不同泄漏方式下的海上溢油数值模拟
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海上溢油处理装置的典型数值模拟方法概述摘要:如今海上溢油事故已变得较为频繁,因此,海上溢油处理装置的优化设计显得日益重要。
本文从数学模型、涉及软件等方面介绍了海上溢油处理装置进行数值模拟的方法;总结了围油栏、撇油器等溢油处理装置的相关数值模拟科研成果,为从事溢油回收处理装置优化设计研究的科研人员提供了参考依据。
关键词:溢油处理装置;围油栏;撇油器;数值模拟0引言近几年来,由于海上石油工业和海上油运业的飞速发展,海上溢油事故频繁发生。
溢油对海洋生态环境影响很大。
如2010年发生在美国墨西哥湾的深海地平线石油钻井平台爆炸事故,事故导致大量石油泄漏入海,给当地造成了巨大的经济损失和严重的生态环境灾难。
再如2011年发生在我国渤海海域发生的蓬莱溢油事件,造成超过6200平方千米海水污染,是我国海洋资源开发以来发生的最严重的事故。
因此,一旦发现海上事故造成溢油后,就必须根据现场实际情况采取及时有效的措施对溢油进行处理,降低和消除溢油造成的危害。
1海上溢油的处理技术海上溢油的处理方法通常可分为物理法、化学法和生物法。
1.1物理法是指将溢油从水面分离出来而不改变其存在形态的物理形态,如采用围油栏围困溢油、撇油器回收溢油、收油网回收水面上乳化溢油等方法。
1.2化学法是指通过使用化学制剂使溢油聚集或分散,即通过改变溢油在海面上中存在形态来达到降低污染的目的。
化学法适用于溢油油膜很薄的情况,处理溢油的化学制剂包括溢油聚油剂、分散剂、吸油剂和凝油剂等。
1.3生物法是指利用生物分解作用清除海域溢油的方法。
生物法溢油清除时间较长,见效慢,但是对环境的影响小,是一种利用前景广阔的方法。
2溢油处理装置优化方法为了减少对溢油海域的进一步污染,选择物理法是清除海面溢油时最好的。
尤其是在处理大面积海上溢油时,围油栏和撇油器两种溢油处理设备是溢油回收中应用最为广泛的。
对围油栏和撇油器的优化设计大体有三种思路:一是直接将溢油处理装置放置于实际海况中,测量其能够回收溢油的自然条件(风速、波高和流速)的最大标准。
月基于CFD的海底输油管道泄漏扩散数值模拟研究李明鑫王为民申龙涉邓桂春(泉州职业技术大学—福建省清洁能源协同创新中心,福建晋江362268)摘要:随着海上油气田的开发和开采工艺技术的发展,海底管道在生产运输石油、天然气全过程中具有不可代替的重要作用。
但海底情况多变、复杂,管线一旦发生泄漏事故,泄露油品在上升、扩散的过程中会直接污染海水水质,对周围的海洋生物造成危害,泄漏后漂浮在海面的油品还对海洋的生态环境造成严重的破坏。
因此,对泄漏油品在海水中的运动、扩散问题进行研究就显得尤为的重要。
文章通过采用计算流体力学仿真软件FLUENT对海底管道泄漏扩散进行模拟分析计算,并分析水流、泄漏孔径以及泄漏速度的变化对模拟结果的影响。
对海底输油管道泄漏后在海水中的泄漏、扩散问题模拟研究,可以对泄漏造成的影响范围和污染程度了解的更加清晰,从而为评价海底管道泄漏事故后果及海洋生态坏境的危害程度提供数据和依据。
关键词:海底管道;泄漏;扩散;数值模拟随着石油、天然气等一次性资源消耗量的不断加重,陆地上所开采发掘的石油资源的产量已经远远不能达到我们每天所消耗的需要,因此人类将石油开发逐渐向海洋发展[1]。
但海底的环境比陆地的环境复杂,导致了海底输油管道外部更加容易受到各种因素的破坏和干扰。
并且海底管道投资大、风险高,一旦出现管道油品泄漏事故,泄漏的油品将对海洋环境造成严重的污染,也给当地的环境带一定的冲击[2]。
因此,对海底管道泄漏造成的污染范围以及其对海洋的危害程度进行分析研究就变得尤为重要,分析结果可以对管道泄漏的扩散区域知道的更加清楚,对海面漂浮油品进行清理及对海水进行净化时提供理论依据及数据参考。
在现实的海水流动中海底输油管道泄漏一般要先经历在海水中的射流流动过程,再到泄露至海面后在海上的扩散过程。
所以,管道泄漏后泄漏油品射入海水是在水流流动的状态下进行流动扩散的,而由于水流流动的作用,泄漏油品不仅通过自己泄露的压力作用向上扩散还会因为水流和潮汐流动的作用向下游或四周扩散。
袁晓娟,2008年毕业于中国石油大学(北京)环境工程专业,硕士,现在海油环境科技(北京)有限公司从事环境影响评价等方面的研究。
通信地址:北京市朝阳区东三环北路甲2号京信大厦25层,100027。
E mail:yuanxj8@cnooc.com.cn。
A港区海上溢油事故数值模拟预测袁晓娟 熊乐航 张聪 张生光 李雪飞(海油环境科技(北京)有限公司)摘 要 为研究A港区溢油事故的影响,通过MIKE21软件建模、并综合考虑风向、风速和潮流等因素设定6种不同情景进行模拟预测。
结果显示,在不利风条件下,72h油膜扩散距离为0.7~39.50km,扫海面积可达0.03~142.97km2,风场对油粒子的漂移和扩散起决定性作用,潮流场次之。
通过模拟预测,为加强区域溢油应急联动、充分利用周边溢油应急资源,做好溢油应急防范提供参考。
