陇东油田典型场站VOCs扩散模拟研究.pdf

通讯作者：朱恒，年毕业于重庆西南大学环境工程专业，现在中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院从事安全环保工作。通信地址：陕西省西安市未央区凤城四路苏里格大厦，。：。：陇东油田典型场站 扩散模拟研究朱 恒，周 娟，邹远军杨 琴，（中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；中国石油长庆油田分公司第五采气厂）摘要对陇东油田某联合站通过现场调研测试和数值模拟，结合高斯烟羽扩散模型，重点分析了场站内的油气扩散机理。结果表明，要注意 在储罐后方背风侧的叠加，易引发油气聚集；同时，由于重力和涡流的作用，扩散呈现整体向下趋势，上风向的建筑和防火堤对 扩散进行阻碍，而在罐间、三相分离区和防火堤之间 浓度达到爆炸极限范围，容易引起火灾爆炸。通过 扩散模拟研究得出该站点需要加强密闭管理，原油储罐逸散的 存在安全风险，需要采用油气集成回收系统进行收集处理。关键词油气场站；扩散模拟；火灾爆炸中图分类号：文献标识码：文章编号：（）犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犞 犗 犆 狊犇 犻 犳 犳 狌 狊 犻 狅 狀犛 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀 犻 狀犜 狔 狆 犻 犮 犪 犾 犛 狋 犪 狋 犻 狅 狀 狊狅 犳犔 狅 狀 犵 犱 狅 狀 犵犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱 ，（犘 犲 狋 狉 狅 犆 犺 犻 狀 犪犆 犺 犪 狀 犵 狇 犻 狀 犵犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱犗 犻 犾犪 狀 犱犌 犪 狊犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲；犖 犪 狋 犻 狅 狀 犪 犾犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔犳 狅 狉犈 狓 狆 犾 狅 狉 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋 狅 犳犔 狅 狑犘 犲 狉 犿 犲 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔犗 犻 犾犪 狀 犱犌 犪 狊犉 犻 犲 犾 犱 狊；犜 犺 犲犖 狅 犌 犪 狊犘 狉 狅 犱 狌 犮 狋 犻 狅 狀犘 犾 犪 狀 狋 狅 犳犘 犲 狋 狉 狅 犆 犺 犻 狀 犪犆 犺 犪 狀 犵 狇 犻 狀 犵犗 犻 犾 犳 犻 犲 犾 犱犆 狅 犿 狆 犪 狀 狔）犃 犅 犛 犜 犚 犃 犆 犜 ，犓 犈 犢犠犗 犚 犇 犛 ；引言在各种大气污染的诱因中，挥发性有机化合物（）是一个重要源头，大多数 具有高毒性、易燃性，严重威胁了生态环境和企业安全 。作为促进臭氧和 形成的主要前体物，受到社会的广泛关注 ，其主要排放源已指向于石油石化行业，包括炼化、油品储运销、油气开采业务。长庆油田油气产量当量大，油气场站众多，已成为重点监管对象。本团队研究表明，油田联合站的主要 排放源位于拱顶罐罐顶呼吸阀、拱顶罐罐顶量油口、泵房地漏、污油箱以及干化池污水池，其中拱顶罐罐顶呼吸阀的油气排放主要源于储罐大呼吸和小呼吸损耗，由于 的主要成分为易燃易爆的烷烃、芳香烃，因此存在火灾爆炸风险。为预测 在场站内的扩散浓度和地形对气体扩散的影响，以高斯烟羽模型为基础，探究相应的油气田环境保护 年月 下风向气体的扩散浓度及其危害距离，为研究 的运动规律提供理论基础，进一步为油气田生产企业在开展 治理同时兼顾场站安全风险提供参考。试验对象选取陇东油区（长庆油田的主要支柱区域）某联合站作为研究对象。该站主要承担着两个区块来油的收集、净化处理、外输及采出水处理和回注等工作。为便于后续的模拟结果分析，对联合站内的建筑进行编号，如图所示。其中区主要包括：个 拱顶罐 （其中、为沉降罐，为净化罐），、为输油泵房，为配套设施（包括计量室、加药室、转油泵房、配电室等），为干化池，为 拱顶罐（除油罐）；区为输油罐区，主要包括个 原油外浮顶储罐 。图联合站建筑编号研究方法高斯烟羽模型是属于高斯模型的一种，它适用于连续源的平均烟流，通常用来模拟废气扩散。当地气象条件检测结果见表，属于无风或者小风条件。按照在无风或者小风条件下计算污染源浓度的方法，如式（）所示，对 浓度进行测算。犆狉（）犙 狏犣 （狔 犣）（）式中：犆狉为任意一点的气体浓度，；犙为污染源源强，；犣为轴方向的扩散系数；狏为风速，；狔为污染源有效高度，。