瓦斯電廠甲烷泄漏CFD 模擬研究

賈永森，胡建榮，李銳，賈玉進，鄒杰

(華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000)

0 引言

隨著我國能源結構的調整以及甲烷在能源方面的廣泛應用，瓦斯電廠逐漸成為甲烷燃燒利用的重要方式之一[1]。發電廠房中的瓦斯燃燒機組需通過甲烷運輸管道獲取用于燃燒發電的甲烷氣體，然而在機組管道輸送過程中，由于長期運行和管道腐蝕等原因可能導致甲烷泄漏[2]，一旦廠房內部甲烷泄漏達到一定濃度，引發的火災和爆炸將帶來不可估量的人員傷亡和經濟損失[3]。因此，研究甲烷泄漏在現有廠房通風模式下的擴散情況用以預防泄漏后產生的危險十分重要。

隨著計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)的發展及計算設備的日益強大，CFD 數值模擬技術在污染物擴散過程研究方面得到了廣泛認可[4]。通過計算機獨立準確的模擬分析，不僅高效豐富地獲取了甲烷流動特性和分布信息，也大大減少了人力物力的消耗，為甲烷泄漏的預防和控制提供了理論支撐[5]。

1 廠房建模與網格劃分

1.1 廠房工況

本文中的瓦斯電廠為保證夏季廠房內溫度在45 ℃以下，通風采用機械通風與自然通風相結合的方式，瓦斯廠房尺寸為58 m×12 m×9 m，內部等距放置14 臺燃機機組，廠房側剖圖如圖1 所示。為保證瓦斯燃燒機組發電機的正常運行，在發電機側采用雙排機械送風機對發電機進行散熱，其中中心標高0.438 m的風機共11 臺，中心標高為2.6 m 的風機共14 臺，并安裝30°送風彎頭，中心標高0.438 m 的各風機風量為17 000 m3/h，中心標高2.6 m 的各風機風量為70 000 m3/h。為保證機組發動機的余熱排出，正對發動機側采用14 臺機械排風機進行排風，每臺排風機風量為53 900 m3/h，B 壁面8.296 m 高度處裝有8 臺機械排風機對廠房上部進行局部排風，每臺排風機風量為3 265 m3/h。此外，發電機側上部屋頂采用11 臺無動力通風機和3 臺機械排風機間隔安裝的排風方式，其中每臺機械排風機風量為27 572 m3/h。

圖1 廠房側剖圖

1.2 甲烷泄漏位置及泄漏量

管道系統在運行過程中由于壓力變化、溫度變化、材料缺陷、施工缺陷、運行失誤、管道振動等原因均可能導致管道薄弱位置發生泄漏[6-8]。本研究選取管道可能發生泄漏的位置為管道進入廠房時卡套連接接頭的位置，選取其中最不利情況，即與每臺機組連接的管道均發生泄漏，管道起點壓力為25 kPa，管道內氣體溫度為50 ℃，大氣壓力為101 325 Pa，假設每個甲烷泄漏口為直徑1 cm 的圓孔、中心高度為4.5 m，泄漏量依照小孔模型[9]進行計算，小孔模型下的管道泄漏量與氣體流速是否為音速有關，通常用臨界壓力判別，判別式為：

式中：k為絕熱指數，甲烷氣取1.3。

式中：ap為大氣壓力(Pa)；1p為管道起點壓力(Pa)；A為泄漏口面積(m2)；R為氣體常數；T為管道氣體溫度(K)。

經計算，14 處甲烷泄漏口總泄漏量為0.04 kg/s，在建模時將泄漏口簡化在B 壁面上，采用Solidworks軟件建模，結果如圖2 所示。

圖2 廠房模型圖

1.3 網格劃分

本文利用軟件Ansys meshing 進行網格劃分，為保證模擬結果的準確性、提高模擬計算效率，生成網格選擇非結構化網格，網格數量為202 萬，網格尺寸為0.34 m，平均網格質量為0.84(最大值為1)。同時對風口及甲烷泄漏口等氣流劇烈變化位置進行局部網格加密從而優化計算精度[10]，網格劃分示意圖如圖3 所示。

2 Fluent 數值計算與結果分析

Fluent 仿真軟件可以對多種不同性質的同相物體間的對流擴散守恒方程進行快速準確求解，進而模擬各組分之間的混合和輸運過程[11]。在甲烷管道泄漏的背景條件下，以對流擴散方程的相關理論為基礎，可利用Fluent 軟件模擬計算出甲烷的質量分數濃度。本文研究對象為純甲烷氣體向高溫廠房內空氣的泄漏擴散運動，且運動過程中無化學反應發生，因此采用不伴隨化學反應的多組分輸運模型求解此類多種氣體的混合問題[12]，同時開啟能量方程。

