石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (1): 115-120
压缩机厂房可燃气体泄漏扩散的数值模拟
范勇 1, 荣蕾 2, 李胜利 1, 李麟 1, 孙德静 1, 田涛 1     
1. 中国石油管道局工程有限公司设计分公司;
2. 中石油北京天然气管道有限公司华北储气库分公司
摘要:为了对长输管道压缩机厂房内可燃气体泄漏进行定量分析,使用CFX软件,对长输管道压气站压缩机厂房内的可燃气体泄漏进行了数值模拟计算。计算中介质为中亚天然气和常温常压下的空气,采用标准的κ-ε双方程湍流模型,对压缩机厂房内潜在泄漏点发生泄漏时进行计算。研究结果表明, 可燃气体在厂房顶部呈“倒7”型分布,除泄漏点周围外,可燃气体含量最大的区域贴近屋顶处,该研究为压缩机厂房内可燃气体探测器的布置提供了量化的参考。计算结果得到了厂房内可能存在的可燃气体聚集点,并针对性地增设了通风口,消除了可燃气体聚集情况。
关键词压缩机厂房    CFD模拟计算    可燃气体    长输管道    通风    
Numerical simulation of combustible gas leakage and diffusion in compressor workshop
Fan Yong1 , Rong Lei2 , Li Shengli1 , Li Lin1 , Sun Dejing1 , Tian Tao1     
1. China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co., Ltd., Langfang, Hebei, China;
2. PetroChina Beijing Gas Pipeline Co., Ltd. Huabei Branch Company, Langfang, Hebei, China
Abstract: In this paper, CFX software was used to simulate and quantitatively analyze the leakage of combustible gas in the compressor workshop of long distance pipeline. During the calculation, the medium was set as Central Asian gas and air at normal temperature and atmospheric pressure. The standard κ-ε turbulence model was adopted to calculate the leakage of combustible gas at leakage point. The results showed that the combustible gas was "inverted 7" type distribution on the top of the workshop. The area of the combustible gas with maximum concentration was located near roof when the leak point zone was excluded. This study provided a quantitative reference for combustible gas detector arrangement in the compressor workshop. Besides, the simulation demonstrated the possible accumulation points of combustible gas in the plant, and suggested the installation of ventilation point to eliminate the risks.

压缩机是天然气长输管道的核心设备,其所在的压缩机厂房能为压缩机提供?;?,亦能减少压缩机运行时对外界噪声和震动的影响。作为长输管道的核心,压缩机厂房的安全处于至关重要的地位,天然气在厂房内的泄漏易造成爆炸的风险,为将压缩机厂房的风险降低到可接受的范围内,需要有减缓风险的措施[1-5]。通过计算机建模和运用流体力学在泄漏工况下的数值模拟计算,得出通用结果,能够有效指导可燃气体探测器的选型和布置。

本研究使用CFX软件对长输管道压气站内压缩机厂房可燃气体泄漏扩散场景进行数值模拟计算[6],为压缩机厂房内部可燃气体探测器选型及布点提供指导方案。

1 计算背景

长输管道压气站内主要分为压缩机厂房区、工艺设备区、辅助生产区及生活区几个区域。压缩机厂房通常位于压气站内工艺设备区附近,主要由压缩机及其配套系统构成,根据驱动形式的不同,国内常用的压缩机类型为电驱压缩机及燃驱压缩机。通常在电力供应充足且稳定的情况下使用电驱压缩机组,而在电力供应不充足或不稳定区域优先采用燃驱压缩机组。两种压缩机组在通风系统的辅助下均需设置在压缩机厂房内[7-8]。

本研究参考国内已建的西气东输长输管道某站场,针对常用压缩机厂房设置类型,选取了设置4台电驱压缩机组的电驱压缩机厂房进行了模拟计算。

2 数学模型

任何流体的流动情况都是以质量、动量和能量三大守恒定律来作为基础的。流体的流动在欧拉坐标下应满足下列基本方程[9-12]。计算中仅考虑流体的流动,未考虑流体的传热及反应,因此流体在欧拉坐标下需满足以下基本方程。

质量守恒方程:

$ \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {{\alpha _k}{\rho _k}} \right) + \nabla \cdot \left( {{\alpha _k}{\rho _k}{u_k}} \right) = 0 $ (1)

