蔣芙蓉 周筱 張偉

中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠忠縣分廠

天然氣凈化廠是設(shè)在長距離輸氣管線與城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)交接處的綜合型站場，與石油工藝設(shè)施相比，壓力更高、泄漏后危害更大[1-2]。通常情況下，在H2S氣體泄漏發(fā)生后，H2S氣體在自然風(fēng)的作用下向四周迅速擴(kuò)散，由于廠區(qū)內(nèi)的建筑物對氣流的擾動，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散方向與濃度分布產(chǎn)生差異。不同的建筑群布局形式會產(chǎn)生不同的H2S氣體擴(kuò)散規(guī)律[3]，進(jìn)而導(dǎo)致人員疏散路線設(shè)置的不同。因此，針對不同建筑物布局下H2S氣體擴(kuò)散規(guī)律的研究十分有必要。

20世紀(jì)末，國內(nèi)外已經(jīng)開展了對有毒有害氣體泄漏方面的研究。Aihua Liu等[4]利用模型試驗與數(shù)值模擬軟件相結(jié)合的方式，分析了不同建筑布局情況下的氣體流場規(guī)律；魏利軍等[5]數(shù)值計算了泄漏的全過程，得到整個泄漏空間的氣體分布情況和速度場；潘旭海等[6]研究了不同的外界環(huán)境下的氣體擴(kuò)散過程；朱淵等[7]通過數(shù)值模擬軟件分析了復(fù)雜地形情況下的天然氣脫硫裝置泄漏影響范圍；張文艷等[8]針對各種風(fēng)速影響并結(jié)合現(xiàn)場實際計算了天然氣泄漏及其分布；劉中良等[9]應(yīng)用熱力學(xué)和氣體動力學(xué)理論，結(jié)合理想氣體方程，研究分析天然氣的泄漏過程，給出了在臨界泄漏階段與亞臨界泄漏階段的泄漏速率計算公式；姜煥勇[10]以某天然氣分輸站場為例，采用定量風(fēng)險評價軟件PHAST RISK 對其工藝設(shè)施和管道發(fā)生泄漏或破裂導(dǎo)致的主要事故類型進(jìn)行了后果模擬和定量風(fēng)險評價；李自力、李勝利等[11]采用CFD軟件對天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了典型地形條件的三維數(shù)值仿真計算，考慮了風(fēng)速隨高度變化的情況，并編寫自定義函數(shù)對風(fēng)速進(jìn)行修正；范開峰等[12]通過對大型液化天然氣儲罐的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了其流場分布規(guī)律；張培紅等[13]使用fluent軟件對不同建筑布局情況下的自然風(fēng)流場進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)迎風(fēng)面建筑物的布局方式對小區(qū)室外風(fēng)場的分布影響最顯著；杜娟等[14]通過對天然氣門站進(jìn)行建模、計算，分析了不同的工況及不同的風(fēng)速影響情況下的泄漏天然氣分布規(guī)律及其對站內(nèi)的影響。

本研究運用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值計算軟件對不同建筑物布局情況下的H2S氣體擴(kuò)散流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以便對廠區(qū)的設(shè)計及泄漏事故搶險處置方案提供理論支撐。

1 數(shù)值模擬設(shè)置

選擇通用計算流體力學(xué)軟件CFX作為研究手段，通過設(shè)置不同的建筑物布局情況來研究建筑物分布對H2S氣體擴(kuò)散分布的影響規(guī)律。為減少計算量，提高計算精度，本次數(shù)值模擬研究基于相似模型理論，選取幾何比例1∶10的縮小模型進(jìn)行研究。為更好地研究建筑物布局對流場的影響，研究建筑物統(tǒng)一選取為1 m×1 m×1 m的立方體，計算域邊界距離建筑物2 m，垂直高度5 m。

首先，針對只有一棟建筑物的情況進(jìn)行分析，使用ICEM /CFD軟件進(jìn)行幾何建模并選擇正六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.9以上，說明網(wǎng)格質(zhì)量良好，效果如圖1所示。

模擬選取x方向為風(fēng)向，風(fēng)速為1 m/s，氣體湍流模型選擇k-e湍流模型，模擬結(jié)果如圖2所示。

可以看出，在建筑物的迎風(fēng)面，氣流沖擊建筑物，在建筑物的作用下氣流向建筑物兩側(cè)流動。由于氣流慣性與黏度的作用，導(dǎo)致建筑物的背風(fēng)側(cè)存在一個氣體的停滯區(qū)，而在建筑物的迎風(fēng)面氣流出現(xiàn)向上爬升的運動規(guī)律。