2.1 參數設置

通過分析各湍流模型的適用范圍[13]得出結論，在存在障礙物的復雜空間條件下，選用更加準確的Realizablek-ε湍流模型進行甲烷泄漏擴散的研究更為合適[14]。

Fluent 軟件基本設置如下：

(1)求解器：雙精度，壓力基類型，絕對速度格式，三維穩態。

3.基于實驗目標，開展實驗設計方案。實驗的方法有多種，要鼓勵學生依據實際目標，進行深入思考，勇于創新設計實驗方案。另外可對比設計方案種類的數量與效果，評析誰的設計方法較為獨特新穎，或者哪種方法較科學。

(2)多組分模型：Mixture，最后一個組分為空氣，另一組分為天然氣，開啟擴散能量源項。

(3)湍流模型：Realizablek-ε，標準壁面函數。

(4)材料：固體為steel，氣體為空氣和甲烷。

(5)操作環境：標準大氣壓，環境溫度31.2 ℃，重力加速度9.8 m/s2，方向豎直向下(沿Y方向)。

(6)邊界條件：甲烷泄漏口為質量流量入口；機械送風機入口為速度入口；機械排風機出口為壓力出口且抑制回流；無動力通風機出口為壓力出口且抑制回流，默認自然出口氣流已達到穩定均勻狀態，表壓為0 Pa；墻面為無位移壁面，熱邊界條件通過系統進行耦合；機組表面為熱流表面。

(7)耦合方法和離散格式：壓力和速度的耦合方法采用工程上應用最為廣泛的SIMPLE 方法；梯度的離散方法選用基于最小二乘單元；時間、壓力、動量、湍流動能、湍流耗散率、能量項均選用二次迎風格式。

2.2 數值模擬結果

在迭代400 次后，廠房內甲烷氣體平均質量分數濃度收斂結果如圖4 所示，由圖4 可知，在甲烷泄漏之初，廠房內甲烷濃度較高，但隨著廠房通風系統的運行，廠房內甲烷的質量分數濃度穩定在8.5×10-5%，甲烷的爆炸范圍為5%～15%[15]。本文選取1.25% 作為甲烷泄漏報警器的警戒濃度，即質量分數濃度為1.25×10-4%，廠房內甲烷氣體平均濃度為警戒濃度的68%，因此從平均質量分數濃度的角度來看，廠房滿足安全需要。

圖4 甲烷平均濃度收斂圖

由于機械送風機實際安裝位置受廠房兩側大門位置影響，送風側風機并非完全等距分布，因此選取廠房中部風機等距分布位置x=31.5 m 和靠近大門位置x=47.5 m 兩處截面，對廠房內空氣流場和甲烷氣體泄漏情況進行分析，兩截面位置圖如圖5 所示。

圖5 兩截面位置示意圖

在進行廠房風場穩態模擬后，x=31.5 m 和x=47.5 m 兩截面處的空氣速度矢量圖如圖6 所示，x=31.5 m 和x=47.5 m 兩截面處的甲烷氣體濃度分布云圖如圖7 所示。

圖6 廠房風場速度矢量圖

圖7 甲烷泄漏濃度分布云圖

由圖6(a)可知，在廠房中部位置氣流整體由左側向右側流動，左側上升氣流部分由屋頂排風口排出廠房，部分沿廠房上部繼續向右側流動，在經過B 壁面上部排風機抽吸后仍以0.96 m/s 的速度沿B 壁面向下運動，并最終由發動機側的機械排風機排出廠房，氣流在從上部排風機向發動機側排風機運動過程中不斷加速，在接近發動機側排風機排風口時氣流速度達到2 m/s。圖6(b)顯示了靠近廠房大門位置的氣流速度矢量圖，此處風場與廠房中部位置有較大差異，由于此處發電機側未安裝機械進風機，廠房內部風壓不平衡，中部位置大量低位氣流以較大的壓強向廠房兩側運動，同時在熱壓作用下靠近左側的中部來流向上浮升，在經過屋頂排風口流出部分氣流后繼續向右側移動，同理，在熱壓作用下靠近右側的中部來流以4 m/s 的速度向上浮升，在經過B 壁面上部排風機后繼續向廠房左側運動，與左側浮升氣流相遇后，兩股氣流受各自的阻滯作用在廠房上部形成兩處渦流區域。