动量守恒方程:

$ \begin{array}{l} \frac{\partial }{{\partial t}}\left( {{\alpha _k}{\rho _k}{u_k}} \right) + \nabla \cdot \left( {{\alpha _k}{\rho _k}{u_k}{u_k}} \right) =-{\alpha _k}\nabla p{\alpha _k} + \nabla \cdot {\tau _k} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\alpha _k}{\rho _k}g + \sum\limits_{j = 1}^n {{F_{ik}}\left( {{u_j}-{u_k}} \right)} \end{array} $ (2)

式中:αk为第k相体积分数;ρk为第k相的密度,kg/m3;uk为第k相的速度,m/s;p为反应器内的压力,Pa;τk为第k相的应力张量,Nm2;g为重力加速度,m/s2;Fjkjk相之间的动量交换系数,N/m3。

3 几何模型、边界条件及求解方法
3.1 几何模型

压缩机厂房为设置了4台电驱压缩机组的单层钢结构甲类厂房,建筑面积2 270㎡,厂房长度97.2 m,宽度29 m,厂房为尖顶,建筑高度11 m[13],如图 1所示。

图 1     压缩机厂房平面布置图 Figure 1     Layout of compressor workshop

压缩机厂房的通风方式为送风箱地沟送风,屋顶风机排风,送风箱数量2台,全部开启,单台送风量70 000 m3/h;屋顶风机数量22台,正常运行时开启11台,事故通风时,全部开启,单台排风量22 700 m3/h[14]。

计算网格为非结构化网格,网格数目55万,对气流变化剧烈的区域网格局部进行加密。图 2为计算网格图,其中图 2(a)为压缩机厂房外墙面及屋顶风机,图 2(b)为厂房内主要设备网格图。

图 2     计算网格图 Figure 2     Computational mesh

3.2 边界条件和求解方法
3.2.1 边界条件

计算的边界条件如图 3所示,圆球中心为可燃气体泄漏源位置,箭头表示此边界条件处的介质流向。

图 3     计算边界条件 Figure 3     Computational boundary conditions

进口采用速度入口;

出口采用指定目标流量的压力出口;

壁面采用无滑移的壁面;

计算介质为常温常压下的空气和西气东输管道目前输送的主要气源;

空气为连续相,天然气为离散相,采用欧拉双流体模型,湍流计算方法选用标准κ-ε模型[15-18];

进口和出口处的湍流指定方法均使用的是湍流强度和水力直径;

压力和速度的耦合方法采用SIMPLE算法[19-20];

采用三维稳态方法进行计算。

3.2.2 可燃气体泄漏位置及泄漏量

压缩机组及管道系统在运行过程中由于压力变化、温度变化、材料缺陷、施工缺陷、运行失误、管道振动等原因均可能导致管道薄弱位置发生泄漏[21-23]。本研究选取管道可能发生泄漏的位置如下:

(1) 分支管线开孔位置、仪表开口位置。

(2) 管道法兰、螺纹、卡套等连接接头位置。

(3) 存在泄漏可能的辅助橇座。

泄漏点采用一定质量流率的源点,泄漏量采用ISA-TR84.00.07 -2010《Technical Report Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness》(关于火灾、可燃气体和有毒气体对系统影响评估的技术报告指南)中基于环境的泄漏评估方法及泄漏量确定[13-14],计算在小泄漏量下的可燃气体含量分布。

4 结果分析

根据上文中的潜在泄漏点原则,4台电驱压缩机厂房内的潜在泄漏点约为60多个,考虑到各泄漏点泄漏后气流规律相似,仅对压缩机出口管线处的1个泄漏点计算结果进行了分析。

4.1 压力分布

图 4为压缩机厂房内燃气泄露时的压力分布云图,厂房内压力呈上部压力略大于底部压力,压缩机厂房内为微负压状态。这是因为计算中压缩机厂房内风箱进风量小于屋顶风机排风量,从而造成厂房内呈微负压状态。压缩机厂房在实际运行过程中,厂房除了从风箱进风外,厂房内的门窗并不是完全封闭的,门窗也会起到一些补风作用, 维持厂房内压力不变。因门窗进风量无法量化,且压力变化相比大气压1.0×105 Pa,基本可以忽略。因此,本次计算不考虑门窗进风量,将空气当做不可压缩流体进行简化[16]。