2 H2S氣體擴(kuò)散規(guī)律研究

為更好地研究建筑物布局形式對氣體擴(kuò)散的影響，本研究選取建筑物布局形式作為變量，控制風(fēng)向恒定、風(fēng)速為1 m/s，建筑物間距為0.5 m保持不變。針對建筑物群不同布局形式下的H2S氣體擴(kuò)散流場規(guī)律研究，分別選取2棟建筑、3棟建筑、4棟建筑下的7種不同布局形式進(jìn)行研究，具體布局形式見表1。

表1 建筑物布局形式Table 1 Distribution of buildings for the studyABC2棟建筑 3棟建筑 4棟建筑

針對2棟建筑物的情況，考慮2種極端情況下的氣體擴(kuò)散規(guī)律。因此，選取橫向與縱向2種布局形式，且2棟建筑物并無錯位。針對3棟建筑物的情況，由于橫向與縱向布局形式與2棟建筑物的情況類似，因此僅考慮3棟建筑物呈兩排分布的情況，分別為正三角形布局(B)與倒三角形布局(A)。針對4棟建筑物的情況，同理選擇正三角形布局(C)、倒三角形布局(A)、“田”字形布局(B)3種形式進(jìn)行分析。

2.1 兩棟建筑物的情況

使用ICEM/CFD軟件建立幾何模型，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。建筑物仍然選取1 m3的立方體模擬，建筑物間距為0.5 m，建筑物外墻距離計算域邊界2 m，幾何模型如圖2所示。根據(jù)廠區(qū)布置圖建立幾何模型并導(dǎo)入ICEM軟件中，使用非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模擬過程中風(fēng)速選取為1 m/s，求解類型選擇穩(wěn)態(tài)模擬。

對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，選擇沿風(fēng)速方向的建筑物中部所在截面為研究的特征斷面，得到2種建筑物布局情況下的風(fēng)速矢量圖，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)2棟建筑物水平布局時，在建筑物背風(fēng)面存在速度較低的區(qū)域，而在2棟建筑物之間由于連續(xù)性原理導(dǎo)致風(fēng)速增大，提高了通風(fēng)效果；而當(dāng)2棟建筑物豎直布置時，2棟建筑物之間的空間也屬于風(fēng)速較低的區(qū)域，面積約為1 m2，此區(qū)域內(nèi)通風(fēng)效果較差，一旦發(fā)生H2S氣體泄漏，會在該處出現(xiàn)聚積，增大對人體的危害。另一方面，當(dāng)2棟建筑物豎直布局時，由于第2排的建筑寬度不大于第1排的建筑寬度，因此對后方停滯區(qū)幾乎沒有影響。

2.2 3棟建筑物的情況

由于3棟建筑物并排或呈一條直線布置的情況與2棟建筑物布局類似，因此僅討論3棟建筑物呈正三角形與倒三角形布局的情況。與2棟建筑物的模擬設(shè)置相同，模擬結(jié)果如圖4所示。

可以發(fā)現(xiàn)，雖然建筑群的最大寬度是一致的，但是倒三角布置的建筑群最前方僅有1棟建筑物，因此氣流流經(jīng)最前方的建筑物后向內(nèi)收縮，其氣流停滯區(qū)面積約為4 m2，當(dāng)流經(jīng)第2排的兩棟建筑物時，產(chǎn)生的停滯區(qū)面積小于正三角形布置的建筑群。正三角布置的建筑群雖然在第1排建筑物之間氣流速度增大，但是由于第1排建筑物與水平放置的2棟建筑物形式相同，因此停滯區(qū)面積也接近；但是由于第2排建筑物的阻擋，導(dǎo)致由連續(xù)型原理產(chǎn)生的建筑物間的高速氣流發(fā)生轉(zhuǎn)向并且速度驟降。

2.3 4棟建筑物的情況

針對4棟建筑物組成的建筑群，分析在風(fēng)向為南風(fēng)、風(fēng)速1 m/s情況下的流場分布，其余設(shè)置與前文相同。

圖5為4棟建筑物情況下的H2S氣體擴(kuò)散分布流場模擬結(jié)果。通過對3種布局的分析，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)迎風(fēng)向只有1棟建筑物時，氣流停滯區(qū)并未有明顯減小，停滯區(qū)面積約為6 m2。這主要是由于2排建筑物間的寬度差較大，氣流流過第1排建筑后，一部分進(jìn)入第2排建筑間的間距加速向后流動，另一部分沖擊建筑物，與2棟建筑物水平布局相似。

