m×寬19.4 m×高7.5 m）。另外，參考COST Action 732[6]設(shè)置數(shù)值模擬的計(jì)算域，入口邊界、上空邊界和側(cè)面邊界的距離均取為5Hmax，出口邊界的距離取為12Hmax，其中Hmax為15 m。

圖1 建筑模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

常溫空氣可看作不可壓縮的黏性流體，低速湍流時(shí)，符合Boussinesq假設(shè)。因此，本文選取標(biāo)準(zhǔn)k—ε紊流模型[7]，采用SIMPLE算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行模擬求解。

1）不可壓縮流體紊流時(shí)均流動(dòng)的連續(xù)性方程：

式中：uˉi—— 時(shí)均速度，m/s；

xi——坐標(biāo)。

2）雷諾方程：

式中：uˉj—— 時(shí)均速度，m/s；

ui——瞬時(shí)速度，m/s；

uˉ′i、uˉ′j—— 脈動(dòng)速度，m/s；

xj——坐標(biāo)；

t——時(shí)間，s；

ρ——密度，kg/m3；

p——壓強(qiáng)，Pa；

μ——黏度，N·s/m2。

3

）湍流黏性系數(shù)方程：

式中：ηt——湍流黏性系數(shù)，N·s/m2；

Cμ——模型常數(shù)，取0.09；

k——湍流中單位質(zhì)量流體脈動(dòng)動(dòng)能；

ε——湍流中單位質(zhì)量流體脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率。4）湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

式中：uˉk—— 時(shí)均速度，m/s；

xk——坐標(biāo)；

Ck——模型常數(shù)，取0.09～0.11。

5）湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程：

式中：ν——流體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；

Cε——模型常數(shù)，取0.07～0.09；

Cε1——模型常數(shù)，取1.41～1.45；

Cε2——模型常數(shù)，取1.91～1.92。

6）離散相方程：

式中：up——顆粒速度，m/s；

FD——顆粒的曳力，m/s2；

u——流體速度，m/s；

gx——重力加速度，m/s2；

ρ——流體密度，kg/m3；

ρp——顆粒密度，kg/m3；

Fx——顆粒所受的其他力，m/s2。

1.3 邊界條件

2）出口邊界條件：出流面設(shè)為自由流動(dòng)邊界。

3）上空及兩側(cè)邊界條件：計(jì)算區(qū)域的上空及兩側(cè)設(shè)為對(duì)稱邊界。

4）地面及建筑物壁面邊界條件：地面、墻面及屋頂設(shè)為固體壁面，用壁面函數(shù)法并選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 污染物分析

環(huán)江作業(yè)區(qū)所處環(huán)境條件下，附著有油田廢氣的沙塵隨風(fēng)飛揚(yáng)為當(dāng)?shù)刂饕拇髿馕廴拘问?，而其中PM10對(duì)人體的危害尤甚；因此，針對(duì)來(lái)流大氣中的PM10進(jìn)行計(jì)算。由于慶陽(yáng)地區(qū)沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所以設(shè)置來(lái)流中PM10的濃度為150 μg/m3，此值為國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[9]（即國(guó)家規(guī)定空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的最低標(biāo)準(zhǔn)）?？諝赓|(zhì)量分指數(shù)與污染物（PM10）濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 空氣質(zhì)量分指數(shù)與污染物濃度限值

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 夏季工況

2.1.1 夏季風(fēng)場(chǎng)壓力分析

夏季風(fēng)向?yàn)槲髂掀?，平均風(fēng)速2.4 m/s（圖2）。由圖2可知，由于圍墻距離公寓樓過(guò)近，導(dǎo)致公寓樓上風(fēng)向和下風(fēng)向的壓差大于5 Pa，會(huì)出現(xiàn)局部漩渦和死角，對(duì)行人造成安全隱患，不利于自然通風(fēng)，易引起氣態(tài)污染物的積聚。

圖2 夏季風(fēng)壓云圖（Z=1.5 m）

2.1.2 夏季濃度場(chǎng)分析

夏季工況，PM10在不同高度的分布情況見(jiàn)圖3和圖4。其中，圖3為1層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖，圖4為綜合樓2—5層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖。圖例中的數(shù)值單位是kg/m3，其中的6E-07 kg/m3對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)為500，也就是所謂的污染程度“爆表”，因此圖中綠色、黃色、紅色區(qū)域污染情況非常嚴(yán)重。

由圖3可知，在綜合樓的東半部分，尤其是北側(cè)區(qū)域，PM10的濃度非常高，不僅會(huì)對(duì)行人的呼吸造成影響，而且能夠通過(guò)門(mén)窗進(jìn)入一樓的辦公區(qū)域。公寓樓東側(cè)污染也比較嚴(yán)重，附著有污染性氣體的顆粒物會(huì)通過(guò)側(cè)門(mén)進(jìn)入公寓樓內(nèi)，危害工作人員的健康。

由圖4可知，隨著高度的增加污染情況有所減緩，但是綜合樓的北側(cè)和東側(cè)墻外PM10濃度高，2—5層均受到污染，且污染情況比較嚴(yán)重。公寓樓的東側(cè)和南側(cè)墻外PM10濃度較高，2—4層均受到污染。

圖3 夏季PM10濃度云圖（Z=1.5 m）

圖4 夏季PM10濃度云圖（2—5層）

綜上所述，綜合樓和公寓樓受到PM10的污染都比較嚴(yán)重，綜合樓尤甚。由于PM10受到重力影響，有沉降現(xiàn)象，所以污染程度隨著高度的增加有所減弱。因此，在綜合樓的北側(cè)和公寓樓東側(cè)種植一排靠近建筑的樹(shù)木，即可在很大程度上阻隔顆粒物的擴(kuò)散，阻止其進(jìn)入綜合樓。另外，可以看到圍墻對(duì)于污染物有明顯的阻隔作用，適當(dāng)增加圍墻高度可以改善建筑區(qū)域的空氣質(zhì)量。

