基于Fluent的高含CO₂天然氣泄漏數值模擬研究

黃輝 潘豪 閆新江 邱浩 馬楠

摘 要：針對海洋油氣田勘探開發過程中的氣體泄漏擴散問題，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法建立了地面流體泄漏擴散預測模型與評估模型。綜合考慮天然氣和CO2的毒害風險，對不同情況下含CO2的天然氣擴散過程開展數值模擬，研究風向、風速、泄漏速度以及設備擺放方式等因素對泄漏擴散行為的影響，預測和評估氣體泄漏造成的危險區域和毒害范圍。研究表明：風速越大，波及范圍越廣，對危險氣體的驅散作用越明顯;風向與設備擺放匹配不佳，將導致設備阻擋區域和低速區域過多，不利于危險氣體擴散;風向與設備擺放匹配佳，甲板處可能泄漏區域的驅散效果最明顯。可見，有必要針對不同風況進行擴散模擬，以便獲取最優的設備擺放布局。

關鍵詞：CO2;天然氣;泄漏;數值模擬

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0045-03

Abstract： Aiming at the problem of gas leakage and diffusion during the exploration and development of offshore oil and gas fields， Computational Fluid Dynamics （CFD） methods are used to establish a ground fluid leakage and diffusion prediction model and evaluation model. Comprehensively consider the risk factors of natural gas and CO2 poisoning， carry out numerical simulations on the diffusion process of natural gas containing CO2 under different conditions， study the factors of wind direction， wind speed， leakage speed， arrangement of equipment and other factors on the leakage diffusion behavior， and predict and evaluate the dangerous areas and areas formed by the leakage. Studies have shown that the greater the wind speed， the greater the range， and the more obvious the effect of dispersing dangerous gases. The wind direction is not well matched with the equipment placement. There are too many equipment blocking areas and too many low-speed areas， which are not conducive to the diffusion of dangerous gases. If the wind direction is well matched with the equipment placement， the dispersing effect of the possible leakage area in the deck area is the most obvious. The placement of equipment has a relatively large impact on the leakage and diffusion of dangerous gases. It is necessary to simulate the effect of diffusion simulation under different wind conditions in order to obtain the optimal equipment placement layout.

Keywords： carbon dioxide;natural gas;leakage;numerical simulation

巴西某深水區塊探井測試過程中CO2含量達到40%，同時含有少量的H2S。桑托斯盆地中，油氣中CO2含量高達45%。CO2體積濃度在1.5%以下時，對人體影響不大;CO2體積濃度達3.0%后，會使人血壓升高、脈搏加快以及聽力減退，對體力勞動耐受力降低;CO2體積濃度達5.0%后，人體呼吸中樞受刺激，輕微用力后會感到頭痛和呼吸困難;CO2體積濃度為7.0%～10.0%時，數分鐘即可使人意識喪失;CO2體積濃度更高時，可導致人員休克甚至死亡[1]。

本文基于Fluent軟件開展高含CO2天然氣泄漏的擴散數值模擬研究，分析不同風向、風速、泄漏速度以及設備擺放方式等因素影響下的天然氣泄漏擴散規律，為泄漏事故的預防、控制以及平臺應急、逃生提供依據，并合理配置現場探測系統，以免因盲目施救或逃生不當造成不必要的傷亡和損失。

1 泄漏擴散理論基礎

危險性氣體的泄漏和擴散過程遵守物理守恒定律[2-6]，包括質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律和組分守恒定律等。

1.1 連續性方程

連續性方程也稱質量守恒方程，任何流動都必須滿足質量守恒定律。該定律可表述為單位時間內流體微元中質量的增加等于同一時間間隔內流入該微元的凈質量。

1.2 動量守恒定律

動量守恒定律也是任何流動系統都必須滿足的基本定律，可表述為微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，實際上是牛頓第二定律。

1.3 能量守恒定律

能量守恒定律是包含有熱交換的流動系統必須滿足的基本定律，可表述為微元體中能量的增加率等于進入微元體凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功，實際上是熱力學第一定律。

1.4 組分質量守恒定律

危險性氣體擴散存在多種化學組分，每一種組分都要遵守組分質量守恒定律。對于一個確定的系統，組分質量守恒定律可表述為系統內某種化學組分質量對時間的變化率，等于通過系統界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分的生產率之和。

