范勇 榮蕾 李勝利 李麟 孫德靜 田濤

1.中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司 2.中石油北京天然氣管道有限公司華北儲(chǔ)氣庫分公司

壓縮機(jī)是天然氣長輸管道的核心設(shè)備，其所在的壓縮機(jī)廠房能為壓縮機(jī)提供保護(hù)，亦能減少壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)對外界噪聲和震動(dòng)的影響。作為長輸管道的核心，壓縮機(jī)廠房的安全處于至關(guān)重要的地位，天然氣在廠房內(nèi)的泄漏易造成爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，為將壓縮機(jī)廠房的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍內(nèi)，需要有減緩風(fēng)險(xiǎn)的措施[1-5]。通過計(jì)算機(jī)建模和運(yùn)用流體力學(xué)在泄漏工況下的數(shù)值模擬計(jì)算，得出通用結(jié)果，能夠有效指導(dǎo)可燃?xì)怏w探測器的選型和布置。

本研究使用CFX軟件對長輸管道壓氣站內(nèi)壓縮機(jī)廠房可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散場景進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[6]，為壓縮機(jī)廠房內(nèi)部可燃?xì)怏w探測器選型及布點(diǎn)提供指導(dǎo)方案。

1 計(jì)算背景

長輸管道壓氣站內(nèi)主要分為壓縮機(jī)廠房區(qū)、工藝設(shè)備區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)及生活區(qū)幾個(gè)區(qū)域。壓縮機(jī)廠房通常位于壓氣站內(nèi)工藝設(shè)備區(qū)附近，主要由壓縮機(jī)及其配套系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同，國內(nèi)常用的壓縮機(jī)類型為電驅(qū)壓縮機(jī)及燃驅(qū)壓縮機(jī)。通常在電力供應(yīng)充足且穩(wěn)定的情況下使用電驅(qū)壓縮機(jī)組，而在電力供應(yīng)不充足或不穩(wěn)定區(qū)域優(yōu)先采用燃驅(qū)壓縮機(jī)組。兩種壓縮機(jī)組在通風(fēng)系統(tǒng)的輔助下均需設(shè)置在壓縮機(jī)廠房內(nèi)[7-8]。

本研究參考國內(nèi)已建的西氣東輸長輸管道某站場，針對常用壓縮機(jī)廠房設(shè)置類型，選取了設(shè)置4臺電驅(qū)壓縮機(jī)組的電驅(qū)壓縮機(jī)廠房進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2 數(shù)學(xué)模型

任何流體的流動(dòng)情況都是以質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒定律來作為基礎(chǔ)的。流體的流動(dòng)在歐拉坐標(biāo)下應(yīng)滿足下列基本方程[9-12]。計(jì)算中僅考慮流體的流動(dòng)，未考慮流體的傳熱及反應(yīng)，因此流體在歐拉坐標(biāo)下需滿足以下基本方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

式中：αk為第k相體積分?jǐn)?shù)；ρk為第k相的密度，kg/m3；uk為第k相的速度，m/s；p為反應(yīng)器內(nèi)的壓力，Pa；τk為第k相的應(yīng)力張量，Nm2；g為重力加速度，m/s2；Fjk為j與k相之間的動(dòng)量交換系數(shù)，N/m3。

3 幾何模型、邊界條件及求解方法

3.1 幾何模型

壓縮機(jī)廠房為設(shè)置了4臺電驅(qū)壓縮機(jī)組的單層鋼結(jié)構(gòu)甲類廠房，建筑面積2 270，廠房長度97.2 m，寬度29 m，廠房為尖頂，建筑高度11 m[13]，如圖1所示。

壓縮機(jī)廠房的通風(fēng)方式為送風(fēng)箱地溝送風(fēng)，屋頂風(fēng)機(jī)排風(fēng)，送風(fēng)箱數(shù)量2臺，全部開啟，單臺送風(fēng)量70 000 m3/h；屋頂風(fēng)機(jī)數(shù)量22臺，正常運(yùn)行時(shí)開啟11臺，事故通風(fēng)時(shí)，全部開啟，單臺排風(fēng)量22 700 m3/h[14]。

