瓦斯电厂甲烷泄漏CFD 模拟研究

贾永森，胡建荣，李锐，贾玉进，邹杰

(华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000)

0 引言

随着我国能源结构的调整以及甲烷在能源方面的广泛应用，瓦斯电厂逐渐成为甲烷燃烧利用的重要方式之一[1]。发电厂房中的瓦斯燃烧机组需通过甲烷运输管道获取用于燃烧发电的甲烷气体，然而在机组管道输送过程中，由于长期运行和管道腐蚀等原因可能导致甲烷泄漏[2]，一旦厂房内部甲烷泄漏达到一定浓度，引发的火灾和爆炸将带来不可估量的人员伤亡和经济损失[3]。因此，研究甲烷泄漏在现有厂房通风模式下的扩散情况用以预防泄漏后产生的危险十分重要。

随着计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)的发展及计算设备的日益强大，CFD 数值模拟技术在污染物扩散过程研究方面得到了广泛认可[4]。通过计算机独立准确的模拟分析，不仅高效丰富地获取了甲烷流动特性和分布信息，也大大减少了人力物力的消耗，为甲烷泄漏的预防和控制提供了理论支撑[5]。

1 厂房建模与网格划分

1.1 厂房工况

本文中的瓦斯电厂为保证夏季厂房内温度在45 ℃以下，通风采用机械通风与自然通风相结合的方式，瓦斯厂房尺寸为58 m×12 m×9 m，内部等距放置14 台燃机机组，厂房侧剖图如图1 所示。为保证瓦斯燃烧机组发电机的正常运行，在发电机侧采用双排机械送风机对发电机进行散热，其中中心标高0.438 m的风机共11 台，中心标高为2.6 m 的风机共14 台，并安装30°送风弯头，中心标高0.438 m 的各风机风量为17 000 m3/h，中心标高2.6 m 的各风机风量为70 000 m3/h。为保证机组发动机的余热排出，正对发动机侧采用14 台机械排风机进行排风，每台排风机风量为53 900 m3/h，B 壁面8.296 m 高度处装有8 台机械排风机对厂房上部进行局部排风，每台排风机风量为3 265 m3/h。此外，发电机侧上部屋顶采用11 台无动力通风机和3 台机械排风机间隔安装的排风方式，其中每台机械排风机风量为27 572 m3/h。

图1 厂房侧剖图

1.2 甲烷泄漏位置及泄漏量

管道系统在运行过程中由于压力变化、温度变化、材料缺陷、施工缺陷、运行失误、管道振动等原因均可能导致管道薄弱位置发生泄漏[6-8]。本研究选取管道可能发生泄漏的位置为管道进入厂房时卡套连接接头的位置，选取其中最不利情况，即与每台机组连接的管道均发生泄漏，管道起点压力为25 kPa，管道内气体温度为50 ℃，大气压力为101 325 Pa，假设每个甲烷泄漏口为直径1 cm 的圆孔、中心高度为4.5 m，泄漏量依照小孔模型[9]进行计算，小孔模型下的管道泄漏量与气体流速是否为音速有关，通常用临界压力判别，判别式为：

式中：k为绝热指数，甲烷气取1.3。

式中：ap为大气压力(Pa)；1p为管道起点压力(Pa)；A为泄漏口面积(m2)；R为气体常数；T为管道气体温度(K)。

经计算，14 处甲烷泄漏口总泄漏量为0.04 kg/s，在建模时将泄漏口简化在B 壁面上，采用Solidworks软件建模，结果如图2 所示。

图2 厂房模型图

1.3 网格划分

本文利用软件Ansys meshing 进行网格划分，为保证模拟结果的准确性、提高模拟计算效率，生成网格选择非结构化网格，网格数量为202 万，网格尺寸为0.34 m，平均网格质量为0.84(最大值为1)。同时对风口及甲烷泄漏口等气流剧烈变化位置进行局部网格加密从而优化计算精度[10]，网格划分示意图如图3 所示。

2 Fluent 数值计算与结果分析

Fluent 仿真软件可以对多种不同性质的同相物体间的对流扩散守恒方程进行快速准确求解，进而模拟各组分之间的混合和输运过程[11]。在甲烷管道泄漏的背景条件下，以对流扩散方程的相关理论为基础，可利用Fluent 软件模拟计算出甲烷的质量分数浓度。本文研究对象为纯甲烷气体向高温厂房内空气的泄漏扩散运动，且运动过程中无化学反应发生，因此采用不伴随化学反应的多组分输运模型求解此类多种气体的混合问题[12]，同时开启能量方程。

