基于计算流体动力学的海上气体扩散安全评价

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(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072； 2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240；3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451；4.中海油研究总院，北京 100028)

0 引 言

随着化工和油气产业的快速发展，海上油气管道成为不可替代的重要输送工具。但是面对复杂恶劣的海洋环境和第三方损坏[1]，存在极大的水下管道破损失效引发可燃气体泄漏扩散的事故风险。一旦发生海上可燃气体泄漏扩散事故，若错误指导应急抢险船作业，极有可能引发人员中毒及爆炸燃烧事故，造成严重的人员伤亡和船舶设备损伤[2-3]。因此，有必要研究海上开敞空间的气体扩散规律，准确预测气体体积分数(后文称浓度)分布范围和扩散趋势，评估安全作业半径，为制订安全合理的海上应急抢险方案和作业指导提供有效的信息依据。

气体泄漏扩散的研究场景众多，主要有陆上和海底气体管道[3-5]、海洋平台内部模块[6-7]、炼化厂区以及油气储配站[8-9]等目标场景下气体泄漏扩散研究。主要研究方法有试验、数学模型和CFD方法[10]。在试验方面：挪威CMR实验室开展缩尺比海上平台气体泄漏扩散试验研究[11]；20世纪七八十年代，国外开展一系列旨在研究LNG蒸发、扩散和燃烧机理，并为数值模型验证提供数据标准的试验，如Burro系列[12]、Coyote系列[13]和Falcon系列[14]试验。在数学模型方面，国内外学者提出众多被广泛接受并应用的预测模型，例如高斯模型、唯象模型、Sutton模型、箱及相似模型、浅层模型和FEM3模型等[15-17]。随着计算机软件和有限元理论的发展完善，基于CFD的数值方法可以更好地模拟气体泄漏扩散过程中浓度场、温度场的实际分布，得到研究学者的广泛应用[18]。李新宏等[19]采用CFD方法预测天然气在海水中的运移轨迹；刘百臣等[20]应用专业三维CFD模拟软件KFX模拟立管水下泄漏后的气体扩散和火灾情况，分析事故后果对直升机甲板的影响。

目前，国内外围绕水下泄漏气体扩散趋势的研究较多，但对于海上开敞空间气体扩散事故后，针对抢险船舶作业安全距离的评价研究相对较少。本文采用CFD软件Fluent对Burro系列气体扩散现场试验进行建模计算，对比验证不同距离监测点气体浓度最大值以及浓度范围随时间的变化趋势。利用验证的模型方法，以渤海某气田海域为例，对海上气体泄漏扩散事故进行船周气体浓度分布研究，并对不同泄漏速度、风速下抢险船安全作业距离进行安全评价，为海上气体泄漏扩散应急抢险作业安全指导提供参考。

1 计算理论

本文采用Fluent流体动力学软件中的有限体积法进行模拟计算，联合雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)[21]，对气体扩散过程的基本控制方程(连续性、动量、能量、组分输运等)进行离散求解[22]。考虑开敞空间气体扩散的具体情况，采用Realizablek-ε湍流模型[23-24]模拟气体的流场分布，模型中湍流黏度μt、湍动能k和湍动能耗散率ε的方程分别为

(1)

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：ρ为气云密度；Cμ为湍流黏性常数；uj为j方向的位移分量；xj为j方向的坐标分量；μ为动力黏度系数；Gk和Gb分别为黏性力和浮力作用下的湍流项；YM为可压缩湍流中的波动扩张项；Sk和Sε分别为k和ε的源项；v为运动黏度系数；C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε为方程因数。

2 模型验证

2.1 验证试验

Burro系列试验为 1980年在美国China Lake完成的研究不同气象条件下LNG在水面液池上蒸发扩散的试验，泄漏液池直径为58 m，分别在高1 m，距泄漏源中心下风向57 m、140 m、400 m和800 m处设置监测仪器[25-26]进行气体浓度测定，较符合本文的海上气体扩散研究工况。为了验证模型的有效准确性，选取B3～B9共 5组试验数据与模拟计算结果作对比，具体试验工况参数如表1所示。

表1 试验参数

2.2 试验模型建立

图1 计算域边界条件

建立三维对称模型，设置x轴正方向为下风向，y轴正方向为水平侧风向，z轴正方向为垂直水面向上方向。计算域尺寸：x方向长度为以泄漏液池中心为基点上风向100 m，下风向900 m；y轴方向长度为300 m；z轴方向长度为50 m，模型关于xz平面对称。对天然气泄漏扩散过程进行模拟，天然气主要成分为甲烷，在模型物料选择时设定为甲烷气体。

2.2.1 边界条件

模型边界设定有：风流出入口、计算域侧面和顶面、对称面、气体泄漏入口和海面，具体计算域边界设置如图1和表2所示。

表2 边界条件

对于天然气泄漏入口，需设定气体的入口速度vNg及对应的湍流动能k和湍流耗散率ε，计算公式分别为

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：(ρv)liq为LNG的质量流量，取0.195 kg/(m2·s)；ρNg为天然气密度，在111 K时约为1.76 kg/m3；T为泄漏气体湍流强度，取0.1；Cμ为湍流黏性常数，取0.09；D为液池直径。

