储罐泄漏高度和方向对气体扩散的影响_沈泽亚.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-2033-10储罐泄漏高度和方向对气体扩散的影响沈泽亚,郎建垒,毛书帅,蔡 斌,郑海胜(北京工业大学区域大气复合污染防治北京市重点实验室,北京 100124)摘 要:为研究储罐泄漏事故排放源高度和泄漏方向对气体扩散的影响,选取某一典型化工园区开展了示踪气体(SF6)外场泄漏事故模拟试验,获得了真实可靠的气象(风向和风速)和质量浓度观测数据。利用验证后的 Fluent 模型模拟了14 种泄漏情景(7 种泄漏高度、2 种泄漏方向),对比了不同情景下气体质量浓度的分布特征,拟合分析了最大落地质量浓度随泄漏高度的变化规律。结果表明,逆风向泄漏的下游最大落地质量浓度远大于(2 3 个数量级)顺风向泄漏,且横向扩散范围更大。逆风向泄漏时,对数质量浓度(最大落地质量浓度经过对数处理后的值)随泄漏高度增加整体呈现非线性下降趋势;顺风向泄漏时,当泄漏高度小于储罐半高时呈线性下降、大于半高时整体呈非线性下降趋势。研究结果有助于了解化工园区泄漏事故污染物扩散规律,为事故处置提供参考依据。关键词:安全工程;储罐泄漏;气体扩散;野外试验;小尺度中图分类号:X937 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0040收稿日期:20220110作者简介:沈泽亚,博士研究生,从事区域大气污染防治与小尺度污染物扩散模拟研究,。基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0209900)0 引 言近几十年来,在经济水平快速发展的同时,大气污染事故频发,如福建泉港碳九泄漏事故、四川乐山粗苯泄漏事故、山东莘县液氨泄漏事故等1 4,不仅威胁人民的生命和财产安全,而且对社会安定和生态环境造成一定的破坏。据报道,化工泄漏事故是引发火灾、爆炸、中毒的关键因素5,研究泄漏事故发生后污染物的扩散特征对提升应急管理水平和减少事故造成的损失具有重要意义。影响污染物扩散的因素主要包括释放源、气象条件、地形条件和障碍物,多数研究关注了后 3 个因素对气体扩散的影响6 11。而在释放源方面,目前主要集中于对排放位置的研究。2003 年,Mavroidis等12在理想环境下建立了氨储罐顺风泄漏扩散模型,研究了不同泄漏源高度对气体扩散规律的影响,为事故发生后的救援和企业制订应急预案奠定了基础。2021 年,Lin 等13研究了不同储罐底部泄漏时污染物的扩散情况,但是没有考虑同一储罐不同位置发生泄漏时的情景。Yu 等14和孙斌等15关注了室内环境下不同污染源位置对污染物分布的影响,结果表明,不同污染源位置对室内的空气质量影响存在差异。2019 年,朱柯壁16建立了理想环境下储罐 VOCs 泄漏扩散模型,数值研究了泄漏高度对气体扩散的影响。发现泄漏高度较低时容易发生浓度激增现象,泄漏高度较高时则无明显激增现象,然而泄漏高度与近地面浓度的关系目前还不清楚。2017年,张伊17的研究表明,在孤立的街道峡谷内,污染源位置对壁面浓度有较大影响。综上所述,大多数研究的环境相对简单,很少研究关注了真实化工园区复杂环境下的气体扩散特征。储罐是化工园区典型的组成部分,储罐泄漏可能存在多种情景,如同一储罐上不同高度泄漏、不同方向泄漏(如顺风向和逆风向)等。当不同高度泄漏时,最大落地浓度及其位置由于受到储罐的影响可能存在差异;当气体的泄漏方向与风向相向时,由于受到风的阻力作用,其扩散特征可能与顺风向泄漏时存在差异。然而,目前不同高度泄漏和不同方向泄漏情景下污染物扩散规律尚不清晰,对于化工园区中储罐不同泄漏情景气体扩散特征的认识有待进一步提升。掌握污染物在真实环境下的扩散特征对于事故发生时做出正确的应急处置具有重要意义,因此亟须开展相关研究。本文重点关注真实化工园区环境下,污染源泄漏高度和方向对气体扩散的影响。选取某一典型化工园区开展了 SF6气体外场示踪试验,为模式模拟提供可靠真实的验证数据。采用广泛应用并经过验证的计算流体力学模型(Computation Fluid Dynamic,CFD)Fluent18 19进行数值模拟,评估不同湍流模型的适用性,分析不同释放源泄漏高度和方向对下风向气体浓度的影响,以期建立不同高度与最大落地浓度的关系,为厘清突发大气污染泄漏事故污染物扩散规律提供科学的支撑。1 材料和方法1.1 外场试验介绍为了探究真实化工园区环境下泄漏源高度和泄漏方向对气体扩散的影响,研究选取 SF6作为示踪气体20,于 2020 年 8 月在北京市某一典型化工园区3302第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023开展了外场示踪试验。