基于建筑物布局的H2S气体扩散流场特征分析

2019-07-02蒋芙蓉周筱张伟

石油与天然气化工 2019年3期

蒋芙蓉周筱张伟

中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂忠县分厂

天然气净化厂是设在长距离输气管线与城市燃气输配系统交接处的综合型站场，与石油工艺设施相比，压力更高、泄漏后危害更大[1-2]。通常情况下，在H2S气体泄漏发生后，H2S气体在自然风的作用下向四周迅速扩散，由于厂区内的建筑物对气流的扰动，导致气体扩散方向与浓度分布产生差异。不同的建筑群布局形式会产生不同的H2S气体扩散规律[3]，进而导致人员疏散路线设置的不同。因此，针对不同建筑物布局下H2S气体扩散规律的研究十分有必要。

20世纪末，国内外已经开展了对有毒有害气体泄漏方面的研究。Aihua Liu等[4]利用模型试验与数值模拟软件相结合的方式，分析了不同建筑布局情况下的气体流场规律；魏利军等[5]数值计算了泄漏的全过程，得到整个泄漏空间的气体分布情况和速度场；潘旭海等[6]研究了不同的外界环境下的气体扩散过程；朱渊等[7]通过数值模拟软件分析了复杂地形情况下的天然气脱硫装置泄漏影响范围；张文艳等[8]针对各种风速影响并结合现场实际计算了天然气泄漏及其分布；刘中良等[9]应用热力学和气体动力学理论，结合理想气体方程，研究分析天然气的泄漏过程，给出了在临界泄漏阶段与亚临界泄漏阶段的泄漏速率计算公式；姜焕勇[10]以某天然气分输站场为例，采用定量风险评价软件PHAST RISK 对其工艺设施和管道发生泄漏或破裂导致的主要事故类型进行了后果模拟和定量风险评价；李自力、李胜利等[11]采用CFD软件对天然气泄漏扩散进行了典型地形条件的三维数值仿真计算，考虑了风速随高度变化的情况，并编写自定义函数对风速进行修正；范开峰等[12]通过对大型液化天然气储罐的泄漏扩散进行数值模拟，得到了其流场分布规律；张培红等[13]使用fluent软件对不同建筑布局情况下的自然风流场进行模拟，发现调节迎风面建筑物的布局方式对小区室外风场的分布影响最显著；杜娟等[14]通过对天然气门站进行建模、计算，分析了不同的工况及不同的风速影响情况下的泄漏天然气分布规律及其对站内的影响。

本研究运用计算流体力学(CFD)数值计算软件对不同建筑物布局情况下的H2S气体扩散流场进行数值模拟，以便对厂区的设计及泄漏事故抢险处置方案提供理论支撑。

1 数值模拟设置

选择通用计算流体力学软件CFX作为研究手段，通过设置不同的建筑物布局情况来研究建筑物分布对H2S气体扩散分布的影响规律。为减少计算量，提高计算精度，本次数值模拟研究基于相似模型理论，选取几何比例1∶10的缩小模型进行研究。为更好地研究建筑物布局对流场的影响，研究建筑物统一选取为1 m×1 m×1 m的立方体，计算域边界距离建筑物2 m，垂直高度5 m。

首先，针对只有一栋建筑物的情况进行分析，使用ICEM /CFD软件进行几何建模并选择正六面体网格对模型进行结构化网格划分，网格质量均在0.9以上，说明网格质量良好，效果如图1所示。

模拟选取x方向为风向，风速为1 m/s，气体湍流模型选择k-e湍流模型，模拟结果如图2所示。

可以看出，在建筑物的迎风面，气流冲击建筑物，在建筑物的作用下气流向建筑物两侧流动。由于气流惯性与黏度的作用，导致建筑物的背风侧存在一个气体的停滞区，而在建筑物的迎风面气流出现向上爬升的运动规律。

2 H2S气体扩散规律研究

为更好地研究建筑物布局形式对气体扩散的影响，本研究选取建筑物布局形式作为变量，控制风向恒定、风速为1 m/s，建筑物间距为0.5 m保持不变。针对建筑物群不同布局形式下的H2S气体扩散流场规律研究，分别选取2栋建筑、3栋建筑、4栋建筑下的7种不同布局形式进行研究，具体布局形式见表1。

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

针对2栋建筑物的情况，考虑2种极端情况下的气体扩散规律。因此，选取横向与纵向2种布局形式，且2栋建筑物并无错位。针对3栋建筑物的情况，由于横向与纵向布局形式与2栋建筑物的情况类似，因此仅考虑3栋建筑物呈两排分布的情况，分别为正三角形布局(B)与倒三角形布局(A)。针对4栋建筑物的情况，同理选择正三角形布局(C)、倒三角形布局(A)、“田”字形布局(B)3种形式进行分析。