图 4     压力分布图 Figure 4     Pressure distribution chart

4.2 可燃气体含量分布

本次计算中可燃气体采用的混合气体,主要成分为天然气,可燃气体组成见表 1。

表 1    可燃气体组成表 Table 1    Components of combustible gas

图 5图 6可看到,可燃气体从泄漏点泄漏后,因压力差,呈喷射状喷出,同时很快向四周扩散,在泄漏点周围呈球状分布,含量梯度较大??扇计宓拿芏刃∮诳掌?,因此可燃气体随着送风机的气流向厂房顶部及侧面扩散,最终稳定状态在屋顶处呈“倒7”型分布。

图 5     可燃气体含量分布轴侧图 Figure 5     Axial distribution of the combustible gas concentration

图 6     可燃气体含量分布侧视图 Figure 6     Lateral view of the combustible gas concentration distribution

大部分可燃气体随着屋顶风机的排风作用从厂房顶部排出,除泄漏口附近外,在靠近屋顶处可燃气体的含量最大,因泄漏点存在位置不确定性,且考虑在每一个潜在泄漏点处均设置可燃气体报警器经济上不可行。故建议以后在考虑安装及维修条件的同时,将压缩机厂房内的可燃气体报警器尽可能地靠近屋顶,以达到第一时间捕捉到可燃气体,提高预警效果的目的。

图 7可以看出,一部分可燃气体聚集在厂房内放置送风箱侧墙壁上部角落,在此处形成了通风死角,长时间的聚集必定会在压缩机厂房内形成安全隐患,需要考虑消除此通风死角。

图 7     泄漏平面处可燃气体含量分布云图 Figure 7     Nephogram of combustible gas concentration distribution on leakage plane

5 结构改进
5.1 几何模型及边界条件

为了消除送风箱侧潜在的通风死角,考虑在压缩机厂房内送风箱侧墙壁上部增加几处自然通风口,本研究增加了4处1 000 mm×300 mm的自然通风口进行计算(见图 8)。

图 8     增加通风口后计算边界条件 Figure 8     Computational boundary conditions when adding ventilation port

5.2 可燃气体含量分布

图 9中可以看出,在增加了顶部自然通风口后,压缩机厂房内的气流组织变化比较大,可燃气体在压缩机厂房内扩散成球状之后,直接被吹散,改变了原厂房内可燃气体的“倒7”型分布,同时送风箱侧墙壁上部的通风死角内积累的可燃气体明显变少,说明增加顶部自然通风口对于消除通风死角,改善可燃气体聚集情况效果明显。

图 9     增加通风口后可燃气体浓度分布轴侧图 Figure 9     Axial diagram of combustible gas concentration distribution when adding ventilation port

计算的迹线图显示(见图 10),空气从通风地沟吹出,部分空气携带可燃气体从顶部屋顶风机排至压缩机厂房外,部分空气携带可燃气体从侧面通风口排出厂房外。自然通风口处的计算结果显示气体的流向为从压缩机厂房向外,呈排风状。因此,在设置通风口的时候不需考虑设置过滤设备,亦可以直接将自然通风口改为排风口。

图 10     增加通风口后气体迹线图 Figure 10     Air trace chart when adding ventilation port

6 结论

针对西气东输管道上设置了4台电驱压缩机组的典型压缩机厂房,进行了可燃气体泄漏数值计算。对厂房内可燃气体泄漏后,可燃气体在压缩机厂房内的速度及含量分布情况进行了分析。计算结果显示可燃气体在压缩机厂房内呈“倒7”型分布,除去泄漏口附近外,压缩机厂房顶部靠近屋顶处可燃气体含量最大,得出压缩机厂房内可燃气体探测器的布置位置应尽量靠近顶部,同时可燃气体在送风箱侧墙壁上部角落有聚集。

在送风箱侧墙壁顶部设置了4处自然通风口后,计算结果显示,改善了压缩机厂房内可燃气体的聚集,说明增设自然通风口能够削减可燃气体的聚集。增设通风口方案合理有效,应在以后项目中推广此方案。

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