CN112182988B - 基于cfd软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原油储罐泄漏后蒸发油气扩散分布的模拟方法，针对原油储罐及罐组布置以及原油泄漏特性，综合考虑气象条件、地理几何环境、历史事故案例、原油流动挥发特性、工艺控制多种因素，运用Fluent、FLACS计算流体力学软件，首先通过Fluent计算储罐泄漏后在工艺控制条件下形成的原油液池，将稳定油池面积、分布位置输入到FLACS计算模型中得到原油挥发后的油气混合气体扩散分布状态，并通过改变大气稳定状态、风向风速等气象条件对比分析储罐原油泄漏后挥发油气的分布规律。本发明能够准确地反映原油泄漏后液池分布状态及挥发油气扩散后果，能够分析同一罐组不同泄漏场景、不同气象条件下的油气分布规律，为罐组装置布局、泄漏事故应急处置提供理论参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种原油储罐泄漏后液池流淌及蒸发油气扩散的模拟方法，具体是一种基于CFD软件Fluent、FLACS的原油储罐泄漏模拟方法，属于智能模拟技术领域。
背景技术
原油是一种危险物质，其本身是粘稠性油状液体，具有燃爆性，还会挥发出可燃性气体、硫化氢等有毒气体。原油库是原油储运的重要场所，储罐数量多、储量大、生产设施多，储存原油的储罐罐体一旦发生泄漏，原油流动到外界环境可能会引起中毒及火灾爆炸事故，造成严重后果。泄漏后原油液池及挥发蒸汽的扩散范围对事故后果有着重要的影响。
现储罐泄漏后果风险模拟的技术已较为成熟，但多为针对稳态泄漏大空间流动扩散，未考虑到实际工艺控制及储罐环境障碍对泄漏后原油液池及挥发蒸气分布的影响；其次忽略了原油泄漏后在地面首先形成液池再挥发油气的扩散特性，不能针对原油储罐泄漏后液池分布及挥发蒸气扩散范围进行动态分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的问题，加强针对性，本发明提供一种基于CFD软件Fluent、FLACS的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，能够根据原油储罐特定环境布置，模拟出原油储罐发生泄漏后，原油流淌过程及最终在隔堤内形成的液池，计算挥发油气的扩散范围，为原油储罐泄漏事故风险掌控提供理论依据。
本发明为了实现上述目的，采用的技术方案是：一种基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，包括以下步骤：
s1.确定原油罐区的相关参数；
s2.确定高风险泄漏场景，包括泄漏位置、泄漏孔径、原油粘度，计算管壁泄漏孔的泄漏速率；
s3.将管壁泄漏孔的泄漏速率输入Fluent模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程，得到原油液池面积及分布位置；
s4.根据原油及液池组分、原油液池面积及分布位置，计算热量蒸发的液体蒸发速率；
s5.将原油及液池组分、原油液池面积及分布位置以及液体蒸发速率输入FLACS计算蒸发油气的扩散分布；
s6.根据气象条件改变大气稳定度、风向风速，得到不同气象状态下蒸发油气的扩散分布范围以及形成可燃蒸气云的体积和位置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.基于原油储罐及罐组的布置特点和装置类型，可建立与实际罐组一致的三维模型，模拟计算结果有更强的针对性和准确性；
2本发明考虑实际工艺控制特点，能够模拟特定罐组的不同事故位置泄漏后的原油液池积累分布与挥发油气扩散影响范围；
3.本发明考虑不同气象条件对油气扩散的影响，可模拟任意气象条件下的分布范围，能够更加准确全面分析油气扩散规律与有燃爆风险的可燃蒸气云体积变化；
4.Fluent作为一款成熟的专业计算流体力学软件，丰富的计算模型使得结果可信度也更高，精确性更强；同时，降低了使用者的门槛，无需自行编写公式模型；
