基于FLACS CFD的不同气油比油气混输管道泄漏火灾后果对比*

2019-07-05张爱良罗金恒宫彦双张庶鑫付建民

中国安全生产科学技术 2019年6期

安超，李磊，张爱良，罗金恒，宫彦双，张庶鑫，付建民

(1.中国石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆库尔勒 841000;2.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西西安 710077;3.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，陕西西安 710077;4.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛 266580)

0 引言

在油气田开发过程中，油气混输是油气管道流体输送的主要形式。与单相管道相比，混输管道可简化技术流程、缩短工程设计和施工时间、降低工程投资、提高油田开发的经济效益[1-3]，主要适用于边际油田、沙漠油田等。然而，油气混输是多相多组分、传热与传质耦合的复杂过程[4]，具有流型变化多、流动不稳定、流动规律复杂等特点，易导致管道运行不平稳、波动大、段塞冲击设备等问题[5]。更为严重的是，如果管道存在老化、腐蚀、磨损、焊接缺陷等问题，很可能会发生破裂，进而导致油气泄漏[6]。我国西部地区沙漠、戈壁分布广，气候干燥，油气泄漏后极易被引燃而引发火灾爆炸事故。

原油热值高，流动性大，一旦泄漏极易造成大面积燃烧，导致灾难性后果。在油田开采过程中伴随石油液体出现的天然气，其主要成分为甲烷，天然气相较于原油具有易爆、易扩散等特点。在开采或输送过程中，一旦发生油气混合物的泄漏，造成严重事故的“罪魁祸首”往往是天然气。因此，在油气混输物质的泄漏事故中，天然气和原油的火灾后果都不容忽视。

目前，在国内外对混输管道破裂泄漏研究中，曹学文等[6]利用双流体模型建立气液两相流泄漏系统数学模型，并以5 km混输管道模拟分析分层流和段塞流流型下气液两相流管道的泄漏规律；Mohtadi等[7]重点研究了影响油气管线开裂的影响因素；Duan等[8]研究了油气混输管道段塞形成机理和作用；Deng等[9]提出了一种模拟任意地形下高压管道破裂释放天然气的方法，建立了考虑地形的离散模型；周魁斌等[10]研究了高压可燃气体泄漏过程中喷口处稳态气流状态参数变化及其被点燃之后的喷射火火焰形态与辐射热流场。

对于原油管道泄漏的后果。Schnecider等[11]结合实验详细分析了火焰热通量的影响因素；Nedelka等[12]通过对比分析说明尺寸是影响火焰特性的重要因素；吕鹏等[13]利用流淌燃烧试验平台研究了原油流淌火的燃烧特性，发现原油在稳定流淌燃烧时，在燃烧槽末端出现类似池火且火势规模较大；魏超南等[14]基于CFD方法建立油气处理系统泄漏天然气爆燃事故后果预测与评估模型，研究爆炸超压、火焰温度及热辐射的发展规律，确定各危害指标影响区域及人员安全区域。

本文研究对象为我国西部戈壁的油田集输管道，泄漏场景空旷、无拥塞空间，喷射泄漏的天然气很难达到爆炸条件，故而不考虑远场场景下的天然气蒸汽云爆炸情况。对于原油管道的油气天然气燃烧爆炸机理，毛金辉等[15]进行了深入研究。

通过文献调研可知，当前国内外对混输管道破裂泄漏的研究主要集中在管道泄漏原因和破裂变形机理方面，对油气混输管道泄漏后果的研究较少，且主要是针对原油或天然气单一介质火灾爆炸后果的研究。油气混输管道泄漏后果研究的缺乏导致难以制定合理的事故应急预案和采取恰当的现场处置措施。本文综合考虑原油和天然气混输管道泄漏火灾事故的影响，对比研究不同气油比下，天然气喷射火、原油池火燃烧危害严重程度的影响规律，为混输油气管道风险评估和安全控制提供理论支持和技术参考。在石油天然气生产过程中，为了表征混输管道天然气和原油的比例，通常使用“气油比”(标准状况下，采出每吨原油所带出的天然气气体体积)作为重要的生产指标参数。

1 混输泄漏原油池火灾CFD模型

国内外学者对池火及喷射火进行了试验研究[16]，取得了较丰富的试验数据。在一定假设的基础上分析数据，提出了多种火焰尺寸、火焰表面热通量、热辐射在空间的传播规律模型和经验公式。这些经验公式都有各自的适用范围和适用条件，相比于计算机仿真模拟，其计算结果误差较大。本文应用基于CFD技术开发的一款三维计算流体力学软件FLACS对混输原油泄漏扩散进行模拟。