图 1 为试验场地卫星图及监测点布设情况。厂区的主要组成包括5 个储罐(1#5#)、不同形状的房屋建筑(平均高度为 8 m)、主干道(300 m 15 m)、围堰(高度为2 m)、斜坡等,构成了较为复杂的建筑物下垫面环境。1#4#储罐高度为22 m,直径为 80 m;5#储罐高度为 15 m,直径为 10m。泄漏源高度为17 m,位于1#储罐的北面罐壁上,气体泄漏方向朝北。将低吸附性的特氟龙管的一端连接气体流量计(用于测定气体的泄漏速率),另一端作为气体泄漏口,固定在指定的高度上,并防止受风的影响而摆动。流量计的另一端则固定在高纯SF6气体(99.99%)钢瓶上,泄漏速率为 20 g/s。监测点位数量为 25 个,大致以网格等间距的方式布点,同时根据实际地形情况做局部调整。A 组监测点主要围绕原油罐区布设,共计 14 个监测点位,采样高度为 2 m;B 和 C 组监测点位平行于主干道,数量分别为 3 个和 4 个,采样高度为 1.5 m;D 组监测点垂直于主干道布设,采样高度为 1.5 m,共计 4 个监测点位。气体样品通过采样泵(流速设置为 2.5L/min)被捕捉到 10 L 采样袋中,采样时间为 3 min。试验期间的气象数据(风速和风向)来自于深圳市信立鑫科 技 有 限 公 司 生 产 的 气 象 传 感 器(XL62WU1RX,风速为 0 60 m/s,测量误差为 3%,分辨率为 0.1 m/s,风向全方位,无盲区),气象传感器位置如图 1 所示,高度距离路面 3 m,其中 3个传感器的编号分别为 M1(用于气象输入)、M2(用于气象验证)和 M3(用于气象输入)。为了保证气象观测的准确性,气象传感器经厂家检测校准后投入使用。此外,该气象观测设备也在本课题组开展的其他外场试验中得到了应用21。试验期间平均风向和风速分别为:M1 为 160和 1.8 m/s,M2 为155.9和 2.4 m/s,M3 为 151.9和 2.0 m/s。1.2 CFD 数值模拟方法根据实际厂区地形以及构造,建立了全尺度的计算模型,主要包含 5 个储罐、道路、斜坡、围堰、房屋建筑,并定义了 7 个边界面,即西南面(SW)、东南面(SE1 和 SE2)、东北面(NE1 和 NE2)、西北面(NW)和顶面(Top),如图 2 所示。由于试验期间为偏南风,泄漏源会受到 SW 和 SE1 两个边界来风的共同影响,因此为了更加接近真实情况,将 SW 和SE1 两个面同时设置为速度入口(Velocity-inlet),其他参数均采用默认方案;位于偏北方向的 NW、NE1、NE2 设置为压力出口(Pressure-outlet),其他参数均采用默认方案;由于实地试验中不存在模型中的边图 1 化工园区示踪气体泄漏试验Fig.1 Diagram of tracer gas leakage experimentin the chemical industry park界 Top 和 SE2,为了减小边界对气体以及风模拟的影响,故 将 Top 和 SE2 设 置 为 对 称 边 界 类 型(Symmetry),其余边界均设置为无滑移壁面类型(Wall,标准壁面函数),其他参数均采用默认方案。选用 Fluent 模型对计算域进行网格划分及求解计算,模拟泄漏源对气体扩散的影响。根据已有研究,总结出不同类型网格的特征如表 1 所示。本研究建立的流体域是一个复杂的几何构型,六面体网格不适用,而与四面体网格相比,多面体网格由于其更好的收敛性、准确性以及更短的计算时间逐渐得到了广泛的应用22。单一网格存在不同程度优势与劣势,混合型网格可以整合多种网格的优势,能够获得更佳的计算结果。本研究选用混合多面体网格(即在近壁面处采用多面体网格,在其他位置采用六面体网格)对流体域进行划分,既可以保证模拟的准确性,又能降低网格数量,节约计算时间成本,网格划分工具采用 Fluent 模型中的Meshing 模块。为保证给出更细致的近壁面处的计算结果,经过网格独立性测试之后,障碍物附近最细网格为 0.1 m,计算空间内最大网格为 7 m,模拟区域总网格数据为 113 万,网格质量为 0.48。对于风速 u、湍流动能 k 和湍流耗散率 的初始条件由下式设置,采用 UDF 进行编译。其中 u(m/s)为高度 z(m)处的速度,z0(m)为空气动力学粗糙度长度,0.1 m;u(m/s)表示摩擦速度,0.1m/s;von-Karman 常数 等于0.42;经验常数 C等于0.09。