厌氧反应器中危险气体泄漏扩散后果定量计算方法研究

摘要

厌氧反应器是沼气工程中重要的反应设备，一旦发生泄漏会引起着火爆炸，在生产运行中若不及时对泄漏进行监测预警，极易继续恶化引发连环爆炸事故。由于沼气的危险性和对环境的污染作用，利用实验模拟事故后果不仅成本高而且耗时长，因此利用计算机模拟技术对反应器中危险气体泄漏扩散后果定量计算更有优势。本文首先利用PHAST软件对气体泄漏扩散、着火和爆炸等事故后果进行定量计算，收集整理大量试验数据，基于事故信息进行泄漏口径、泄漏位置、天气及环境等多因素耦合致灾机理关联分析，挖掘导致厌氧反应器事故主因及其耦合关系;然后对大数据进行回归拟合建立多参数耦合经验公式，根据参数变化总结多种常见泄漏工况并计算出多场景下事故后果数据;利用FLUENT软件对厌氧反应器的泄漏扩散过程进行补充量化验证，弥补了UDM模型对于流场边界效应的简化，详细观察了危险气体扩散后的速度场分布和浓度场分布，将反应器泄漏扩散后的流场变化情况进行可视化处理。最后，本文基于研究总结的事故后果多因素耦合经验模型，结合安全管理和风险辨识，开发厌氧反应器安全风险评估软件，达到泄漏风险监测。主要内容如下:
　　(1)利用PHAST软件对厌氧反应器泄漏事件进行定量计算。对典型工况中的高程泄漏与地面泄漏进行了事故后果模拟，得到了事故后果影响范围。利用数据挖掘方法对大量事故数据进行深入挖掘，确定主要影响因素为泄漏口径和泄漏高度。通过回归拟合的方法，在大量事故后果模拟结果中，分析得到了泄漏口径和高度与各事故后果的多因素耦合经验公式，并利用PHAST对数据进行验证，为开发反应器安全风险软件提供理，论基础。
　　(2)应用FLUENT软件对厌氧反应器泄漏过程模拟进行补充量化验证。以反应器中程泄漏工况条件为输入，首先对反应器稳定风场进行模拟，得到反应器周边区域内风场对空气流动造成的复杂流动。然后在稳定风场的模拟条件下，进行了厌氧反应器中程泄漏的扩散模拟，对计算结果进行了分析。
　　(3)将FLUENT模拟结果与PHAST和经验公式的计算结果进行对比，分析了各种模拟计算方法的最佳使用条件，构建了事故后果多因素耦合经验模型，可以预测反应器泄漏事故后果影响距离。
　　(4)基于本文研究总结的事故后果多因素耦合经验模型，结合设备安全法律法规和设备安全管理体系，综合开发一套厌氧反应器安全风险评估软件，实现现场多工况事故后果计算，并根据厂区规划给出安全建议，载入现场地图进行危险半径定位，从而达到泄漏风险监测。
　　应用结果表明该模型和方法可应用于其他石化装置，以此监测生产运营中重要参数变化，预测潜在事故风险，制定多场景事故应急救援疏散预案，为危险化学品储运设计、事故预测及应急救援提供技术依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究背景和意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 危险气体泄漏扩散实验及理论模型

1．3．2 泄漏扩散数值模拟方法进展

1．3．3 数据挖掘方法研究

1．3．4 泄漏事故预防指导研究

1．4 课题主要研究内容

第二章 气体泄漏扩散的数学模型及数值方法

2．1 气体泄漏扩散数学模型

2．1．1 泄漏源速度模型

2．1．2 气体扩散模型

2．1．3 气体扩散影响因素分析

2．2 泄漏后果危害模型

2．2．1 喷射火模型及火灾损失类型

2．2．2 爆炸模型及爆炸损失类型

2．3 数值方法计算模型

2．3．1 基本控制方程

2．3．2 湍流模型

2．3．3 微分方程的离散化

2．4 仿真工具分析

2．4．1 PHAST模拟软件

2．4．2 FLUENT模拟软件

2．5 本章小结

第三章 厌氧反应器泄漏后果模拟及数据处理

3．1 厌氧反应器模型建立

3．1．1 反应器物理模型建立

3．1．2 混合气体危险浓度的确定

3．2 泄漏模拟计算

3．2．1 泄漏模拟参数选取

3．2．2 模拟计算结果分析

3．3 模拟数据挖掘分析

3．4 建立泄漏事故后果经验模型

3．4．1 回归拟合经验公式

3．4．2 不同泄漏场景计算

3．5 本章小结

第四章 厌氧反应器泄漏过程数值仿真

4．1 计算流域建模及网格划分

4．2 基于FLUENT的反应器风场模拟计算

4．3 反应器泄漏扩散数值仿真

4．4 泄漏扩散数值模拟比较

4．5 本章小结

第五章 厌氧反应器安全风险评估软件

5．1 基于风险的安全建议

5．2 安全管理体系构建

5．3 厌氧反应器安全风险评估软件开发

5．4 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 结论

6．2 问题与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介