CN110569514A - 一种危化品泄漏污染范围的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种危化品泄漏污染范围的确定方法，其包括如下步骤：s1.确定模拟场景，获取泄漏事故发生区域气象及水文信息、地理特征信息和泄漏源信息；s2.建立泄漏源附近区域的三维几何模型，并进行网格划分；s3.将网格导入有限元分析软件中的流体流动模块中；s4.根据步骤s1中获取的各种信息对有限元分析软件中材料特性、边界条件进行设置；同时判断泄漏物质是否发生相变，根据相变类型设置相间质量传递模型；s5.选择合适的收敛条件、亚松弛因子、计算步长，进行数值计算；s6.计算结束后，对结果进行分析，获得泄漏物质的浓度场分布、扩散速度场分布和扩散路径数据。本发明方法可同时确定液相危化品及其蒸汽云的扩散范围，并提供危化品浓度的分布云图。

Description

一种危化品泄漏污染范围的确定方法

技术领域

本发明属于危化品事故应急处置技术领域，特别涉及利用计算流体力学(CFD)方法测算危化品泄漏污染范围的领域，具体涉及一种危化品泄漏污染范围的确定方法。

背景技术

石化行业存在大量危险化学品，这些危险化学品在生产、运输、存储和使用等环节都存在发生泄漏事故的危险。若危险化学品极易挥发或采用加压、低温的形式进行运输或存储，一旦泄漏，会形成蒸汽云，可能发生火灾和爆炸事故，带来巨大人员伤亡和财产损失。另外，大部分危险化学品都存在一定毒性，造成人员伤亡的同时也会带来环境污染。

危险化学品发生泄漏后，在外部风、水流及浓度梯度的作用下会沿地表、河流或洋流扩散，同时可能形成蒸汽云团，需要确定泄漏面积和蒸汽云团范围，对危害程度、危害区域、二次污染等进行评估，对危险区域内人员疏散、减轻事故损失具有重要意义。

目前，关于泄漏的计算主要集中于泄漏量和泄漏速率方面，对泄漏范围的测定鲜有研究。

公开号为CN 102096768 A的发明专利申请与公开号为CN 102955887 A的发明专利申请为与本发明较为相关的两篇专利文献。其中：

公开号为CN 102096768 A的发明专利申请提出了一种危险化学品泄漏污染评估方法。上述危险化学品泄漏污染评估方法根据扩散参数确定泄漏源类型和扩散类型，同时根据经验公式和理论推导公式确定扩散半径，从而得到泄漏范围。

该方法主要应用于气体泄漏，无法应用于液相危险化学品泄漏范围的计算中。

公开号为CN 102955887 A的发明专利申请提出了一种陆上管道油品泄漏对水体影响的判别方法，该方法根据陆上管道油品泄漏的特点，采用油品泄漏-漫流-汇流-停止扩散-水源地临近判别的过程进行评价，可以计算泄漏路径，确定泄漏范围。

该方法主要针对油品在陆地上的泄漏进行计算，并不能确定油品挥发形成的蒸汽云范围。

由此可见，现有技术中并不存在针对危化品泄漏面积及形成的蒸汽云范围的确定方法，因此，针对此问题开发相应的计算方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种危化品泄漏污染范围的确定方法，可同时确定液相危化品及其蒸汽云的扩散范围，并提供危化品浓度的分布云图，为评估泄漏危害区域范围和危害程度以及事故应急处置决策提供理论基础和依据。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种危化品泄漏污染范围的确定方法，包括如下步骤：