4302 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期u=ulnz+z0z0|(1)k=u2C(2)表 1 不同类型网格的特征Table 1 Characteristics of different types of grids网格类型优点缺点六面体网格准确性高、收敛性强、网格数量少23在几何 构 型 复 杂 的 情 况 下 划 分 困 难,适 应 性较弱24四面体网格对几何复杂的流体域有更强的适应性25网格数量大、质量低、准确性低25多面体网格更好地近似梯度,对网格变形不敏感,网格数量少26每个单元计算成本较高23=u3(z+z0)(3)1.3 模拟情景介绍为了研究泄漏源排放高度和方向对气体扩散的影响,本研究设计了 14 个模拟情景,如表 2 所示。其中基准情景为试验的真实情况,并利用监测数据对 CFD 模型进行验证。然后,在保持气象条件、边界条件,参数方案、泄漏物质、源强等不变的基础上,改变泄漏源的高度和泄漏方向,模拟了 14 种情景下的气体扩散结果。泄漏高度主要有 7 种(1.5 23m),泄漏方向有 2 种(逆风向和顺风向)。各个泄漏图 2 全尺寸的计算域及泄漏源的设置Fig.2 Full-size computing domain and release sourcesettings in the chemical industrial park源的位置和泄漏方向如图 2 所示。其中,在迎风罐壁的释放源逆风向泄漏,在背风罐壁的释放源背风向泄漏。1.4 数值模拟验证湍流模型的正确选择,是 CFD 模型准确模拟的前提。经过文献资料的整理与分析,在污染物扩散方面,大多数研究27 31普遍采用了标准 k 湍流模型(Standard k)、重整化群 k 湍流模型(RNG k)、可实现 k 湍流模型(Realizable k)、剪切应力传输 k 湍流模型(Shear Stress Transfer,SSTk 模型)、雷诺应力模型(Reynolds Stress Model,RSM)。针对化工园区环境,不同湍流模型对气体扩散的模拟准确性尚不清楚。因此,本文选取上述 5种常用的湍流模型开展模型适用性评估。有关湍流 表 2 模拟情景介绍Table 2 Information of simulation case情景源高度/m泄漏方向泄漏位置平均风速/(ms-1)平均风向/()基准情景17情景 1L1.5情景 2L3情景 3L7情景 4L10情景 5L19.5情景 6L23情景 1U1.5情景 2U3情景 3U7情景 4U10情景 5U17情景 6U19.5情景 7U23顺风向逆风向罐壁背风面罐顶背风面罐壁迎风面罐顶迎风面2.1155.95302 2023 年 6 月 沈泽亚,等:储罐泄漏高度和方向对气体扩散的影响 Jun.,2023模型的一些理论方程参见 Fluent 官方理论手册32,不同湍流模型对比结果如图 3 所示。图 3 不同湍流模型模拟浓度和气象条件的验证Fig.3 Validation of simulated concentrations andmeteorological conditions for differentturbulence models采用标准化平均误差(NME)、相关性(R)和 p 3个统计指标33,对不同湍流模型质量浓度模拟效果进行评估,结果如表 3 所示。从质量浓度模拟结果来看,在 k 两方程模型中,Standard k 模型与Realizable k 模型的模拟结果相似,RNG k 模型与前两者相差较大。而 SST k 模型与 RSM 模型模拟结果趋势相近,但与监测值偏差较大。由图 3(a)可知,Realizable k 模型能够更准确地模拟气体最大质量浓度,相对误差仅为 1.3%。从相关性角度分析,Standard k 模型与 Realizable k模型的模拟结果与监测值的相关性均达到了 0.9 以上。而 RNG k 模型、SST k 模型与 RSM 模型与监测值相关性较差,甚至呈负相关性,若采用这 3种模型的模拟结果,会导致应急处置决策的错误判断,可能产生致命的后果。从准确性角度分析,Standard k 模型与 Realizable k 模型的相差不大,且在 5 种湍流模型中准确性最好。而 RNG k模型、SST k 模型与 RSM 模型的模拟结果准确性较差,尤其是 RNG k 模型、SST k 模型表现最差。从气象模拟结果来看(图 3(b),SST k 模型气象模拟结果误差(风速 49.1%,风向 73.2)明显高于其他 4 种湍流模型。从风速模拟结果来看,RSM 模型模拟误差(4.6%)最小,k 两方程模型模拟误差相差不大(9.3%12.5%)。从风向模拟结果来看,Realizable k 模型的模拟误差(25.1)最小,其次为 Standard k 模型(28.1)。