计算流体力学工具FLACS在结构笛卡尔网格上求解了质量密度ρ、动量ρui、焓ρh、湍流动能ρk、湍流动能耗散率ρε、燃料质量分数ρYf和混合分数ρξ的三维Favre-averaged平均守恒方程。通过调用k-ε模型和理想气体状态方程来封闭，边界层在FLACS中不被解析，而是使用壁面函数来计算网格上的物体产生的湍流和拖曳力，例如大于计算单元的尺寸。

几何在计算网格上使用孔隙度(PDR)概念表示。在模拟之前，体积孔隙度βv表示每个计算单元的开放体积与总体积的比率，并在相应的网格单元中心定义。同样，面积孔隙度βj表示2个相邻小区中心之间的预计开放面积与各自控制体积面的总面积的比率。因此，一般变量φ(代表ρ，ρui，ρh，ρk，ρε，ρYf或ρξ)被集成在控制体积的多孔部分上，φ的守恒方程中的通量项加权于面积孔隙率βj：

(1)

式中：Γφ代表有效湍流交换系数；Sφ是φ的源项；Rφ代表额外的阻力，额外的混合或者由流动中的固体障碍引起的额外的传热。k-ε模型被扩展为子网格障碍物引起的湍流产生的源项。

FLACS将湍流和化学反应耦合，通过研究局部压力、温度、浓度、湍流等多个参数的变化，继而来描述火焰的发展，并实现对气体燃烧和爆炸建模，采用有限体积法并配合边界条件求解N-S方程，并计算出区域中的压力、火焰速度和温度等变量的值：

(2)

式中：φ代表通用求解变量；ρ是气体密度(kg/m3)；xj代表在j方向上积分；ui代表i方向上的速度矢量；Γφ是扩散系数；Sφ为源项。

该方法考虑了火焰和设备、管道等的相互影响和作用，可以直接对气体爆炸冲击波进行计算。

CFD求解液池动量方程：

(3)

式中：Fg,i为重力，N；Fτ,i为切应力，N。

2 原油燃烧数值模拟

原油火灾的燃烧特性是预测火灾发展趋势和评估火灾对周围环境影响的基础和前提。由于原油火灾实验的特殊性，且存在安全、环保等因素的限制，直接进行大型实验是非常困难的。因此利用计算机模拟计算原油燃烧中各种特性参数的变化成为研究原油火灾的重要手段。由于原油含有几十种组分，考虑到FLACS模拟软件计算限制，本文采用虚拟组分进行原油池火模拟。

该场景设置地面50 m×50 m，泄漏管道长度为50 m，泄漏点取管道中段。本文考察的是混相流泄漏，泄漏燃烧物质为原油及天然气，不考虑现场地形及气象条件，环境温度为20.0 ℃。地面材料为混凝土地面，其导热系数为1.0 W/(m·K)，比热容为0.8 kJ/(kg·K)，热扩散率为5.7E-07 m2/s，材料厚度为100 mm。甲烷密度为719 kg/m3，原油密度为890 kg/m3。

设置泄漏孔径为0.02 m2，目标管道中气油比为200 m3/t，假定每分钟泄漏天然气200 m3、原油1 000 kg。选择气油比为50，100，150，200，250，300 m3/t进行不同梯度的模拟计算。据事故经验可知，在此泄漏场景下，泄漏10 min后，天然气泄漏达到相对稳定状态。气体泄漏速率及原油扩散面积如见表1。

表1 气体泄漏速率及原油扩散面积Table 1 Gas leakage rates and diffusion area of crude oil

经计算，管道泄漏10 min后形成液池面积为560 m2。首先在FLACS设置液池泄漏面积。在模拟的第7 s时进行点火，池火燃烧时燃料已经气化，蒸发形成湍流扩散燃烧，对周围环境的主要伤害为热辐射作用。

常见的热辐射破坏标准可以归纳为热通量准则、热强度准则、热通量-时间准则，考虑本研究对象为稳态池火灾，所以选用热通量准则对人与设备的安全进行评估。稳态火灾热辐射作用下，人员伤害和设备破坏的临界热通量见表2。

表2 火灾热辐射对人员伤害和设备破坏的热辐射通量准则Table 2 Criteria of thermal radiation flux for personal injury and equipment damage by thermal radiation of fire

图1为池火模拟点火后热辐射强度示意图，图1(a)和1(b)分别为t=7.5，10.5 s的辐射强度分布。模拟中设置可显示热辐射强度，依据热辐射损害程度判定准则阈值(分别为1.6，37.5 kW·m-2)进行设定。