s1.确定模拟场景，获取泄漏事故发生区域气象及水文信息、地理特征信息和泄漏源信息；

s2.建立泄漏源附近区域的三维几何模型，并进行网格划分；

s3.将网格导入有限元分析软件中的流体流动模块中；

s4.根据步骤s1中获取的各种信息对有限元分析软件中材料特性、边界条件进行设置；同时判断泄漏物质是否发生相变，根据相变类型设置相间质量传递模型；

s5.选择合适的收敛条件、亚松弛因子、计算步长，进行数值计算；

s6.计算结束后，对结果进行分析，获得泄漏物质的浓度场分布、扩散速度场分布和扩散路径数据；从而得到不同浓度阈值的泄漏面积及蒸汽云扩散范围。

优选地，气象及水文信息包括风速、风向、气压、水流分布和水流速度。

优选地，地理特征信息包括等高线图。

优选地，泄漏源信息包括设备或管道操作参数、设计参数以及泄漏物质物性参数。

优选地，网格划分的基本原则为：

若三维几何模型的几何形状比较规则，则选择结构网格；

若三维几何模型的几何形状不规则，则分块划分结构网格或整体采用非结构网格。

优选地，网格划分之后，在泄漏源附近进行网格加密。

优选地，所述步骤s3中，检查网格质量，不能出现负体积，若出现则重新划分网格。

优选地，所述有限元分析软件采用有限元分析软件ANSYS；

其中，有限元分析软件ANSYS中的流体流动模块包括Fluent或CFX。

优选地，步骤s5中，若计算结果不收敛，返回提升网格质量，并降低亚松弛因子。

优选地，步骤s6中，使用有限元分析软件ANSYS或专业软件Tecplot对结果进行分析。

本发明具有如下优点：

本发明采用CFD方法对危化品泄漏进行数值模拟(即采用有限元分析软件中的流体流动模块对泄漏过程进行数值模拟，分析泄漏范围及扩散规律)，可以同时确定液相危化品及其蒸汽云的扩散范围，并提供泄漏区域内危化品浓度场分布数据。该方法适用于不同种类危化品泄漏事故，具有计算精度高、易于掌握、数据可视化程度高等优点。

附图说明

图1是计算域网格划分图。

图2是江面汽油扩散范围随时间的变化图。

图3是江面上方3m处油气体积浓度随时间的变化图。

图4是加油站附近油气体积浓度随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

一种危化品泄漏污染范围的确定方法，包括如下步骤：

s1.确定模拟场景，获取泄漏事故发生区域气象及水文信息、地理特征信息和泄漏源信息。

其中，气象及水文信息包括风速、风向、气压、水流分布和水流速度。

其中，地理特征信息包括等高线图。

其中，泄漏源信息包括设备或管道操作参数、设计参数以及泄漏物质物性参数。

s2.建立泄漏源附近区域的三维几何模型，并进行网格划分。

网格划分的目的是为了使模型变成有限元，划分网格之后，单元节点的位移增量是有限元迭代过程中的基本未知量。有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。

在网格划分之后，在泄漏源附近进行网格加密，加密处理的好处：网格加密会提高计算结果的准确度，更好的捕捉加密区域的流体流动情况。

s3.将网格导入有限元分析软件中的流体流动模块中。

本实施例中的有限元分析软件，例如可以采用有限元分析软件ANSYS。有限元分析软件ANSYS的流体流动模块包括Fluent或CFX等。

当然，本实施例中的有限元分析软件还可以采用诸如软件ABAQUS、MSC等。

s4.根据步骤s1中获取的各种信息对有限元分析软件中材料特性、边界条件进行设置；同时判断泄漏物质是否发生相变，根据相变类型设置相间质量传递模型。

该步骤s4的作用在于，使模拟更加贴合实际的物理过程，使计算结果更加准确。

s5.选择合适的收敛条件、亚松弛因子、计算步长，进行数值计算。

s6.计算结束后，使用有限元分析软件ANSYS自带的后处理功能对结果进行分析，获得泄漏物质的浓度场分布、扩散速度场分布和扩散路径数据；

根据以上数据得到不同浓度阈值的泄漏面积及蒸汽云扩散范围。

本实施例1便于提供泄漏区域内危化品浓度场分布数据。该方法适用于不同种类危化品泄漏事故，具有计算精度高、易于掌握、数据可视化程度高等优点。

实施例2

本实施例2述及了一种危化品泄漏污染范围的确定方法，该方法除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。

本实施例2在步骤2中还给出了网格划分的基本原则，如下：

若三维几何模型的几何形状比较规则，则选择结构网格；

若三维几何模型的几何形状不规则，则分块划分结构网格或整体采用非结构网格。

上述网格划分的好处在于：

当几何形状比较规则时，可以划分为结构网格或非结构网格。结构网格与非结构网格相比，计算速度更快，网格数量更少。

然而形状不规则的几何模型划分为结构网格需要进行分块处理，过程较复杂，且容易生成扭曲角过大的结构网格，因此建议划分为非结构网格。

实施例3

本实施例3述及了一种危化品泄漏污染范围的确定方法，该方法除以下技术特征与上述实施例1或2不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1或2。

本实施例3在步骤s3中，在将网格导入有限元分析软件中的流体流动模块后，还需要检查网格质量，不能出现负体积，若出现则重新划分网格，以保证网格的质量符合要求。

实施例4

本实施例4述及了一种危化品泄漏污染范围的确定方法，该方法除以下技术特征与上述实施例1或2或3不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1或2或3。