综上所述,由于在模拟浓度和气象条件方面均有较好的表现(强相关性和高准确性),Standard k 模型与 Realizable k 模型均可以用来模拟化工园区气体扩散,但鉴于 Realizable k 模型模拟的最大浓度与监测结果相近,可能 Realizable k 模型更适用于化工园区气体泄漏事故扩散模拟,因此本文选用 Realizable k 模型开展进一步的研究。此外,Realizable k 模型的模拟结果也证明了模型边界条件和参数设置的准确性。2 结果与讨论2.1 污染源泄漏高度和方向对气体扩散的影响选取 4 个释放高度情景,分别为 1.5 m(近地面)、3 m(略高于围堰)、10 m(接近储罐半高)、23 m(略高于罐顶),分析泄漏源对气体扩散的影响,结果如图 4 所示。逆风向泄漏时最大落地质量浓度远高于顺风向泄漏(2 3 个数量级),同时烟羽范围明显大于顺风向泄漏。一方面,从顺风向泄漏到逆风向泄漏时,1#储罐对气体扩散的作用增强,由于受到阻力的影响,风对气体的输送作用减弱,大部分气体在重力的影响下发生沉降,导致逆风向泄漏时近地面质量浓度远高于顺风向泄漏34。另一方面,1#储罐对逆风向泄漏气体的阻挡导致气体沿储罐向两侧扩散,增大了烟羽范围,而此时风对气体横向扩散的抑制作用明显不足34,导致了烟羽范围的进一步 表 3 不同湍流模型模拟浓度与监测值的评估结果Table 3 Evaluation results of simulated concentrations andobservation in different turbulence model湍流模型NMERp标准 k 模型0.630.920.01可实现 k 模型0.520.960.01重整化群 k 模型6.40-0.200.31SST k 模型4.21-0.180.38雷诺应力模型2.760.030.87 注:NME 1.5 代表模型模拟较为准确。6302 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期扩大。图 4 表明,近地面气体烟羽主要分布在 1#储罐和 4#储罐(也称下风向储罐)周围,且不同泄漏高度和方向造成的影响有所差异。顺风向泄漏时,随着泄漏高度的增加,4#储罐周边近地面质量浓度先增大后减小,这是由于当释放源高度为 1.5 m 时,2 m图 4 不同泄漏方向的质量浓度分布Fig.4 Mass concentration distribution of gasdischarged from different direction高的围堰能够阻挡气云的翻越,减少气云向围堰外扩散35 36,导致近地面高质量浓度区域(质量浓度分布呈现红色的区域)落在了 1#储罐附近。当释放源高度为 3 m 时,围堰对气云的阻碍作用减小,大量气体翻越围堰在 4#储罐附近聚集,导致了 4#储罐周围近地面浓度的升高。随着释放源高度的再增加,近地面质量浓度和烟羽范围开始逐渐减小。逆风向罐壁发生泄漏时,在 1#储罐周边存在较高的浓度。逆风向泄漏高度小于储罐半高时,1#储罐罐顶质量浓度较小,这表明大量逆风向泄漏的气体在“撞向”迎风罐壁后产生了分流效应,即气体沿着 1#储罐两侧扩散。此外,从办公区质量浓度分布来看,顺风向不同高度泄漏时,气体质量浓度变化不明显且质量浓度很低(10 m(5)逆风向,lnC=13.9-4.5 10-1H+0.7 10-1H2-6.7 10-3H3+1.7 10-4H4(6)3 结 论1)标准 k 模型与可实现 k 模型均适用于化工园区环境下气体扩散模拟,但可实现 k 模型能够更准确的模拟高质量浓度。2)储罐发生逆风向泄漏时,气体烟羽范围和最大落地质量浓度(2 3 个数量级)远大于顺风向泄漏。当逆风向泄漏高度小于储罐半高时,气体扩散更容易产生分流效应;大于储罐半高时,气体更容易翻越罐顶向下游扩散。储罐逆风向泄漏时,对工作人员和环境威胁更大,应该制定更加严格的处置措施。3)储罐发生逆风向泄漏时,泄漏源高度与对数质量浓度整体呈现非线性下降的关系。对于顺风向泄漏,泄漏高度小于储罐半高时,泄漏源高度与对数质量浓度呈现线性下降的关系;泄漏高度大于储罐半高时,泄漏源高度与对数质量浓度整体呈现非线性下降关系。参考文献(References):1 LIU C,ZHOU R,SU T,et al.Gas diffusion model basedon animprovedGaussianplumemodelforinversecalculations of the source strengthJ.Journal of LossPrevention in the Process 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