5.FLACS模拟软件在气体扩散的场景计算模型经过大量实验数据验证，对烷类气体应用效果更好，计算结果准确可信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例的Fluent模拟采用SIMPLE算法的流程图；
图3是本发明实施例的监测线设置示意图；
图4是本发明实施例的原油分布曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，是本发明实施例的流程图。本发明一种基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，包括以下步骤：
s1.确定原油罐区的相关参数；
包括：储罐(直径、高度、含油量)、储罐壁、隔堤、防火堤、导油槽、集液池参数(罐区地面管线尺寸)、原油物性(原油的密度及粘度、沸点、对流换热系数)、年平均风速、年风向图、大气稳定度和湿度。其中，含油量用来计算原油液面和管壁泄漏孔的高度差；储罐尺寸参数用于CFD软件建模；原油参数用于计算泄漏速率及蒸发速率；罐区气象数据用于FLACS中计算挥发油气扩散分布。
s2.确定高风险泄漏场景，包括泄漏位置、泄漏孔径、原油粘度，计算管壁泄漏孔的泄漏速率；
确定需要模拟的高风险泄漏场景时，依据储罐事故案例、工艺流程进行风险分析(危险与可操作性分析、故障类型与失效分析)确定泄漏位置。
本实例中，10万方大型原油储罐直径达80m，泄漏孔处出流速度远大于容器内液面下降速度，可以假设容器内液柱动能为0。
罐顶初始压力确定，根据能量守恒方程求解泄漏孔口处参数条件：
E(Pin,Tin,min％)＝E(Po,To,mo％)+uo 2/2 (1)；
其中，Pin为泄漏孔处背压，P0等于大气压力，代表储罐内上层液体密度；T是温度；
流体具有的总能量包含动能、势能和压力能3种：
根据小孔出流模型，管壁泄漏孔泄漏速率u0用如下公式(3)计算：
其中：Pin为管壁泄漏孔处背压，P0等于大气压力，ρliquid为液相介质密度、单位为kg/m3，代表储罐内上层液体密度；g是重力加速度，取值9.8m/s2；ΔH是液位超出管壁泄漏孔的高度、单位为m。
s3.将管壁泄漏孔的泄漏速率输入Fluent模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程，得到原油液池面积及分布位置；
使用Fluent模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程的步骤如下：
s3.1.建立Fluent罐组模型,根据场景尺寸按照1:1比例使用3D建模软件(workbench中的Designmodeler)建立储罐以及管壁泄漏孔、隔堤、导油槽模型；
s3.2.采用Meshing软件对该模型进行非结构化网格划分，根据管壁泄漏孔实际尺寸大小，通过修改面网格尺寸来加密管壁泄漏孔处的网格；
s3.3.模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程，将网格文件导入Fluent求解器，利用Fluent检查网格的尺寸扭曲率和角度扭曲率(低于0.85则合格)，设置为瞬态计算，打开重力并设置重力加速度，设置组分、边界条件、求解模型及其求解算法；
本方法通过Fluent对原油流动问题进行求解，由于流动过程中不存在传质或传热过程，因此需要考虑的控制方程包括连续性方程和动量方程，方程的守恒形式分别为：
其中，ρ为密度；
为物质密度随时间的变化率；
为向量微分算子；
为速度矢量；Sm为质量源项；
其中，p为静压力，
为应力张量，
和
是引力项和外力项，
为向量微分算子。
重力加速度依据当地实际的重力加速度设置，Fluent模拟组分为空气和原油，其中，由于Fluent中没有原油组分，因此原油组分设置为液态水，然后将液态水的粘度和密度修改为原油的粘度和密度以此来替代原油组分；
边界条件为：
设置管壁泄漏孔为质量流量入口，该入口的泄漏速率u0由公式(1)而定；设置储罐壁、隔堤、防火堤为壁面边界条件，导油槽出口与大气相通，设置为压力等于0的压力出口；
求解模型为：
