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

天然氣凈化廠是設在長距離輸氣管線與城市燃氣輸配系統(tǒng)交接處的綜合型站場，與石油工藝設施相比，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氣體在自然風的作用下向四周迅速擴散，由于廠區(qū)內的建筑物對氣流的擾動，導致氣體擴散方向與濃度分布產生差異。不同的建筑群布局形式會產生不同的H2S氣體擴散規(guī)律[3]，進而導致人員疏散路線設置的不同。因此，針對不同建筑物布局下H2S氣體擴散規(guī)律的研究十分有必要。

20世紀末，國內外已經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)境下的氣體擴散過程；朱淵等[7]通過數(shù)值模擬軟件分析了復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]針對各種風速影響并結合現(xiàn)場實際計算了天然氣泄漏及其分布；劉中良等[9]應用熱力學和氣體動力學理論，結合理想氣體方程，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，采用定量風險評價軟件PHAST RISK 對其工藝設施和管道發(fā)生泄漏或破裂導致的主要事故類型進行了后果模擬和定量風險評價；李自力、李勝利等[11]采用CFD軟件對天然氣泄漏擴散進行了典型地形條件的三維數(shù)值仿真計算，考慮了風速隨高度變化的情況，并編寫自定義函數(shù)對風速進行修正；范開峰等[12]通過對大型液化天然氣儲罐的泄漏擴散進行數(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流場進行模擬，發(fā)現(xiàn)調節(jié)迎風面建筑物的布局方式對小區(qū)室外風場的分布影響最顯著；杜娟等[14]通過對天然氣門站進行建模、計算，分析了不同的工況及不同的風速影響情況下的泄漏天然氣分布規(guī)律及其對站內的影響。

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

1 數(shù)值模擬設置

選擇通用計算流體力學軟件CFX作為研究手段，通過設置不同的建筑物布局情況來研究建筑物分布對H2S氣體擴散分布的影響規(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行分析，使用ICEM /CFD軟件進行幾何建模并選擇正六面體網(wǎng)格對模型進行結構化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質量均在0.9以上，說明網(wǎng)格質量良好，效果如圖1所示。

模擬選取x方向為風向，風速為1 m/s，氣體湍流模型選擇k-e湍流模型，模擬結果如圖2所示。

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

2 H2S氣體擴散規(guī)律研究

為更好地研究建筑物布局形式對氣體擴散的影響，本研究選取建筑物布局形式作為變量，控制風向恒定、風速為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，并劃分結構化網(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入ICEM軟件中，使用非結構體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。模擬過程中風速選取為1 m/s，求解類型選擇穩(wěn)態(tài)模擬。

對模擬結果進行后處理，選擇沿風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速矢量圖，如圖3所示。

由圖3可知，當2棟建筑物水平布局時，在建筑物背風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)性原理導致風速增大，提高了通風效果；而當2棟建筑物豎直布置時，2棟建筑物之間的空間也屬于風速較低的區(qū)域，面積約為1 m2，此區(qū)域內通風效果較差，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棟建筑物的模擬設置相同，模擬結果如圖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，因此氣流流經最前方的建筑物后向內收縮，其氣流停滯區(qū)面積約為4 m2，當流經第2排的兩棟建筑物時，產生的停滯區(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，導致由連續(xù)型原理產生的建筑物間的高速氣流發(fā)生轉向并且速度驟降。

2.3 4棟建筑物的情況

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

圖5為4棟建筑物情況下的H2S氣體擴散分布流場模擬結果。通過對3種布局的分析，可以發(fā)現(xiàn)，當迎風向只有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系密切。一般情況下，建筑物迎風面寬度越寬，其背風面氣流停滯區(qū)與面積越大。當建筑物沿風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流場分布規(guī)律研究的基礎上，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)生產實際假定原料氣重力分離器發(fā)生原料氣泄漏，進一步對H2S氣體擴散分布數(shù)值模擬進行研究。風速與風向參考當?shù)貧庀筚Y料，其余邊界條件設置與前文模擬相同。

該模擬選取風向為西南風，風速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。由于建筑物之間存在間距，該處流場斷面收縮，連續(xù)型原理導致此處流速增大；另一方面，斷面收縮導致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，由于風向的變動及建筑物外邊界的形狀，導致迎風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，由于柯恩達效應致使氣流沿建筑物墻壁向上流動。如果該區(qū)域內的建筑物門窗打開，H2S氣體可能會通過門窗流入建筑物內部，導致內部氣體濃度增大，增加發(fā)生火災爆炸的風險。根據(jù)該地區(qū)人均身高確定圖7(c)為主要研究對象。由模擬結果可知，在點A附近由于建筑物的阻擋導致氣體擴散至該處后無法有效流通，該處氣體濃度增加，導致風險增大。因此，建議在如圖7(c)所示的地點加裝H2S氣體疏通裝置。

4 結論與建議

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

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

(2)建筑物迎風面寬度越寬，其背風面氣流停滯區(qū)面積越大。當建筑物沿風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。

(3)建筑物的間距會導致氣流速度的改變，同時由于科恩達效應導致建筑物之間的氣流向上爬升，并可能進入建筑物內部引發(fā)火災爆炸。而建筑物群的復雜布局形式，可能導致氣體擴散至建筑物群之間時產生渦流，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、風速、風向、溫度、濕度等多種因素，這些因素的共同作用機理還有待進一步研究。