表联合站气象条件时间温度风向风速（）大气压 ：为便于数值模拟，建立与现场尺寸的联合站三维几何模型图，同时加载外部区域，形成外部计算域示意图，并建立坐标轴，如图、图所示。图联合站几何模型示意图联合站模型与计算域由于联合站建筑和油罐较多，模型较为复杂，结构网格能适应这种复杂的模型，采用 软件划分三维网格，如图所示。流场的风速沿轴反方向进入，即从联合站区到区的风向，入口边界设置为速度入口边界条件，出口边界设置为压力出口边界条件，油气扩散源设置为质量流率边界条件，质量流率为联合站现场实测值。其中，网格交界面设置为内部边界，其他边界均设置为绝热固壁边界。图联合站三维网格划分结果结果与讨论 风压和风场分布规律图为当风速为（沿轴反方向）时联合站压力分布云图，从图可知，区和区的前排储罐、防火堤和办公区的迎风侧被气流直接撞击，动能转换为压力势能，压力达到该风速下的最大压力。而建筑的两边和背风侧压力最小且为负压，是因为部分油气田环境保护技术研究与应用 气流在撞击储罐后，移入空腔区，气流加速，沿储罐两侧向后方流动，出现绕流现象，为湍流运动且 足够大，加大了储罐前方区域及背风侧空腔区域的回流，使压力迅速减小。罐顶部前沿有明显的负压区，是因为在压差的作用下，罐顶上方的气流速度增大，使储罐顶部的压力减小，形成负压。区和区的后排储罐由于前排储罐的阻挡，受到气流直接撞击的面积减少，相应的红色正压区减少。上述也符合如图联合站所在 截面的压力云图。图联合站建筑压力分布云图（狏）图联合站 截面压力分布云图（狏）图为当风速为时，联合站内不同高度随时间变化的速度分布云图；图为不同风速下，狋 ，狔 时联合站 截面的速度分布云图。可以看出，以区为例，当气流撞击迎风侧后气流加速，沿储罐两侧向后方流动，但由于区和两层防火堤的阻挡，区的 罐到达的垂直气流减少，相反，罐和 罐由于前面为高度 的计量室，远小于区罐的高度，所以受到的垂直气流比 罐要大。另外，在区区的建筑后方，因为建筑背风侧的涡流，会有明显的红色反方向速度，尤其、罐、罐后方，应注意 在此处的叠加。值得注意的是，区和区的罐间速度远大于罐前迎风侧，这是由于来流在建筑物迎风面拐角处压力增大，使切变气流在迎风面发生分离，来流在建筑两侧分流。在气流临近建筑物拐角处时，和前方来流汇合，这部分区域属于位移区，分离流在此处的风速增高。另外，随着高度的增大，在联合站的 平面，整体风速下降，只有区的高罐迎风侧和罐间风速无明显差别，说明低位风速的变化受建筑物影响较多。图不同高度联合站内的速度分布云图图不同风速下联合站内的速度分布云图（狋 ，狔）油气扩散分布规律取联合站的 截面，得到该截面 时的油气浓度分布云图，如图所示，可以看出，由于重力和 年月朱 恒等：陇东油田典型场站 扩散模拟研究涡流的作用，扩散呈现整体向下趋势，上风向的建筑和防火堤对油气扩散进行阻碍，而罐间、和防火堤背风侧都积聚了一定浓度的 ，浓度 ，油气质量分数 （现场检测 浓度 ，油气质量分数 ）。正己烷的爆炸极限体积分数为，换算成质量分数为 ，此处油气浓度达到爆炸极限范围。区储罐为 内浮顶罐，区为 拱顶罐，区为 高的泵房，由于存在高度差距，当区的气流在经过 罐顶时，油气在此阻挡，且由于漩涡引起的强气流向 罐的后上方流动，抵达不到后方区的防火堤，而区的 浓度在环境风的裹挟下，在时已跨过区和区前方的防火堤抵达区，应注意区后方和区与区之间的油气聚集，容易引起火灾爆炸，日常巡检应重点关注此处油气情况。图不同风速下联合站内油气质量分数分布云图（狋 ）结论通过高斯烟羽扩散模型的研究表明，沿着下风向 浓度呈现整体向下趋势，沿途的建筑和防火堤对油气扩散产生阻碍。在风速影响下，站内储罐迎风侧的压力达到最大，罐间和背风侧由于出现绕流和回流，出现大面积的负压区域，且有明显的反方向速度。另外，在重力和涡流的影响下，油气呈整体向下运动趋势，容易造成 在罐间和防火堤背风侧积聚，且在漩涡引起的强气流作用下，站内建筑后方侧容易达到爆炸极限，需要加强 密闭管理，对储罐逸散排放的 采用油气集成回收系统进行收集处理。参 考 文 献黄维秋油气回收基础理论及其应用 北京：中国石化出版社，：，：，：，：，：梁霜霜，吴玲玲，龚 惠红浅 谈 治理 现 状 与 问 题 云南化工，（）：曹强强，王红梅，温立宪，等鄂尔多斯盆地某油田挥发性有机物排放特征 油气田环境保护，（）：高飞，杨琴，周娟，等油田场站挥发性有机物来源及组分分析 油气田环境保护，（）：王娇娇，于诗琪，许诗辰基于高斯烟羽扩散模型的空气污染研究 科技与创新，（）：张莹，崔铁军基于网格化的多储罐有害物连续性扩散算法研究 中国安全生产科学技术，（）：（修回日期 ）（录用日期 ）（编辑王 蕊）广 告 索 引“环境监测环境评价”主题征文活动通知封二中国石油集团长城钻探工程有限公司简介后 插 一中海油节能环保服务有限公司简介后 插 二征订启事封三投稿要求封底油气田环境保护技术研究与应用