①在原油流动求解过程中，除了上述守恒方程以外，还需要考虑原油流动状态，原油从储罐中泄漏出来的流速非常高，流动过程复杂(原油泄漏后会发生喷溅、撞击、扩散等复杂的流动行为)，视作湍流过程，因此采用realizable k-ε湍流模型进行计算求解，realizable k-ε湍流模型如下所示：
式中，Gk、Gb为湍流动能的产生项，分别由平均速度梯度和浮力产生，YM表示对总耗散率的影响，由可压缩湍流中的波动扩张引起；Sk、Sε为源项，σk为湍流能的普朗特常数，σε为耗散率的普朗特常数，μ为流动粘度，ε为湍流耗散率，C1ε、C2为经验常数；
②Fluent模拟采用SIMPLE算法，各子项分别采用以下离散格式：梯度采用最小二乘单元，压力采用二阶格式，动量、湍流动能、湍流耗散率及各组分采用二阶迎风格式；
Fluent模拟采用SIMPLE算法的具体步骤如下：
a.假定初始速度场的分布V0、压力场的分布P0；
b.求解动量离散方程；
c.解得新的速度场V*；
d.根据新的速度场求解压力修正方程，得到P'；
e.根据P'修正压力场和速度场；
f.利用修正后的速度场求解离散化方程得到新的压力、速度及其他变量；
g.判断计算结果是否收敛(若计算残差值趋于稳定或者低于设定的残差值则判定为收敛)，如果否，将结果代入并转d，如果是，转下一步；
h.计算完成。
如图2所示，是本发明实施例的Fluent模拟采用SIMPLE算法的流程图。
③在流动中还涉及原油和空气组分的交互作用，一般认为，原油和空气不发生混溶，因此采用VOF两相流模型，通过求解动量方程组并跟踪整个域中每种流体的体积分数对原油-空气进行流体建模，实现对原油-空气界面进行瞬态跟踪；遵循以下公式：
其中，q表示相数，Fq为对应项的体积分数，u、v表示流体在流动方向上的线速度。
s3.4.在地表区域设置原油体积分数监测线，用于监控地面原油浓度分布，根据原油罐区大小设置监测线密度，为保证数据精度，监测线不少于10条，且监测线与泄漏方向相平行；
如图3所示，是本发明实施例的监测线设置示意图。
s3.5.设置残差值为0.0001，残差值是收敛的判据，simple算法下计算的结果残差低于残差值就可认为计算达到收敛。初始化模型(将原油储罐空腔模型中的原油组分体积分数初始化为0)，设置时间步长和计算时间(为了保证较好的收敛性，可以将时间步长设置为0.01s，计算步数为120000步，计算120s)，开始进行计算分析；
s3.6.计算完成后利用Fluent进行后处理，得到原油液池流动的动态过程，以及最终稳定在隔堤内的液池覆盖范围(即泄漏情况)，以体积分数0.1％分判断指标，获得每条监测线上体积分数高于0.1％的部分以及具体的坐标范围，根据坐标采用Matlab拟合出原油的函数分布公式，并计算出原油液池面积及分布位置。计算公式为：
A＝∫f(x)dx (11)；
其中，A为液池面积，x为坐标值。
如图4所示，是本发明实施例的原油分布曲线示意图。
s4.根据原油及液池组分、原油液池面积及分布位置，计算热量蒸发的液体蒸发速率；
液体蒸发速率v2由公式(12)确定：
式中T0是环境温度、单位为K；Td是液体在常压下的沸点、单位为K；L是液池长度、单位为m；H是液体蒸发热、单位为m；a是热扩散率、单位为m2/s；K是地面导热系数、单位为W/(m·k)；T是蒸发时间、单位为s；Nu是努塞尔数，计算见式(13)：
Nu＝hD/k (13)；
式中h是流体对流导热系数、单位为W/(m2·k)；D是传热面几何特征长度、单位为m；k是静止流体的导热系数、单位为W/(m2·k)；地面情况对热量蒸发有一定影响，取水泥地面参数K为1.1W/(m·k)、a为1.29*10^(-7)。
s5.将原油及液池组分、原油液池面积及分布位置以及液体蒸发速率输入FLACS计算蒸发油气的扩散分布；FLACS考虑真实几何环境拥塞，适用于易燃、有毒物质扩散影响分析，可模拟罐区全尺寸原油蒸发油气多组分扩散，计算结果得到大量试验验证，准确性高。
使用FLACS计算蒸发油气的扩散分布的过程如下：
s5.1.根据罐组实际尺寸，按照1:1比例构建罐组三维模型，包括储罐、隔堤、防火堤、导油槽、扶梯、管线设施；
s5.2.将计算场景设置为dispersion and ventilation，输入原油液池面积及分布位置，在leak中设置无初始动能泄漏，输入液体蒸发速率，GAS COMPOSITION AND VOLUME中设置原油挥发组分；