可以看出，氣體流速停滯區(qū)域的大小與建筑物布局形式關(guān)系密切。一般情況下，建筑物迎風(fēng)面寬度越寬，其背風(fēng)面氣流停滯區(qū)與面積越大。當(dāng)建筑物沿風(fēng)速方向呈多排布局時，若后排建筑寬度大于前排建筑，即3棟與4棟建筑的“倒三角”型布局情況，其氣流停滯區(qū)面積分別為4 m2、6 m2。若后排建筑寬度小于前排建筑，則后排建筑對氣流停滯區(qū)面積影響不大。若后排建筑寬度等于前排建筑，即兩棟建筑縱向布局及4棟建筑“田”字型布局，其氣流停滯區(qū)面積的影響因素較為復(fù)雜。

3 實例驗證

實際建筑物布局情況不同，氣體流場分布規(guī)律也不同。因此，在前面建筑物布局情況與自然風(fēng)流場分布規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，針對重慶某天然氣凈化廠綜合樓區(qū)域建筑物布局情況(見圖6)，根據(jù)生產(chǎn)實際假定原料氣重力分離器發(fā)生原料氣泄漏，進(jìn)一步對H2S氣體擴(kuò)散分布數(shù)值模擬進(jìn)行研究。風(fēng)速與風(fēng)向參考當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，其余邊界條件設(shè)置與前文模擬相同。

該模擬選取風(fēng)向為西南風(fēng)，風(fēng)速5 m/s，通過模擬得到不同垂直高度的氣流分布情況，如圖7所示。

可以看出，實際建筑物群布局情況比較復(fù)雜，但其基本規(guī)律與前文得到的規(guī)律相符：在建筑物間距處由于過流斷面收縮導(dǎo)致流速增大；而在建筑物停滯區(qū)的面積則與建筑物寬度有關(guān)。由于建筑物之間存在間距，該處流場斷面收縮，連續(xù)型原理導(dǎo)致此處流速增大；另一方面，斷面收縮導(dǎo)致H2S氣體向高處運移，致使距地面的高度增加，H2S氣體流速也隨之增加。

實際建筑物布局與假想建筑物布局形式相比，由于風(fēng)向的變動及建筑物外邊界的形狀，導(dǎo)致迎風(fēng)面并非是一個理想的平面，而是存在一定的角度。由于該角度的存在，氣流離開建筑物時也并非是突然分離，因此在實際情況下，氣流在建筑物邊沿處并未有明顯的流速改變或流向改變。

隨著距離地面高度的增加，氣體流速加快，由于柯恩達(dá)效應(yīng)致使氣流沿建筑物墻壁向上流動。如果該區(qū)域內(nèi)的建筑物門窗打開，H2S氣體可能會通過門窗流入建筑物內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部氣體濃度增大，增加發(fā)生火災(zāi)爆炸的風(fēng)險。根據(jù)該地區(qū)人均身高確定圖7(c)為主要研究對象。由模擬結(jié)果可知，在點A附近由于建筑物的阻擋導(dǎo)致氣體擴(kuò)散至該處后無法有效流通，該處氣體濃度增加，導(dǎo)致風(fēng)險增大。因此，建議在如圖7(c)所示的地點加裝H2S氣體疏通裝置。

4 結(jié)論與建議

通過計算流體力學(xué)軟件CFX，利用有限體積法，分析了不同建筑物布局情況下的H2S氣體擴(kuò)散特征，并針對重慶某天然氣凈化廠廠區(qū)進(jìn)行建模，分析其現(xiàn)實H2S氣體擴(kuò)散的氣體流場，得到如下結(jié)論：

(1)氣體流速停滯區(qū)域的大小與建筑物布局形式關(guān)系密切，在建筑物間距處氣流速度增大，在建筑物背風(fēng)面容易出現(xiàn)氣流的停滯區(qū)。

(2)建筑物迎風(fēng)面寬度越寬，其背風(fēng)面氣流停滯區(qū)面積越大。當(dāng)建筑物沿風(fēng)速方向呈多排布局時，若后排建筑寬度不大于前排建筑，則后排建筑對氣流停滯區(qū)面積影響不大；當(dāng)后排建筑寬度大于前排建筑時，停滯區(qū)面積與兩者寬度差有關(guān)。

(3)建筑物的間距會導(dǎo)致氣流速度的改變，同時由于科恩達(dá)效應(yīng)導(dǎo)致建筑物之間的氣流向上爬升，并可能進(jìn)入建筑物內(nèi)部引發(fā)火災(zāi)爆炸。而建筑物群的復(fù)雜布局形式，可能導(dǎo)致氣體擴(kuò)散至建筑物群之間時產(chǎn)生渦流，致使某一局部地區(qū)H2S氣體濃度提升，增大了安全隱患。

(4)討論了建筑物布局形式對H2S氣體流動規(guī)律的影響，但是在實際的擴(kuò)散運移過程中，影響H2S氣體流動規(guī)律的因素還包括建筑物外形、間距、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等多種因素，這些因素的共同作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。