2.2.2 初始风场

气体扩散的主要动力来自于大气流动的风，风向决定气体扩散方向，风速影响气体运动速率、气云团形状和气体浓度。为了准确模拟风场实际情况，需在计算域内进行风场稳态模拟，形成一定大气稳定度的初始风场，再进行气体泄漏扩散非稳态计算。在初始风场模拟计算时，压力速度耦合方式选择SIMPLE算法，而在气体扩散时，采用非稳态计算，压力速度耦合方式选择PISO，使每一步的迭代更容易收敛，同时考虑重力作用，在z轴设重力加速度为-9.81 m/s2。

2.2.3 网格划分

图2 海平面上六面体网格划分

计算场域内采用六面体网格单元，对圆形泄漏液池处进行圆形网格加密，提高网格质量；其他开敞空间主控区域采用均匀网格密度划分；在圆形加密网格与主控网格之间设置方形过渡网格区域。对不同网格密度模型进行试算，当网格加密至前后数值结果很接近时，说明计算结果精度良好，最终确定的网格单元数为360 190 个。海平面上圆形液池及周边网格划分如图2所示。

2.3 模拟结果对比

2.3.1 下风向最大气体浓度

通过计算完成了Burro系列5组试验模拟，并与在高为1 m，距泄漏源中心下风向57 m、140 m、400 m和800 m处测得的甲烷最大体积分数试验值进行对比，具体结果如表3所示。从表3可知，Fluent模拟值与试验值相差不大，且模拟值普遍比试验值大，相应地增加了爆炸危险区域的范围，平均误差为10.3%，在可接受范围内，对于实际工程应用是保守有利的。

表3 下风向气体最大浓度试验值与模拟值对比

2.3.2 侧向扩散

图3给出了B5组试验距离泄漏源中心57 m处yz平面甲烷气体在泄漏20 s、70 s和130 s时的浓度分布试验值与模拟值对比，甲烷体积分数分别为1%、2%、5%、10%、15%、25%和35%，共7个浓度等级。

图3 不同时刻B5下风向57 m处垂直气体浓度分布与模拟结果对比

由图3可以发现，Fluent模拟值在同一甲烷浓度值的侧向扩散距离大于试验值，例如在泄漏130 s时，体积分数1%的甲烷侧向扩散试验值为76.0 m，而模拟值为107.5 m，比试验值保守。其原因为模型空气的湍流作用和侧向边界的存在会影响气体扩散浓度分布，而实际试验现场的风速及风向在一个区间不断随机变化，相对于模型的固定风速及风向，监测得到的甲烷扩散距离一般会比模拟值小。

2.3.3 水平扩散

图4为B8组试验xy平面在泄漏20 s、60 s和100 s时甲烷体积分数试验值与模拟值对比。图5为B5组试验xy平面在泄漏20 s、90 s时甲烷体积分数试验值与模拟值对比。

由图4和图5可知，模拟计算的各浓度值与试验值能较好地匹配，模拟浓度范围较试验值大一些。由于实际试验场地非平坦地势，且实际风速在一定范围内变化，因此试验浓度分布呈凹凸线型。模型未考虑实际地势，且风速为定值，模拟的浓度分布线较为均匀饱满，整体与试验值匹配较好，略显保守。

3 海上抢险安全评价实例

通过与Burro系列试验数据的对比分析，验证了本文开敞空间气体扩散浓度分布范围预测模型的准确性，模型可用于海上气体泄漏扩散事故应急抢险作业的安全评价。当某海域输气管道发生水下气体泄漏时，有效保障抢险船在事故海域的安全抢险工作具有重要的工程实际意义。

图4 不同时刻B8水平气体浓度分布与模拟结果对比

图5 不同时刻B5水平气体浓度分布与模拟结果对比

3.1 泄漏环境及模型参数

渤海某目标气田海域平均水深为17.6 m，假设水下管道发生破损，气体泄漏，管径D=500 mm，泄漏速度为199.93 kg/s，至海面后的扩散半径为11.78 m，实际出水泄漏速度为0.64 m/s。根据气田海域年统计气象条件信息，平均大气温度为11.1 ℃，海水温度为11.9 ℃，空气湿度为72%，泄漏气体与海水底部温度都为10 ℃，平均风速为5 m/s。

图6 模型边界条件

建立海上气体扩散有限元模型，选用“海洋石油257”的船体尺寸，总长79.8 m，宽16.4 m，甲板至水面高12 m，甲板上部结构长40 m、宽14 m、层高16 m，将作业船布置在距离泄漏源150 m处，垂直于下风向侧面停靠，船体采用方形简化结构，主要模拟在障碍物阻碍情况下气体扩散浓度变化。具体模型边界条件如图6所示。