1.5 擴散影響因素

擴散過程中存在許多不確定性因素[7-9]，模擬計算較困難。其中，風向決定泄漏氣云擴散的主要方向，而風速的大小決定擴散稀釋作用的強弱。在設備布局方面，在低矮的設備區域泄漏氣云不易擴散;高大的設備有阻擋作用，氣云會從風速較大的兩側迅速通過;復雜的設備布局會使泄漏物質的擴散更加困難，使泄漏物質長時間聚集，增加了其危險性與危害性。

2 模型建立

將泄漏混合物簡化為CH4和CO2，體積濃度分別設為60%和40%。

2.1 幾何模型建立

采用計算機輔助設計（Auto Computer Aided Design，AutoCAD）軟件建立模型，之后導入ICEM軟件進行網格處理。為節約計算時間，對幾何模型進行簡化處理，建立20 m×10 m的地面流程設備擺放簡易場地模型。計算流體域為130 m×110 m×50 m，東風入口離簡易場地邊界有10 m，東風出口離簡易場地邊界有100 m。

2.2 網格劃分

由于地面流程設備的種類和尺寸有所不同，為了提高模擬的準確性和操作的方便性，采用四面體網格類型。綜合考慮計算精度和計算機能力，網格設置為最大5 m，甲板附近區域設置為0.5 m，泄漏點附近設置為0.005 m，共形成370 258個網格和66 449個節點。

2.3 模擬模型和邊界條件

采用湍流模型中的Realizable [κ-ε]湍流模型。所有流體均為氣態，但由于氣體環境為大氣壓，可以假定泄漏氣體是不可壓的，開啟能量方程。

邊界條件：①風速入口為5 m/s、10 m/s，分為北（N）、東北（NE）、東（E）3個風向;②出口邊界為壓力邊界;③對于海平面、船體面、物件面等足以影響擴散的大型壁面，均為無滑移壁面;④氣體泄漏速度為2 kg/s和5 kg/s。

3 模擬結果及分析

模擬泄漏速度為2 kg/s、風速為0 m/s（見圖1），泄漏速度為2 kg/s、東風風速為2 m/s（見圖2），泄漏速度為2 kg/s、東風風速為2 m/s（見圖3），以及泄漏速度為2 kg/s、東北風風速為2 m/s（見圖4）等工況下，1.5%和5.0%以上體積濃度的CO2云圖。從圖1和圖2可知，風向也會造成危險區域的擴大。從圖3和圖4可知，圖4的設備布局與風向匹配性比圖3更利于危險氣體的驅散。條件允許的情況下，設備擺放布局最好與當時的風向相匹配，提前進行模擬分析，以便獲取最優布局。

4 結語

基于Fluent軟件開展高含CO2天然氣泄漏擴散數值模擬研究，分析不同風向、風速、泄漏速度以及不同設備擺放下的泄漏擴散過程。結果表明：風速越大，波及范圍越廣，對危險氣體的驅散作用越明顯;風向與設備擺放匹配不佳，則設備阻擋區域和低速區域會較多，不利于危險氣體擴散;風向與設備擺放匹配佳，甲板處可能泄漏區域的驅散效果最明顯。可見，設備擺放對危險氣體泄漏擴散影響較大，有必要在編寫設備流程后針對不同風況進行擴散模擬，以便獲得最優的設備擺放布局。

參考文獻：

[1]郭全娥.二氧化碳在日常生活中的利與弊[J].學園，2014（34）：201.

[2]楊政龍，余建星，李志剛，等.基于計算流體動力學的海上氣體擴散安全評價[J].中國海洋平臺，2019（3）：61-70.

[3]陳煒煒.基于FLUENT的加臭燃氣泄漏擴散研究[D].馬鞍山：安徽工業大學，2019：44-46.

[4]陳長運.某海洋平臺火災熱流場數值模擬與人員疏散分析[D].鎮江：江蘇科技大學，2018：22-24.

[5]魏朋洋.海上平臺爆炸定量風險分析方法研究[D].北京：中國石油大學，2018：50.

[6]徐文靜.海洋生產平臺天然氣泄漏風險分析與控制研究[D].青島：中國石油大學（華東），2018：23-24.

[7]趙鎰雯.危險氣體泄露擴散模擬及應對措施[D].西安：西安石油大學，2020：12-15.

[8]陳兵，崔維剛，郭煥煥，等.風速對超臨界-密相二氧化碳泄露擴散特性的影響[J].科學技術與工程，2019（34）：144-149.

[9]李環，楊威，郭曉曉，等.高含硫氣井硫化氫泄露擴散模擬和應急處置[J].科技視界，2015（24）：72.