計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目55萬，對氣流變化劇烈的區(qū)域網(wǎng)格局部進(jìn)行加密。圖2 為計(jì)算網(wǎng)格圖，其中圖2(a)為壓縮機(jī)廠房外墻面及屋頂風(fēng)機(jī)，圖2(b)為廠房內(nèi)主要設(shè)備網(wǎng)格圖。

3.2 邊界條件和求解方法

3.2.1邊界條件

計(jì)算的邊界條件如圖3所示，圓球中心為可燃?xì)怏w泄漏源位置，箭頭表示此邊界條件處的介質(zhì)流向。

進(jìn)口采用速度入口；

出口采用指定目標(biāo)流量的壓力出口；

壁面采用無滑移的壁面；

計(jì)算介質(zhì)為常溫常壓下的空氣和西氣東輸管道目前輸送的主要?dú)庠矗?/p>

空氣為連續(xù)相，天然氣為離散相，采用歐拉雙流體模型，湍流計(jì)算方法選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型[15-18]；

進(jìn)口和出口處的湍流指定方法均使用的是湍流強(qiáng)度和水力直徑；

壓力和速度的耦合方法采用SIMPLE算法[19-20]；

采用三維穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2可燃?xì)怏w泄漏位置及泄漏量

壓縮機(jī)組及管道系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于壓力變化、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[21-23]。本研究選取管道可能發(fā)生泄漏的位置如下：

(1) 分支管線開孔位置、儀表開口位置。

(2) 管道法蘭、螺紋、卡套等連接接頭位置。

(3) 存在泄漏可能的輔助橇座。

泄漏點(diǎn)采用一定質(zhì)量流率的源點(diǎn)，泄漏量采用ISA-TR84.00.07-2010《Technical Report Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness》(關(guān)于火災(zāi)、可燃?xì)怏w和有毒氣體對系統(tǒng)影響評估的技術(shù)報(bào)告指南)中基于環(huán)境的泄漏評估方法及泄漏量確定[13-14]，計(jì)算在小泄漏量下的可燃?xì)怏w含量分布。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上文中的潛在泄漏點(diǎn)原則，4臺電驅(qū)壓縮機(jī)廠房內(nèi)的潛在泄漏點(diǎn)約為60多個(gè)，考慮到各泄漏點(diǎn)泄漏后氣流規(guī)律相似，僅對壓縮機(jī)出口管線處的1個(gè)泄漏點(diǎn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。

4.1 壓力分布

圖4為壓縮機(jī)廠房內(nèi)燃?xì)庑孤稌r(shí)的壓力分布云圖，廠房內(nèi)壓力呈上部壓力略大于底部壓力，壓縮機(jī)廠房內(nèi)為微負(fù)壓狀態(tài)。這是因?yàn)橛?jì)算中壓縮機(jī)廠房內(nèi)風(fēng)箱進(jìn)風(fēng)量小于屋頂風(fēng)機(jī)排風(fēng)量，從而造成廠房內(nèi)呈微負(fù)壓狀態(tài)。壓縮機(jī)廠房在實(shí)際運(yùn)行過程中，廠房除了從風(fēng)箱進(jìn)風(fēng)外，廠房內(nèi)的門窗并不是完全封閉的，門窗也會(huì)起到一些補(bǔ)風(fēng)作用,維持廠房內(nèi)壓力不變。因門窗進(jìn)風(fēng)量無法量化，且壓力變化相比大氣壓1.0×105Pa，基本可以忽略。因此，本次計(jì)算不考慮門窗進(jìn)風(fēng)量，將空氣當(dāng)做不可壓縮流體進(jìn)行簡化[16]。

4.2 可燃?xì)怏w含量分布

本次計(jì)算中可燃?xì)怏w采用的混合氣體，主要成分為天然氣，可燃?xì)怏w組成見表1。

表1 可燃?xì)怏w組成表Table1 Componentsofcombustiblegas組分C1C2C3i?C4n?C4y/%92．54693．95820．33530．11580．0863組分i?C5CO2N2H2Sy/%0．22101．89090．84550．0001

從圖5和圖6可看到，可燃?xì)怏w從泄漏點(diǎn)泄漏后，因壓力差，呈噴射狀噴出，同時(shí)很快向四周擴(kuò)散，在泄漏點(diǎn)周圍呈球狀分布，含量梯度較大?？扇?xì)怏w的密度小于空氣，因此可燃?xì)怏w隨著送風(fēng)機(jī)的氣流向廠房頂部及側(cè)面擴(kuò)散，最終穩(wěn)定狀態(tài)在屋頂處呈“倒7”型分布。