图1 池火点火后2 s内热辐射强度示意Fig 1 Schematic diagram of thermal radiation intensities within 2 seconds after ignition of pool fire

在点火发生前，泄漏原油已经形成一定规模，较大量蒸汽云已经形成，漂浮于液池上方。点火发生时(7 s)，原油上方较大量可燃蒸汽云被瞬间点燃，由图1(a)可以看出，热辐射呈现较规则圆环形且向四周衰减明显，随着时间增长，在图1(b)中热辐射逐渐减弱并趋于稳定。

在原油液池点火发生时，液池中央热辐射值接近于0。造成此后果的主要原因是点火瞬间，液池上方气云被点燃，而液池中央由于液体的比热容较大，吸附了较多热量，导致点火瞬间中央热辐射值较小。在后续燃烧过程中，液池周围的液体不断被火焰加热并蒸发，形成可燃气体被燃烧，而液池中央原油吸收热量较少，蒸发速率较慢，故而形成火焰比液池周围稍晚。

图2为原油液池泄漏池火稳定后热辐射范围强度。点火初期热辐射值由于液池的吸热蒸发而短暂下降，在池火灾稳定之后，辐射热通量稳定在液池中心以外半径12 m左右的范围，池火内大部分面积热辐射通量超过致死值37.5 kW·m-2，且与点火初期不同，稳定池火灾高热辐射区域在液池中央。

图2 火焰稳定热辐射范围强度Fig.2 Thermal radiation range and intensity of stable fire

3 不同含气量原油管道泄漏喷射火后果对比

3.1 喷射火超高温区域对比

模拟6组情况下管道破裂天然气泄漏喷射火热辐射强度及范围。建立火焰温度对钢结构和人体的伤害准则如表3[14]所示。

表3 火焰温度耐受极限Table 3 Tolerance limit of flame temperature

模拟含气量分别为50，100，150，200，250和300 m3/t场景下天然气泄漏10 s后点燃，随着天然气的持续泄漏，可燃气云爆燃逐渐转为稳定的喷射火燃烧状态形成火舌，爆燃火焰发展过程可分为6个阶段：初期-发展阶段-全省阶段-蔓延阶段-衰减阶段-稳定阶段。在爆燃初期点火源周围可燃气体在火源作用下即刻与氧气开始燃烧反应，释放化学能量，已燃气体均匀向外膨胀，将能量输送给邻近的混合气层，在燃烧区前沿形成高温区，进入发展阶段火焰阵面拉伸与未燃气体接触面积增大，导致化学反应速率加快，释放能量也急剧增加，火焰扩散速度加快，在火焰燃烧达到最剧烈状态时，周围空气被急剧消耗，同时火焰产生烟气，阻挡天然气与周围空气的表面接触，火焰尺寸不再扩张，燃烧区域基本稳定。

图3为200 m3/t天然气泄漏喷射火初始燃烧阶段和稳定燃烧阶段的温度场分布图。喷射火火焰分为柱状稳定射流部分和“扩展云”区域，开始阶段是由于高压气体泄漏射流速度较快，受黏滞力作用与空气产生动量交换，带动和卷吸周围空气形成的混合区，随后气体受到空气阻力干扰，形成云团形状。

图3 含气量200 m3/t原油泄漏天然气喷射火温度范围Fig.3 Temperature range of jet fire of natural gas by leakage of crude oil with gas content of 200 m3/t

图3中泄漏点轴向20 m范围内火焰中心区域温度均维持在2 100 K以上超高温水平，在此范围内管道将完全失效。在不同气油比泄漏火灾工况下，均发现随着点火后喷射火燃烧的进行，在泄漏点水平方向和竖直方向温度范围出现较大变化，水平方向上火焰扩散范围增大但高温区域减小，竖直方向上由于空气浮力作用，气体扩散横向速度衰减，火焰水平方向燃烧高温中心区域减小，竖直方向上升较快但整体扩散仍是水平方向横向扩散范围较大。在图3(a)中初始燃烧阶段火焰水平尺寸较大，射流水平方向50 m范围内温度均超出人体致死温度543 K；图3(b)中水平方向火焰范围超出115 m，但火焰中心区域外温度未达到560 K，竖直方向上火焰发展较快，温度在约20 m高度处可达543 K。

图4为不同含气量条件下管道泄漏天然气喷射火温度区域对比。随着含气量上升，管道泄漏后天然气喷射火覆盖距离较快增加，但当气油比达到250 m3/t之后，高温覆盖距离不再明显增加，即40 m为此场景下混输油气泄漏喷射火致死距离上限，120 m为温度影响上限。2 100 K火焰高温区域上升速度较人员致死温度560 K缓慢。