s5.3.划分计算网格，在液池位置划分1m均匀细密网格，周围按照1:1.2尺度加宽；
本方法采用有限体积法，在三维笛卡尔坐标系求解可压缩雷诺平均方程：
式中，ψ为质量、动量、能量及物料变量；μeff为有效湍流粘度，单位为pa·s；ρ为原油蒸发气体密度，单位为kg/m3；Sψ为能量项；xi为i方向的坐标；ui代表同方向的速度项，单位为m/s；
s5.4.设置气体监测区域，满足包含气体可能扩散的所有位置，设置计算时间，模拟得到蒸发油气的扩散过程、分布范围以及达到燃爆浓度的可燃蒸气云体积和位置。
s6.根据气象条件改变大气稳定度、风向风速，得到不同气象状态下蒸发油气的扩散分布范围以及形成可燃蒸气云的体积和位置。
以上实例仅是对某一泄漏位置一种气象条件下进行的计算后果，可根据气象条件改变大气稳定度、风向风速等设置可得到不同气象状态下泄漏油气的扩散分布范围以及可能发生火灾爆炸事故的可燃蒸气云的体积和位置，分类比对得到挥发油气扩散分布规律。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.确定原油罐区的相关参数；
s2.确定高风险泄漏场景，包括泄漏位置、泄漏孔径、原油粘度，计算管壁泄漏孔的泄漏速率；
s3.将管壁泄漏孔的泄漏速率输入Fluent模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程，得到原油液池面积及分布位置；
s4.根据原油及液池组分、原油液池面积及分布位置，计算热量蒸发的液体蒸发速率；
s5.将原油及液池组分、原油液池面积及分布位置以及液体蒸发速率输入FLACS计算蒸发油气的扩散分布；
s6.根据气象条件改变大气稳定度、风向风速，得到不同气象状态下蒸发油气的扩散分布范围以及形成可燃蒸气云的体积和位置；
所述步骤s2中，根据小孔出流模型，管壁泄漏孔的泄漏速率u0用如下公式(3)计算：
其中：Pin为管壁泄漏孔处背压，P0等于大气压力，ρliquid为液相介质密度、单位为kg/m3，代表储罐内上层液体密度；g是重力加速度，取值9.8m/s2；ΔH是液位超出管壁泄漏孔的高度、单位为m；
所述步骤s3中使用Fluent模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程的步骤如下：
s3.1.建立Fluent罐组模型,根据场景尺寸按照1:1比例使用3D建模软件建立储罐以及管壁泄漏孔、隔堤、导油槽模型；
s3.2.对该模型进行非结构化网格划分，根据管壁泄漏孔实际尺寸大小，通过修改面网格尺寸来加密管壁泄漏孔处的网格；
s3.3.模拟储罐泄漏原油液池流动扩散过程，将网格文件导入Fluent求解器，利用Fluent检查网格的尺寸扭曲率和角度扭曲率，设置为瞬态计算，设置重力加速度，设置组分、边界条件、求解模型及其求解算法；
s3.4.在地表区域设置原油体积分数监测线，用于监控地面原油浓度分布，根据原油罐区大小设置监测线密度，监测线不少于10条，且监测线与泄漏方向相平行；
s3.5.设置残差值为0.0001，初始化模型，设置时间步长和计算时间，开始进行计算分析；
s3.6.计算完成后利用Fluent进行后处理，得到原油液池流动的动态过程，以及最终稳定在隔堤内的液池覆盖范围，根据坐标采用Matlab拟合出原油的函数分布公式，并计算出原油液池面积及分布位置；
所述步骤s4中液体蒸发速率v2由公式(12)确定：
式中T0是环境温度、单位为K；Td是液体在常压下的沸点、单位为K；L是液池长度、单位为m；H是液体蒸发热、单位为m；a是热扩散率、单位为m2/s；K是地面导热系数、单位为W/(m·k)；T是蒸发时间、单位为s；Nu是努塞尔数，计算见式(13)：
Nu＝hD/k (13)；
式中h是流体对流导热系数、单位为W/(m2·k)；D是传热面几何特征长度、单位为m；k是静止流体的导热系数、单位为W/(m2·k)；取水泥地面参数K为1.1W/(m·k)、a为1.29*10^(-7)。