大部分可燃?xì)怏w隨著屋頂風(fēng)機(jī)的排風(fēng)作用從廠房頂部排出，除泄漏口附近外，在靠近屋頂處可燃?xì)怏w的含量最大，因泄漏點(diǎn)存在位置不確定性，且考慮在每一個(gè)潛在泄漏點(diǎn)處均設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警器經(jīng)濟(jì)上不可行。故建議以后在考慮安裝及維修條件的同時(shí)，將壓縮機(jī)廠房內(nèi)的可燃?xì)怏w報(bào)警器盡可能地靠近屋頂，以達(dá)到第一時(shí)間捕捉到可燃?xì)怏w，提高預(yù)警效果的目的。

從圖7可以看出，一部分可燃?xì)怏w聚集在廠房內(nèi)放置送風(fēng)箱側(cè)墻壁上部角落，在此處形成了通風(fēng)死角，長時(shí)間的聚集必定會(huì)在壓縮機(jī)廠房內(nèi)形成安全隱患，需要考慮消除此通風(fēng)死角。

5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

5.1 幾何模型及邊界條件

為了消除送風(fēng)箱側(cè)潛在的通風(fēng)死角，考慮在壓縮機(jī)廠房內(nèi)送風(fēng)箱側(cè)墻壁上部增加幾處自然通風(fēng)口，本研究增加了4處1 000 mm×300 mm的自然通風(fēng)口進(jìn)行計(jì)算(見圖8)。

5.2 可燃?xì)怏w含量分布

從圖9中可以看出，在增加了頂部自然通風(fēng)口后，壓縮機(jī)廠房內(nèi)的氣流組織變化比較大，可燃?xì)怏w在壓縮機(jī)廠房內(nèi)擴(kuò)散成球狀之后，直接被吹散，改變了原廠房內(nèi)可燃?xì)怏w的“倒7”型分布，同時(shí)送風(fēng)箱側(cè)墻壁上部的通風(fēng)死角內(nèi)積累的可燃?xì)怏w明顯變少，說明增加頂部自然通風(fēng)口對于消除通風(fēng)死角，改善可燃?xì)怏w聚集情況效果明顯。

計(jì)算的跡線圖顯示(見圖10)，空氣從通風(fēng)地溝吹出，部分空氣攜帶可燃?xì)怏w從頂部屋頂風(fēng)機(jī)排至壓縮機(jī)廠房外，部分空氣攜帶可燃?xì)怏w從側(cè)面通風(fēng)口排出廠房外。自然通風(fēng)口處的計(jì)算結(jié)果顯示氣體的流向?yàn)閺膲嚎s機(jī)廠房向外，呈排風(fēng)狀。因此，在設(shè)置通風(fēng)口的時(shí)候不需考慮設(shè)置過濾設(shè)備，亦可以直接將自然通風(fēng)口改為排風(fēng)口。

6 結(jié) 論

針對西氣東輸管道上設(shè)置了4臺電驅(qū)壓縮機(jī)組的典型壓縮機(jī)廠房，進(jìn)行了可燃?xì)怏w泄漏數(shù)值計(jì)算。對廠房內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏后，可燃?xì)怏w在壓縮機(jī)廠房內(nèi)的速度及含量分布情況進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果顯示可燃?xì)怏w在壓縮機(jī)廠房內(nèi)呈“倒7”型分布，除去泄漏口附近外，壓縮機(jī)廠房頂部靠近屋頂處可燃?xì)怏w含量最大，得出壓縮機(jī)廠房內(nèi)可燃?xì)怏w探測器的布置位置應(yīng)盡量靠近頂部，同時(shí)可燃?xì)怏w在送風(fēng)箱側(cè)墻壁上部角落有聚集。

在送風(fēng)箱側(cè)墻壁頂部設(shè)置了4處自然通風(fēng)口后，計(jì)算結(jié)果顯示，改善了壓縮機(jī)廠房內(nèi)可燃?xì)怏w的聚集，說明增設(shè)自然通風(fēng)口能夠削減可燃?xì)怏w的聚集。增設(shè)通風(fēng)口方案合理有效，應(yīng)在以后項(xiàng)目中推廣此方案。

[1] 劉建臣． 天然氣管道壓氣站的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]． 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2008, 27(8): 49-53.