2.1 参数设置

通过分析各湍流模型的适用范围[13]得出结论，在存在障碍物的复杂空间条件下，选用更加准确的Realizablek-ε湍流模型进行甲烷泄漏扩散的研究更为合适[14]。

Fluent 软件基本设置如下：

(1)求解器：双精度，压力基类型，绝对速度格式，三维稳态。

3.基于实验目标，开展实验设计方案。实验的方法有多种，要鼓励学生依据实际目标，进行深入思考，勇于创新设计实验方案。另外可对比设计方案种类的数量与效果，评析谁的设计方法较为独特新颖，或者哪种方法较科学。

(2)多组分模型：Mixture，最后一个组分为空气，另一组分为天然气，开启扩散能量源项。

(3)湍流模型：Realizablek-ε，标准壁面函数。

(4)材料：固体为steel，气体为空气和甲烷。

(5)操作环境：标准大气压，环境温度31.2 ℃，重力加速度9.8 m/s2，方向竖直向下(沿Y方向)。

(6)边界条件：甲烷泄漏口为质量流量入口；机械送风机入口为速度入口；机械排风机出口为压力出口且抑制回流；无动力通风机出口为压力出口且抑制回流，默认自然出口气流已达到稳定均匀状态，表压为0 Pa；墙面为无位移壁面，热边界条件通过系统进行耦合；机组表面为热流表面。

(7)耦合方法和离散格式：压力和速度的耦合方法采用工程上应用最为广泛的SIMPLE 方法；梯度的离散方法选用基于最小二乘单元；时间、压力、动量、湍流动能、湍流耗散率、能量项均选用二次迎风格式。

2.2 数值模拟结果

在迭代400 次后，厂房内甲烷气体平均质量分数浓度收敛结果如图4 所示，由图4 可知，在甲烷泄漏之初，厂房内甲烷浓度较高，但随着厂房通风系统的运行，厂房内甲烷的质量分数浓度稳定在8.5×10-5%，甲烷的爆炸范围为5%～15%[15]。本文选取1.25% 作为甲烷泄漏报警器的警戒浓度，即质量分数浓度为1.25×10-4%，厂房内甲烷气体平均浓度为警戒浓度的68%，因此从平均质量分数浓度的角度来看，厂房满足安全需要。

图4 甲烷平均浓度收敛图

由于机械送风机实际安装位置受厂房两侧大门位置影响，送风侧风机并非完全等距分布，因此选取厂房中部风机等距分布位置x=31.5 m 和靠近大门位置x=47.5 m 两处截面，对厂房内空气流场和甲烷气体泄漏情况进行分析，两截面位置图如图5 所示。

图5 两截面位置示意图

在进行厂房风场稳态模拟后，x=31.5 m 和x=47.5 m 两截面处的空气速度矢量图如图6 所示，x=31.5 m 和x=47.5 m 两截面处的甲烷气体浓度分布云图如图7 所示。

图6 厂房风场速度矢量图

图7 甲烷泄漏浓度分布云图

由图6(a)可知，在厂房中部位置气流整体由左侧向右侧流动，左侧上升气流部分由屋顶排风口排出厂房，部分沿厂房上部继续向右侧流动，在经过B 壁面上部排风机抽吸后仍以0.96 m/s 的速度沿B 壁面向下运动，并最终由发动机侧的机械排风机排出厂房，气流在从上部排风机向发动机侧排风机运动过程中不断加速，在接近发动机侧排风机排风口时气流速度达到2 m/s。图6(b)显示了靠近厂房大门位置的气流速度矢量图，此处风场与厂房中部位置有较大差异，由于此处发电机侧未安装机械进风机，厂房内部风压不平衡，中部位置大量低位气流以较大的压强向厂房两侧运动，同时在热压作用下靠近左侧的中部来流向上浮升，在经过屋顶排风口流出部分气流后继续向右侧移动，同理，在热压作用下靠近右侧的中部来流以4 m/s 的速度向上浮升，在经过B 壁面上部排风机后继续向厂房左侧运动，与左侧浮升气流相遇后，两股气流受各自的阻滞作用在厂房上部形成两处涡流区域。