2.根据权利要求1所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，所述步骤s1中确定原油罐区的相关参数，包括：储罐、储罐壁、隔堤、防火堤、导油槽、集液池参数、原油物性、年平均风速、年风向图、大气稳定度和湿度。
3.根据权利要求1所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，所述步骤s2中确定高风险泄漏场景依据事故案例、工艺流程进行风险分析确定泄漏位置。
4.根据权利要求1所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，步骤s3.3中，控制方程包括连续性方程和动量方程，方程的守恒形式分别为：
其中，ρ为密度；
为物质密度随时间的变化率；
为向量微分算子；
为速度矢量；Sm为质量源项；
其中，p为静压力，
为应力张量，
和
是引力项和外力项；
重力加速度依据当地实际的重力加速度设置，Fluent模拟组分为空气和原油，其中，原油组分设置为液态水，将液态水的粘度和密度修改为原油的粘度和密度；
边界条件为：
设置管壁泄漏孔为质量流量入口，该入口的泄漏速率u0由公式(3)而定；设置储罐壁、隔堤、防火堤为壁面边界条件，导油槽出口与大气相通，设置为压力等于0的压力出口；
求解模型为：
①采用realizable k-ε湍流模型进行计算求解，realizable k-ε湍流模型如下所示：
式中，Gk、Gb为湍流动能的产生项，分别由平均速度梯度和浮力产生，YM表示对总耗散率的影响，由可压缩湍流中的波动扩张引起；Sk、Sε为源项，σk为湍流能的普朗特常数，σε为耗散率的普朗特常数，μ为流动粘度，ε为湍流耗散率，C1ε、C2为经验常数；
②Fluent模拟采用SIMPLE算法，各子项分别采用以下离散格式：梯度采用最小二乘单元，压力采用二阶格式，动量、湍流动能、湍流耗散率及各组分采用二阶迎风格式；
③采用VOF两相流模型，通过求解动量方程组并跟踪整个域中每种流体的体积分数对原油-空气进行流体建模，实现对原油-空气界面进行瞬态跟踪；遵循以下公式：
其中，q表示相数，Fq为对应项的体积分数，u、v表示流体在流动方向上的线速度。
5.根据权利要求4所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，步骤②中Fluent模拟采用SIMPLE算法的具体步骤如下：
a.假定初始速度场的分布、压力场的分布；
b.求解动量离散方程；
c.解得新的速度场；
d.根据新的速度场求解压力修正方程，得到P'；
e.根据P'修正压力场和速度场；
f.利用修正后的速度场求解离散化方程得到新的压力、速度及其他变量；
g.判断计算结果是否收敛，如果否，将结果代入并转d，如果是，转下一步；
h.计算完成。
6.根据权利要求1所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，步骤s3.6中计算公式为：
A＝∫f(x)dx (11)；
其中，A为液池面积，x为坐标值。
7.根据权利要求1所述的基于CFD软件的原油储罐泄漏油气分布模拟方法，其特征在于，所述步骤s5中，使用FLACS计算蒸发油气的扩散分布的过程如下：
s5.1.根据罐组实际尺寸，按照1:1比例构建罐组三维模型，包括储罐、隔堤、防火堤、导油槽、扶梯、管线设施；
s5.2.将计算场景设置为dispersion and ventilation，输入原油液池面积及分布位置，液体蒸发速率；
s5.3.划分计算网格，在液池位置划分1m均匀细密网格，周围按照1:1.2尺度加宽；
采用有限体积法，在三维笛卡尔坐标系求解可压缩雷诺平均方程：
式中，ψ为质量、动量、能量及物料变量；μeff为有效湍流粘度，单位为pa·s；ρ为原油蒸发气体密度，单位为kg/m3；Sψ为能量项；xi为i方向的坐标；ui代表同方向的速度项，单位为m/s；
s5.4.设置气体监测区域，满足包含气体可能扩散的所有位置，设置计算时间，模拟得到蒸发油气的扩散过程、分布范围以及达到燃爆浓度的可燃蒸气云体积和位置。
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