基于Fluent的高含CO2天然气泄漏数值模拟研究

黄辉 潘豪 闫新江 邱浩 马楠

摘 要：针对海洋油气田勘探開发过程中的气体泄漏扩散问题，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法建立了地面流体泄漏扩散预测模型与评估模型。综合考虑天然气和CO2的毒害风险，对不同情况下含CO2的天然气扩散过程开展数值模拟，研究风向、风速、泄漏速度以及设备摆放方式等因素对泄漏扩散行为的影响，预测和评估气体泄漏造成的危险区域和毒害范围。研究表明：风速越大，波及范围越广，对危险气体的驱散作用越明显;风向与设备摆放匹配不佳，将导致设备阻挡区域和低速区域过多，不利于危险气体扩散;风向与设备摆放匹配佳，甲板处可能泄漏区域的驱散效果最明显。可见，有必要针对不同风况进行扩散模拟，以便获取最优的设备摆放布局。

关键词：CO2;天然气;泄漏;数值模拟

中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：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

巴西某深水区块探井测试过程中CO2含量达到40%，同时含有少量的H2S。桑托斯盆地中，油气中CO2含量高达45%。CO2体积浓度在1.5%以下时，对人体影响不大;CO2体积浓度达3.0%后，会使人血压升高、脉搏加快以及听力减退，对体力劳动耐受力降低;CO2体积浓度达5.0%后，人体呼吸中枢受刺激，轻微用力后会感到头痛和呼吸困难;CO2体积浓度为7.0%～10.0%时，数分钟即可使人意识丧失;CO2体积浓度更高时，可导致人员休克甚至死亡[1]。

本文基于Fluent软件开展高含CO2天然气泄漏的扩散数值模拟研究，分析不同风向、风速、泄漏速度以及设备摆放方式等因素影响下的天然气泄漏扩散规律，为泄漏事故的预防、控制以及平台应急、逃生提供依据，并合理配置现场探测系统，以免因盲目施救或逃生不当造成不必要的伤亡和损失。

1 泄漏扩散理论基础

危险性气体的泄漏和扩散过程遵守物理守恒定律[2-6]，包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律和组分守恒定律等。

1.1 连续性方程

连续性方程也称质量守恒方程，任何流动都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为单位时间内流体微元中质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元的净质量。

1.2 动量守恒定律

动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律，可表述为微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，实际上是牛顿第二定律。

1.3 能量守恒定律

能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，可表述为微元体中能量的增加率等于进入微元体净热流量加上体力与面力对微元体所做的功，实际上是热力学第一定律。

1.4 组分质量守恒定律

危险性气体扩散存在多种化学组分，每一种组分都要遵守组分质量守恒定律。对于一个确定的系统，组分质量守恒定律可表述为系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩散流量与通过化学反应产生的该组分的生产率之和。

1.5 扩散影响因素

扩散过程中存在许多不确定性因素[7-9]，模拟计算较困难。其中，风向决定泄漏气云扩散的主要方向，而风速的大小决定扩散稀释作用的强弱。在设备布局方面，在低矮的设备区域泄漏气云不易扩散;高大的设备有阻挡作用，气云会从风速较大的两侧迅速通过;复杂的设备布局会使泄漏物质的扩散更加困难，使泄漏物质长时间聚集，增加了其危险性与危害性。

2 模型建立

将泄漏混合物简化为CH4和CO2，体积浓度分别设为60%和40%。

2.1 几何模型建立

采用计算机辅助设计（Auto Computer Aided Design，AutoCAD）软件建立模型，之后导入ICEM软件进行网格处理。为节约计算时间，对几何模型进行简化处理，建立20 m×10 m的地面流程设备摆放简易场地模型。计算流体域为130 m×110 m×50 m，东风入口离简易场地边界有10 m，东风出口离简易场地边界有100 m。

2.2 网格划分

由于地面流程設备的种类和尺寸有所不同，为了提高模拟的准确性和操作的方便性，采用四面体网格类型。综合考虑计算精度和计算机能力，网格设置为最大5 m，甲板附近区域设置为0.5 m，泄漏点附近设置为0.005 m，共形成370 258个网格和66 449个节点。

2.3 模拟模型和边界条件

采用湍流模型中的Realizable [κ-ε]湍流模型。所有流体均为气态，但由于气体环境为大气压，可以假定泄漏气体是不可压的，开启能量方程。

边界条件：①风速入口为5 m/s、10 m/s，分为北（N）、东北（NE）、东（E）3个风向;②出口边界为压力边界;③对于海平面、船体面、物件面等足以影响扩散的大型壁面，均为无滑移壁面;④气体泄漏速度为2 kg/s和5 kg/s。

3 模拟结果及分析

模拟泄漏速度为2 kg/s、风速为0 m/s（见图1），泄漏速度为2 kg/s、东风风速为2 m/s（见图2），泄漏速度为2 kg/s、东风风速为2 m/s（见图3），以及泄漏速度为2 kg/s、东北风风速为2 m/s（见图4）等工况下，1.5%和5.0%以上体积浓度的CO2云图。从图1和图2可知，风向也会造成危险区域的扩大。从图3和图4可知，图4的设备布局与风向匹配性比图3更利于危险气体的驱散。条件允许的情况下，设备摆放布局最好与当时的风向相匹配，提前进行模拟分析，以便获取最优布局。

4 结语

基于Fluent软件开展高含CO2天然气泄漏扩散数值模拟研究，分析不同风向、风速、泄漏速度以及不同设备摆放下的泄漏扩散过程。结果表明：风速越大，波及范围越广，对危险气体的驱散作用越明显;风向与设备摆放匹配不佳，则设备阻挡区域和低速区域会较多，不利于危险气体扩散;风向与设备摆放匹配佳，甲板处可能泄漏区域的驱散效果最明显。可见，设备摆放对危险气体泄漏扩散影响较大，有必要在编写设备流程后针对不同风况进行扩散模拟，以便获得最优的设备摆放布局。

参考文献：

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