从图7(a)可以发现，甲烷在泄漏到厂房之初形成自由射流，由于甲烷泄漏口极小，在管道内部25 KPa的高压下，甲烷气体呈喷射状喷出，同时迅速向四周扩散到流体域中，四周含量梯度较大。而在图6(a)所示的风场下，甲烷气体受由上而下的高速气流影响，并未呈现持续水平射流状态，而是在较大气流速度衰减后迅速向下方进行射流运动，说明甲烷气体在受热浮升力和自身重力作用下仍不足以抵抗厂房内空气来流的动能影响，这也间接说明了对厂房内部风场进行稳态模拟的必要性。甲烷气体在向下运动过程中受发动机侧排风机的抽吸作用，逐渐向排风机靠拢并最终排出厂房，因此甲烷气体泄漏区域相对集中，向厂房其他区域的扩散趋势基本为0。图7(b)显示了靠近大门位置甲烷气体浓度分布情况，在右侧上升气流与热浮升力的作用下，甲烷气体在泄漏之初便向厂房上方运动。B 壁面上部的机械排风机附近甲烷气体浓度较低，说明其对厂房局部甲烷气体的排出有一定积极作用，但受风机风量与甲烷扩散速率的影响，B 壁面上部机械排风机抽吸作用受到限制，因此在厂房右侧上部仍出现较多甲烷气体聚集，易形成安全隐患。在甲烷气体扩散过程中浓度逐渐降低，在涡流区域的影响下，甲烷气体沿燃机机组上表面向厂房左侧逐渐扩散并呈现向上运动趋势。

对比不同位置风场情况和甲烷气体浓度分布情况可知，甲烷气体受风场因素影响较大，对厂房内部进行风场稳态模拟存在较大价值。在厂房中部甲烷气体主要集中在发动机侧的中下部区域，主要由发动机侧机械排风机对甲烷气体进行及时排出，而在厂房两侧大门处甲烷气体主要集中在中上部区域，由于B 壁面机械排风机对甲烷气体的捕捉能力有限，因此甲烷气体在厂房两侧大门位置的扩散影响区域明显大于厂房中部位置。

厂房内甲烷质量分数浓度分布直方图如图8 所示，可知，在报警器警戒浓度范围内的甲烷气体占全部甲烷气体的73.9%，仅有26.1% 的气体超出警戒浓度，经比对，超出警戒浓度的部分气体以较快速度从厂房中被捕获并排出，其余部分气体主要分布在管道泄漏小孔附近，而在其向外射流的过程中受通风影响，浓度逐渐降低并在厂房大门处的右侧中上部聚集，因此需在大门截面处靠近B 壁面的厂房上部安装一定数量的甲烷泄漏报警器，以提高厂房运行的安全性与稳定性。

图8 厂房甲烷质量分数浓度分布直方图

3 结语

山西某瓦斯电厂采用CFD 数值模拟方法模拟甲烷气体的泄漏过程，研究结果发现，厂房内不同位置风场的变化对甲烷气体泄漏浓度分布情况有重要影响。对厂房中部位置，由于机械进风机布置较均匀，由上及下的空气来流推动甲烷气体向下运动并从发动机侧机械排风机处及时排出；对靠近两侧大门的位置，由于发电机侧缺乏机械进风机，厂房中部低位气流向两侧大门处挤压，同时在热浮升力的助力下，带动甲烷气体向厂房上部运动，使得除泄漏口附近外，厂房顶部靠近B 壁面甲烷气体浓度最高，易导致甲烷聚集，产生通风死角。因此，甲烷泄漏报警器的合理布置位置应在距离厂房顶部0.5 m 高度处[16]的前提下，尽量向厂房B 壁面靠近，有利于及时发现甲烷泄漏的突发安全事故，同时建议增大B 壁面上部机械排风机风量，有效避免甲烷泄漏死角的出现，改善厂房上部甲烷气体的聚集现象，未来可根据甲烷泄漏浓度分布的变化特点和变化规律，划分出不同等级的危险区域进行针对性管理。综上所述，上述研究可以为其他瓦斯电厂在散热通风条件下甲烷泄漏的预防和控制提供理论依据。