在步骤s5中，若计算结果不收敛，可能会导致计算发散，也就是计算残差过高，导致计算停止，无法得到计算结果，因此，需要返回提升网格质量，并降低亚松弛因子。

实施例5

本实施例5述及了一种危化品泄漏污染范围的确定方法，该方法除以下技术特征与上述实施例1不同之外，其余技术特征均可参照上述实施例1。

本实施例5将步骤s6中的有限元分析软件ANSYS自带的后处理功能替换为专业软件Te cplot，利用专业软件Tecplot对结果进行分析。

下面结合具体实例对本实施例4中的危化品泄漏污染范围的确定方法进行说明：

正在采用常温密闭输送95#汽油的某成品油管道受到山体滑坡的挤压发生了全断裂，95#汽油自管道流出流入长江。泄漏事故发生10min后，上游阀门被关断。

需要应用本发明方法确定汽油在江面的泄漏范围、蒸汽云扩散范围及浓度场分布和靠近江岸的加油站附近浓度场分布。具体过程如下：

1.确定模拟场景，获取泄漏事故发生区域气象及水文信息(包括风速、风向、气压、水流分布、水流速度等)、地理特征信息(等高线图)、泄漏源信息(设备或管道操作参数、设计参数、泄漏物质物性参数等)，如表1所示。

表1 95#汽油泄漏场景参数

2.建立泄漏源附近区域的三维几何模型，并进行网格划分，在泄漏源附近应进行网格加密。附图1是计算域几何模型及网格划分图。

该区域的几何模型采用Gambit软件绘制。其中：

Y正方向为正北方向。模拟区域采用六面体结构化网格，XY平面网格间距自左至右依次为10m、20m、30m和40m，Z方向网格间距为2m，网格总数量为51199个。

3.将网格导入有限元分析软件ANSYS中的流体流动模块Fluent软件，网格检查后无负体积出现，则表明网格质量符合要求。

4.根据表1数据对Fluent软件中材料特性和边界条件进行设置。

其中，边界条件的设定如表2所示。由于汽油泄漏后会挥发形成蒸汽云，因此需要添加相间质量传递模型Evaporation-Condensation模型对挥发速率进行描述。

表2边界条件设定

位置	类型
		河流进口	速度进口
河流出口	压力出口
		河流上方空气进口	速度进口
河流上方空气出口	压力出口
		泄漏源进口	质量进口
河流边界	无滑移边壁
		河流上方空气边界	压力出口

5.选择合适的收敛条件、亚松弛因子、计算步长进行数值计算，如表3所示。

表3模拟参数确定

6.计算结束后，使用Fluent软件自带的后处理功能对结果进行分析。

通过分析可获得不同时间95#汽油在河流中的扩散云图、汽油蒸汽在河流上空的扩散云图、以及加油站附近油气浓度分布云图，分别见附图2、3和4。

根据模拟结果，可以确定泄漏结束后，汽油沿河流扩散至泄漏口下游2000m左右，扩散面积约为600000m²，扩散范围主要位于河流中心轴线南侧。在阀门关断时，加油站东南侧附近油气浓度最高，已超过汽油爆炸下限，存在爆炸隐患。阀门关断后，泄漏速率降低，整个江面上的油气浓度逐渐减小，在泄漏完毕后整个江面的油气浓度低于汽油爆炸下限。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1.确定模拟场景，获取泄漏事故发生区域气象及水文信息、地理特征信息和泄漏源信息；

s2.建立泄漏源附近区域的三维几何模型，并进行网格划分；

s3.将网格导入有限元分析软件中的流体流动模块中；

s4.根据步骤s1中获取的各种信息对有限元分析软件中材料特性、边界条件进行设置；同时判断泄漏物质是否发生相变，根据相变类型设置相间质量传递模型；

s5.选择合适的收敛条件、亚松弛因子、计算步长，进行数值计算；

s6.计算结束后，对结果进行分析，获得泄漏物质的浓度场分布、扩散速度场分布和扩散路径数据；从而得到不同浓度阈值的泄漏面积及蒸汽云扩散范围。

2.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述泄漏事故发生区域的气象及水文信息包括风速、风向、气压、水流分布和水流速度。

3.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述泄漏事故发生区域的地理特征信息包括等高线图。

4.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述泄漏事故发生区域的泄漏源信息包括设备或管道操作参数、设计参数以及泄漏物质物性参数。

5.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述步骤s2中，网格划分的基本原则为：

若三维几何模型的几何形状比较规则，则选择结构网格；

若三维几何模型的几何形状不规则，则分块划分结构网格或整体采用非结构网格。

6.根据权利要求1或5所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述步骤s2中，网格划分之后，在泄漏源附近进行网格加密。

7.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述步骤s3中，检查网格质量，不能出现负体积，若出现则重新划分网格。

8.根据权利要求1或7所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述有限元分析软件采用有限元分析软件ANSYS；

其中，有限元分析软件ANSYS中的流体流动模块包括Fluent或CFX。

9.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述步骤s5中，若计算结果不收敛，返回提升网格质量，并降低亚松弛因子。

10.根据权利要求1所述的危化品泄漏污染范围的确定方法，其特征在于，所述步骤s6中，使用有限元分析软件ANSYS或专业软件Tecplot对结果进行分析。