為了保證工作人員的身體健康和居住舒適性，當(dāng)受實(shí)際情況所限無(wú)法在在污染嚴(yán)重的區(qū)域種植樹(shù)木和適當(dāng)加高圍墻時(shí)，也可以考慮在建筑物內(nèi)部采取空氣凈化措施或加裝機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)。加裝機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，需將進(jìn)風(fēng)口設(shè)在空氣質(zhì)量較好的區(qū)域（綜合樓設(shè)在南側(cè)，公寓樓設(shè)在西側(cè)為宜），使建筑物內(nèi)保持正壓送風(fēng)，防止污染物侵入室內(nèi)。

2.2 冬季工況

2.2.1 冬季風(fēng)場(chǎng)壓力分析

冬季風(fēng)向?yàn)槲鞅逼?，平均風(fēng)速2.2 m/s（圖5）。由圖5可知，綜合樓北側(cè)和南側(cè)以及宿舍樓和食堂之間的風(fēng)壓差較大，影響行人的安全和舒適性，也可能會(huì)影響一樓房間的熱舒適[10]。為減小壓差，同樣可以采取夏季減弱污染的策略，即在綜合樓的北側(cè)種植一排靠近建筑的樹(shù)木。另外，公寓樓入口處與食堂南側(cè)之間風(fēng)壓變化急劇，對(duì)行人造成嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)當(dāng)在兩者之間種植樹(shù)木，減小風(fēng)壓差。

圖5 冬季風(fēng)壓云圖（Z=1.5 m）

2.2.2 冬季濃度場(chǎng)分析

冬季工況，PM10在不同高度的分布情況見(jiàn)圖6和圖7。其中，圖6為1層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖，圖7為綜合樓2—5層工作人員坐姿呼吸高度的截面圖。

由圖6可知，冬季工況，綜合樓的污染情況較夏季輕，但污染物同樣集中在建筑壁面附近，容易進(jìn)入建筑物內(nèi)。在公寓樓的東側(cè)，PM10大范圍聚集，并有明顯的渦流現(xiàn)象，污染物不易擴(kuò)散，與夏季情況相同。圍墻對(duì)于污染物的阻隔作用，在冬季依然有所體現(xiàn)。

圖6 冬季PM10濃度云圖（Z=1.5 m）

由圖7可知，綜合樓的東南角墻外PM10濃度高，2—5層均受到污染，但污染范圍較小。公寓樓的東側(cè)和南側(cè)墻外PM10濃度較高，2—4層均受到污染。

圖7 冬季PM10濃度云圖（2—5層）

與夏季相比，冬季污染區(qū)域相似且情況較輕，主要是由于冬季地面溫度較低，浮升力弱于夏季；因此，改善措施主要考慮夏季工況，兼顧冬季即可。

3 結(jié)論

通過(guò)模擬計(jì)算的結(jié)果可知，粒徑小于或等于10 μm的顆粒物（PM10）一方面受浮升力的影響能夠長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中，另一方面也會(huì)在重力作用下有一定的沉積現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)隨氣流的“爬墻”效應(yīng)聚集于建筑壁面附近。

基于PM10的擴(kuò)散特性，油田附近附著有油田廢氣的沙塵隨氣流擴(kuò)散時(shí)，遇到建筑物便有一定的聚集，導(dǎo)致建筑附近空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化；一旦氣流進(jìn)入建筑內(nèi)部，就會(huì)對(duì)室內(nèi)人員產(chǎn)生影響，易引起呼吸系統(tǒng)相關(guān)的疾病。

所以，為了有效減弱PM10的污染程度，保證工作人員身體健康，提出以下建議：

1）應(yīng)在以后的油田前線生產(chǎn)保障點(diǎn)前期選址工作中將室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑周圍風(fēng)環(huán)境的因素考慮在內(nèi)綜合評(píng)估，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對(duì)保障點(diǎn)建筑室外顆粒物污染的重視程度，應(yīng)通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

2）對(duì)于已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的油田前線生產(chǎn)保障點(diǎn)，可以進(jìn)行模擬計(jì)算對(duì)污染情況進(jìn)行分析，通過(guò)在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾訃鷫Ω叨群头N植樹(shù)木的方法可以有效改善污染情況。增加圍墻高度能夠有效地降低進(jìn)入院內(nèi)的污染物濃度；種植樹(shù)木不僅能夠阻隔污染物的擴(kuò)散、降低污染物濃度，而且能夠減小風(fēng)壓、改善風(fēng)環(huán)境、保證行人的安全和舒適性。

3）對(duì)于某些由于生產(chǎn)需要無(wú)法兼顧室內(nèi)外空氣質(zhì)量和建筑周圍風(fēng)環(huán)境的新建保障點(diǎn)，或已建的建筑室外顆粒物污染較嚴(yán)重的保障點(diǎn)治理較困難時(shí)，可以考慮購(gòu)買空氣凈化裝置或加裝正壓送風(fēng)系統(tǒng)，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，改善工作人員的呼吸環(huán)境。

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2017-05-22

（編輯 李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.016

張海曦，工程師，2013年畢業(yè)于西安交通大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系，從事油氣田地面工程暖通設(shè)計(jì)工作，E-mail：bravolfc@126.com，地址：陜西省西安市未央?yún)^(qū)長(zhǎng)慶興隆園小區(qū)，710018。