3.2 船周气体浓度分布

图7 y轴中心线上xz平面甲烷浓度分布

图7是沿y=0中心线的xz平面甲烷体积分数分布情况。由图可知，甲烷在xz平面上主要扩散趋势为垂直方向，这是因为甲烷气体温度为11 ℃，密度小于空气，浮力作用大于重力作用，相对于垂直方向的扩散能力，风力的水平方向输送能力有限，所以当甲烷气体扩散至距离泄漏源150 m的抢险船附近时，甲烷-空气混合物浓度已经降低至1%以下。

图8是沿x轴下风向距离泄漏源10 m、60 m、100 m和165 m的yz平面甲烷体积分数分布。由图8可知：随着下风向距离增大，甲烷气体扩散范围不断扩大，且在垂直方向的扩散效果尤为显著，主要是因为浮力的主导作用；同时，随着扩散范围的变大，甲烷-空气混合气体浓度也随之减小，至抢险船甲板的165 m处时，基本在0.5%～1%的范围。

图8 x轴下风向与泄漏源处于不同距离的yz平面甲烷浓度分布

图9是沿z轴方向自海平面5 m、10 m、15 m和25 m高度的xy平面甲烷体积分数分布情况。由图9可知：随着海面高程增大，xy平面甲烷气体扩散范围越来越大，当接近抢险船后，甲烷气体大量充斥在船体周围，且随着高度增加，气体范围变大，但甲烷浓度随之降低，同时在抢险船上部结构的下风向侧，聚集了部分浓度相对其他区域较高的甲烷气体，原因是船体上层结构阻挡了风对甲烷气体的输送稀释作用。

图9 z轴方向不同海面高度处xy平面甲烷浓度分布

在上述泄漏和气象条件下，抢险船位于距离泄漏源150 m处时，船周气体最大体积分数为1%左右，小于甲烷气体爆炸下限5.05%，不会发生爆燃事故，处于爆炸下限安全距离；参照瑞士职业接触限值甲烷容许接触上限为6 700 mg/m3(体积分数为0.98%)[27]，仍然处于接触危险距离，对现场抢险人员产生健康危害。

3.3 抢险作业安全距离评价

当改变泄漏速度和风速时，船体周围甲烷气云浓度会发生变化。因此，需对不同泄漏速度和风速下的抢险作业安全距离进行评价分析。模拟计算不同泄漏速度和风速联合影响下气体浓度分布，具体计算参数如表4所示，以甲烷气体爆炸下限(34 616 mg/m3)和容许接触上限(6 700 mg/m3)为安全评价指标，给出抢险船作业爆炸下限安全距离和容许接触浓度安全距离。

表4 计算参数

图10为不同风速下抢险船作业爆炸下限安全距离和容许接触上限安全距离随泄漏速度变化的曲线。由图10可知，同种泄漏工况下，爆炸下限安全距离低于容许接触安全距离，且爆炸下限安全距离和容许接触浓度安全距离随泄漏速度和风速变化的趋势一致：泄漏速度越大，抢险作业安全距离越大；相反地，风速越大，抢险作业安全距离越小。原因为风对空气中的甲烷有稀释作用，且风速越小，稀释作用越弱。因此可见，低风速(1 m/s)时，危险高浓度气体分布在较远的距离，给抢险船近距离作业带来困难。上述分析结果表明，并非单一泄漏速度越小或风速越大，安全作业距离就越近，应综合考虑泄漏速度与风速对气体扩散的联合作用，并以抢险人员安全为第一原则，对抢险船作业距离进行合理的安全评价。

图10 安全距离随泄漏速度的变化曲线

3.4 海上抢险应急响应

气田海域抢险应急响应指挥部按照最短时间到达现场的原则，在接到突发事件信息时，第一时间派出应急抢险船赶赴现场，对事故海域现况进行巡视、核实，并开展必要的抢险作业。结合海上抢险安全评价实例结果，为现场抢险安全作业提供一定参考建议。现场抢险船严格控制在安全作业区域，应尽量在上风或侧风方向进行作业活动，船体靠近泄漏源一侧布置现场实时气体监测装置，与抢险船操作室时刻保持联系，保证作业区域气体浓度时刻低于安全阈值；在重点抢险危险区域，保持船体舱室通风，及时驱散和稀释泄漏气体，防止人员中毒及形成爆炸性混合气体，引发船体火灾爆炸等次生灾害。

4 结 论

本文采用CFD软件Fluent对海上气体泄漏扩散事故实例进行船周气体浓度分布研究，得出如下结论：

(1) 选取Burro系列气体扩散试验数据与本文建立的CFD模型结果进行对比分析，整体趋势与试验结果吻合较好，但是模拟结果存在一定的偏差，略显保守，对海上气体泄漏抢险安全作业具有一定的预测指导意义。

(2) 对海上开敞空间气体泄漏扩散实例进行模拟分析，发现抢险船周气体垂直方向浓度分布受浮力主导影响，水平方向浓度分布受到风与船体障碍物共同影响。

(3) 在风速不变的情况下，安全距离随泄漏速度的变大而增大；在泄漏速度不变的情况下，安全距离随风速的变大而减小。在进行抢险作业距离安全评价时，应综合考虑泄漏速度与风速对气体扩散的联合作用，对抢险船安全作业提供合理的参考建议。