图4 不同含气量天然气泄漏喷射火焰距离对比Fig.4 Comparison of jet fire distance by leakage of natural gas with different gas contents

3.2 喷射火热辐射对比

火灾的主要危害形式是通过燃烧释放辐射热影响周围环境，造成人员伤亡，管道燃烧变形、损坏破裂甚至易导致事故连锁的多米诺效应。根据火焰热辐射对人体的伤害准则，人员长期暴露在1.6 kW/m2以下环境无不舒服感，在高于37.5 kW/m2的高强度热辐射作用下设备严重损坏，人员死亡，因此将1.6 kW/m2作为伤害区域下限。

图5，图6分别为不同含气量天然气泄漏喷射火热辐射距离和面积对比图。随着不同气油比天然气含量增大喷射火热辐射覆盖距离和面积总体增大，但增长速度随着气体含量上升有所下降，且热辐射距离在达到50 m左右后不再随着汽油比上升而增多。这是由于随着天然气泄漏量上升，气体不完全燃烧释放的烟气增多在很大程度上降低火焰的表面辐射力，导致热辐射增长速率在减小。火焰尺寸在喷射方向上基本不变在横向方向上继续扩张，火焰热辐射面积仍然有所上升。

图5 不同含气量天然气泄漏喷射火热辐射距离对比Fig.5 Comparison of thermal radiation distances by jet fire of leaking natural gas with different gas contents

图6 不同含气量天然气泄漏喷射火热辐射面积对比Fig.6 Comparison of thermal radiation areas by jet fire of leaking natural gas with different gas contents

由于稳定燃烧阶段的热辐射距离受泄漏量影响较大，稳定燃烧阶段的热辐射距离增长速度高于点火初始阶段。点火初始阶段的热辐射距离和面积高于稳定燃烧阶段且在含气量50 m3/t条件下差值最大。这是由于点火之前天然气泄漏喷出后已经气化产生一定体积的可燃气云，在点燃初始阶段遇到点火源被全部点燃热辐射范围较大，而在稳定燃烧阶段可燃气云体积受到泄漏速率限制，火焰尺寸基本稳定因此热辐射范围小于初始阶段，随着泄漏速率上升这一差值会逐渐减小，在含气量达到200 m3/t后点燃初始阶段和稳定燃烧阶段热辐射范围接近。

4 油气混相泄漏后果对比

假设在重力作用下发生有效分离，原油在地表形成油池，天然气在管道高压下对空气形成喷射泄漏。当点火源对泄漏的油气点火时，泄漏原油形成的池火以及天然气喷射火的伤害范围对比是本文研究的重点。

图7为原油天然气泄漏火灾热辐射强度对比图。对于气油比为200 m3/t的原油泄漏工况，原油与天然气点燃的后果对比即为燃烧热辐射危害范围对比。图7(a)为10 min原油泄漏560 m2液池燃烧热辐射影响区域，图7(b)为200 m3/t气油比条件下天然气喷射火影响范围对比。

图7 原油天然气泄漏火灾热辐射强度对比Fig.7 Comparison of thermal radiation intensities for fire of crude oil and natural gas leakage

由模拟后果可知，原油燃烧热超过37.5 kW/m2的面积覆盖400 m2。X方向上的影响范围相较于天然气喷射火更广，且热辐射覆盖了超过30 m的管道。不同含气量天然气喷射火在热辐射影响范围上明显比池火模型更窄，在X方向上仅有4～5 m的辐射范围，但其在Y方向的辐射影响范围超过40 m，超过37.5 kW/m2的面积超过200 m2。

图8为原油池火与不同含气量天然气喷射火稳定后热辐射影响距离对比。由图8可知，原油池火超过37.5 kW/m2热辐射危害距离与200 m3/t工况天然气相近。原油池火超过1.6 kW/m2热辐射危害距离与100 m3/t工况天然气相近。即在泄漏10 min场景下，从热辐射危害距离角度考虑，气油比低于100 m3/t工况下，原油池火为火灾危险的主要影响因素。应在应急处置中以池火影响为安全距离考虑。气油比高于200 m3/t工况下，天然气喷射火为火灾危险的主要影响因素。气油比在100～200 m3/t工况条件下原油池火与天然气喷射火危害距离接近。应在应急中以喷射火影响为安全距离考虑。图9为10 min泄漏场景中喷射火点火瞬间热辐射覆盖距离与原油池火对比。