從圖7(a)可以發現，甲烷在泄漏到廠房之初形成自由射流，由于甲烷泄漏口極小，在管道內部25 KPa的高壓下，甲烷氣體呈噴射狀噴出，同時迅速向四周擴散到流體域中，四周含量梯度較大。而在圖6(a)所示的風場下，甲烷氣體受由上而下的高速氣流影響，并未呈現持續水平射流狀態，而是在較大氣流速度衰減后迅速向下方進行射流運動，說明甲烷氣體在受熱浮升力和自身重力作用下仍不足以抵抗廠房內空氣來流的動能影響，這也間接說明了對廠房內部風場進行穩態模擬的必要性。甲烷氣體在向下運動過程中受發動機側排風機的抽吸作用，逐漸向排風機靠攏并最終排出廠房，因此甲烷氣體泄漏區域相對集中，向廠房其他區域的擴散趨勢基本為0。圖7(b)顯示了靠近大門位置甲烷氣體濃度分布情況，在右側上升氣流與熱浮升力的作用下，甲烷氣體在泄漏之初便向廠房上方運動。B 壁面上部的機械排風機附近甲烷氣體濃度較低，說明其對廠房局部甲烷氣體的排出有一定積極作用，但受風機風量與甲烷擴散速率的影響，B 壁面上部機械排風機抽吸作用受到限制，因此在廠房右側上部仍出現較多甲烷氣體聚集，易形成安全隱患。在甲烷氣體擴散過程中濃度逐漸降低，在渦流區域的影響下，甲烷氣體沿燃機機組上表面向廠房左側逐漸擴散并呈現向上運動趨勢。

對比不同位置風場情況和甲烷氣體濃度分布情況可知，甲烷氣體受風場因素影響較大，對廠房內部進行風場穩態模擬存在較大價值。在廠房中部甲烷氣體主要集中在發動機側的中下部區域，主要由發動機側機械排風機對甲烷氣體進行及時排出，而在廠房兩側大門處甲烷氣體主要集中在中上部區域，由于B 壁面機械排風機對甲烷氣體的捕捉能力有限，因此甲烷氣體在廠房兩側大門位置的擴散影響區域明顯大于廠房中部位置。

廠房內甲烷質量分數濃度分布直方圖如圖8 所示，可知，在報警器警戒濃度范圍內的甲烷氣體占全部甲烷氣體的73.9%，僅有26.1% 的氣體超出警戒濃度，經比對，超出警戒濃度的部分氣體以較快速度從廠房中被捕獲并排出，其余部分氣體主要分布在管道泄漏小孔附近，而在其向外射流的過程中受通風影響，濃度逐漸降低并在廠房大門處的右側中上部聚集，因此需在大門截面處靠近B 壁面的廠房上部安裝一定數量的甲烷泄漏報警器，以提高廠房運行的安全性與穩定性。

圖8 廠房甲烷質量分數濃度分布直方圖

3 結語

山西某瓦斯電廠采用CFD 數值模擬方法模擬甲烷氣體的泄漏過程，研究結果發現，廠房內不同位置風場的變化對甲烷氣體泄漏濃度分布情況有重要影響。對廠房中部位置，由于機械進風機布置較均勻，由上及下的空氣來流推動甲烷氣體向下運動并從發動機側機械排風機處及時排出；對靠近兩側大門的位置，由于發電機側缺乏機械進風機，廠房中部低位氣流向兩側大門處擠壓，同時在熱浮升力的助力下，帶動甲烷氣體向廠房上部運動，使得除泄漏口附近外，廠房頂部靠近B 壁面甲烷氣體濃度最高，易導致甲烷聚集，產生通風死角。因此，甲烷泄漏報警器的合理布置位置應在距離廠房頂部0.5 m 高度處[16]的前提下，盡量向廠房B 壁面靠近，有利于及時發現甲烷泄漏的突發安全事故，同時建議增大B 壁面上部機械排風機風量，有效避免甲烷泄漏死角的出現，改善廠房上部甲烷氣體的聚集現象，未來可根據甲烷泄漏濃度分布的變化特點和變化規律，劃分出不同等級的危險區域進行針對性管理。綜上所述，上述研究可以為其他瓦斯電廠在散熱通風條件下甲烷泄漏的預防和控制提供理論依據。