[2] 胡毅亭， 饒國寧， 陳網(wǎng)樺， 等． 天然氣輸送管道泄漏事故危害定量分析[J]． 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2003， 13(6)： 21-24.

[3] 張紅兵, 李長俊, 羅剛強(qiáng), 等. 管道泄漏實(shí)時(shí)檢測和定位系統(tǒng)[J].石油與天然氣化工， 2004, 33(3): 214-216.

[4] 張愛芳， 徐戰(zhàn)強(qiáng)， 侯曉潭． 西氣東輸工程中某壓縮機(jī)廠房的通風(fēng)設(shè)計(jì)[J]． 制冷空調(diào)與電力機(jī)械, 2008, 29(3)： 46-48.

[5] 穆曄． 壓縮機(jī)廠房設(shè)計(jì)探析[J]．石油化工設(shè)計(jì)， 2009， 26(3)： 20-22.

[6] 許蕾， 羅會(huì)信． 基于ANSYSICEM CFD 和CFX數(shù)值仿真技術(shù)[J]． 機(jī)械工程師， 2008(12)： 65-66.

[7] 毛德海． 某天然氣壓氣站壓縮機(jī)廠房的通風(fēng)設(shè)計(jì)[J]． 當(dāng)代化工， 2014， 43(11)： 2392-2394.

[8]陳逢剛, 吳笑菊. 天然氣壓氣站設(shè)計(jì)及運(yùn)行研究[J]. 石油與天然氣化工, 2016, 45(5): 35-38.

[9] 陶文銓． 數(shù)值傳熱學(xué)[M]． 2版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社， 2001.

[10] ANDERSON J D JR． 計(jì)算流體力學(xué)入門[M]． 姚朝暉, 周強(qiáng), 譯. 北京: 清華大學(xué)出版社， 2010.

[11] 王福軍． 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]． 北京: 清華大學(xué)出版社， 2004.

[12] REHM R G, BAUM H R. The equations of motion for thermally driven, Buoyant Flows[J]． Journal of Research of the Notional Bureau of Standards， 1978， 83(3)： 297-308.

[13] 孫一堅(jiān)． 簡明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊[M]． 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1997.

[14] 周?。?壓縮機(jī)廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]． 天然氣與石油， 2008， 26(1)： 55-57.

[15] 王新． 基于CFX軟件的瓦斯爆炸災(zāi)害氣體擴(kuò)散模擬[J]． 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2011， 30(1)： 25-31.

[16] 薛海強(qiáng)， 田貫三， 王國磊． 障礙物對可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散影響的數(shù)值模擬[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 25(4): 374-378.

[17] 王治華． 受限空間內(nèi)氣體擴(kuò)散的數(shù)值模擬及分析[D]． 大連: 大連理工大學(xué)， 2009.

[18] 李自力， 李勝利， 李長勝， 等． 天然氣泄漏擴(kuò)散的三維數(shù)值模擬[J]． 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2010， 29(4)： 266-271.

[19] 李振林， 姚孝庭， 張永學(xué)， 等． 基于FLUENT的高含硫天然氣管道泄漏擴(kuò)散模擬[J]． 油氣儲(chǔ)運(yùn)， 2008， 27(5)： 38-41.

[20] 張寶柱, 侯文祥, 宋永超. 含硫天然氣管道泄漏事故數(shù)值模擬與分析[J]. 石油與天然氣化工, 2013, 42(2): 201-204.

[21] 吳晉湘， 張麗娟， 劉立輝， 等． 室內(nèi)可燃?xì)怏w泄漏后濃度場變化的實(shí)驗(yàn)研究[J]． 消防科學(xué)與技術(shù)， 2005， 24(2)： 169-171.

[22] 朱喜平， 張來斌， 梁偉． 長輸管道壓氣站定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)[J]． 油氣田地面工程， 2014， 33(5)： 3-4.

[23] YANG Z, LI X H, LAI J B. Analysis on the diffusion hazards of dynamic leakage of gas pipeline [J]．Reliability Engineering & System Safety, 2007, 92(1): 47-53.