2.1 两栋建筑物的情况

使用ICEM/CFD软件建立几何模型，并划分结构化网格。建筑物仍然选取1 m3的立方体模拟，建筑物间距为0.5 m，建筑物外墙距离计算域边界2 m，几何模型如图2所示。根据厂区布置图建立几何模型并导入ICEM软件中，使用非结构体网格进行网格划分。模拟过程中风速选取为1 m/s，求解类型选择稳态模拟。

对模拟结果进行后处理，选择沿风速方向的建筑物中部所在截面为研究的特征断面，得到2种建筑物布局情况下的风速矢量图，如图3所示。

由图3可知，当2栋建筑物水平布局时，在建筑物背风面存在速度较低的区域，而在2栋建筑物之间由于连续性原理导致风速增大，提高了通风效果；而当2栋建筑物竖直布置时，2栋建筑物之间的空间也属于风速较低的区域，面积约为1 m2，此区域内通风效果较差，一旦发生H2S气体泄漏，会在该处出现聚积，增大对人体的危害。另一方面，当2栋建筑物竖直布局时，由于第2排的建筑宽度不大于第1排的建筑宽度，因此对后方停滞区几乎没有影响。

2.2 3栋建筑物的情况

由于3栋建筑物并排或呈一条直线布置的情况与2栋建筑物布局类似，因此仅讨论3栋建筑物呈正三角形与倒三角形布局的情况。与2栋建筑物的模拟设置相同，模拟结果如图4所示。

可以发现，虽然建筑群的最大宽度是一致的，但是倒三角布置的建筑群最前方仅有1栋建筑物，因此气流流经最前方的建筑物后向内收缩，其气流停滞区面积约为4 m2，当流经第2排的两栋建筑物时，产生的停滞区面积小于正三角形布置的建筑群。正三角布置的建筑群虽然在第1排建筑物之间气流速度增大，但是由于第1排建筑物与水平放置的2栋建筑物形式相同，因此停滞区面积也接近；但是由于第2排建筑物的阻挡，导致由连续型原理产生的建筑物间的高速气流发生转向并且速度骤降。

2.3 4栋建筑物的情况

针对4栋建筑物组成的建筑群，分析在风向为南风、风速1 m/s情况下的流场分布，其余设置与前文相同。

图5为4栋建筑物情况下的H2S气体扩散分布流场模拟结果。通过对3种布局的分析，可以发现，当迎风向只有1栋建筑物时，气流停滞区并未有明显减小，停滞区面积约为6 m2。这主要是由于2排建筑物间的宽度差较大，气流流过第1排建筑后，一部分进入第2排建筑间的间距加速向后流动，另一部分冲击建筑物，与2栋建筑物水平布局相似。

可以看出，气体流速停滞区域的大小与建筑物布局形式关系密切。一般情况下，建筑物迎风面宽度越宽，其背风面气流停滞区与面积越大。当建筑物沿风速方向呈多排布局时，若后排建筑宽度大于前排建筑，即3栋与4栋建筑的“倒三角”型布局情况，其气流停滞区面积分别为4 m2、6 m2。若后排建筑宽度小于前排建筑，则后排建筑对气流停滞区面积影响不大。若后排建筑宽度等于前排建筑，即两栋建筑纵向布局及4栋建筑“田”字型布局，其气流停滞区面积的影响因素较为复杂。

3 实例验证

实际建筑物布局情况不同，气体流场分布规律也不同。因此，在前面建筑物布局情况与自然风流场分布规律研究的基础上，针对重庆某天然气净化厂综合楼区域建筑物布局情况(见图6)，根据生产实际假定原料气重力分离器发生原料气泄漏，进一步对H2S气体扩散分布数值模拟进行研究。风速与风向参考当地气象资料，其余边界条件设置与前文模拟相同。

该模拟选取风向为西南风，风速5 m/s，通过模拟得到不同垂直高度的气流分布情况，如图7所示。

可以看出，实际建筑物群布局情况比较复杂，但其基本规律与前文得到的规律相符：在建筑物间距处由于过流断面收缩导致流速增大；而在建筑物停滞区的面积则与建筑物宽度有关。由于建筑物之间存在间距，该处流场断面收缩，连续型原理导致此处流速增大；另一方面，断面收缩导致H2S气体向高处运移，致使距地面的高度增加，H2S气体流速也随之增加。

实际建筑物布局与假想建筑物布局形式相比，由于风向的变动及建筑物外边界的形状，导致迎风面并非是一个理想的平面，而是存在一定的角度。由于该角度的存在，气流离开建筑物时也并非是突然分离，因此在实际情况下，气流在建筑物边沿处并未有明显的流速改变或流向改变。

随着距离地面高度的增加，气体流速加快，由于柯恩达效应致使气流沿建筑物墙壁向上流动。如果该区域内的建筑物门窗打开，H2S气体可能会通过门窗流入建筑物内部，导致内部气体浓度增大，增加发生火灾爆炸的风险。根据该地区人均身高确定图7(c)为主要研究对象。由模拟结果可知，在点A附近由于建筑物的阻挡导致气体扩散至该处后无法有效流通，该处气体浓度增加，导致风险增大。因此，建议在如图7(c)所示的地点加装H2S气体疏通装置。