关键词 溢油;油粒子;数值模拟;模型;预测DOI:10.3969/j.issn.1005 3158.2021.01.012 文章编号:1005 3158(2021)01 0055 05犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀犘狉犲犱犻犮狋犻狅狀狅犳犗犻犾犛狆犻犾犾犻狀犃犘狅狉狋YuanXiaojuan XiongLehang ZhangCong ZhangShengguang LiXuefei(犗犳犳狊犺狅狉犲犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔牔犛犲狉狏犻犮犲狊犔犻犿犻狋犲犱)犃犅犛犜犚犃犆犜 InordertoinvestigatetheimpactofoilspillaccidentinAPortonairquality,MIKE21softwarewasusedformodeling,andsixdifferentscenariosweresetforsimulationandpredictionwithwinddirection,windspeedandtidalcurrentastheindicators.Theresultsshownthatunderadversewindconditions,72htheoilfilmdiffusiondistancerangesfrom0.7to39.50km,andtheseasweptareareaches0.03to142.97km2.Asaconclusion,thewindfieldwasthemostimportantimpactfactoroftheoilparticledriftanddiffusion,andfollowedbythetidalcurrentfield.Thesimulationandpredictioncouldprovidecriticalinformationfortheemergencytreatmentofregionaloilspill,fortheefficientuseofemergencyresourcesandforthepreventionofoilspill.犓犈犢犠犗犚犇犛 oilspill;oilparticle;numericalsimulation;model;prediction0 引 言随着海洋石油开采和海洋运输业的发展,海上溢油事故的发生频率也相应增加。
海上油气泄漏与扩散场景数值分析闫会宾 1,2,薛鸿祥 1,2,唐文勇 1,2(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240;2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240)摘要:海上油气装置发生气体泄漏并经过一定程度扩散后极易被点燃而发生爆炸事故。
该文针对一个海上油气处理 模块选取多组不同泄漏速率与风速组合下的泄漏扩散场景建立 CFD 模型进行分析,深入讨论了气体浓度的分布与形 成规律,并选取可用于爆炸分析的重要指标“等效化学计量气体云体积”作为分析对象,深入分析其随时间的变化规律, 发现气体扩散后的浓度分布均可以在一定时间后达到稳定状态,等效化学计量气体云体积不再变化;另外还探讨了 泄漏速率以及风速等关键参数对特征气体云体积的大小以及形成时间的影响规律,获得的相关规律可用于类似场景 的参考;最后对爆炸分析时泄漏扩散场景的选择提出了相关建议。
关键词:海上油气装置;泄漏;扩散;等效可燃气体云;CFD 中图分类号(小五黑):P754 文献标识码(小五黑):ANumerical analysis of hydrocarbon leakand dispersion in offshore oil & gas installationsHuibin Yan1,2, Wenyong Tang1,2, Hongxiang Xue1,21State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,china; 2 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240,china. Abstract: if a hydrocarbon leak happened in an offshore oil & gas installation and dispersed with a certain time, it would be of high possibility to be ignited and lead to an explosion accident, which needs to be studied thoroughly. In this paper, CFD theory based FLACS code was chosen to do dispersion analysis for multi-group of leak scenarios in an example offshore oil & gas installationwith different leak rates and wind speeds. The distribution and evolution laws of the gas concentration in the considered zone were studied; the “equivalent stoichiometric gas volume” of each scenario, which is a key parameter to explosion analysis, was chosen to study its evolution law with time; the effect of leak rate and wind speed on the key characteristics of “equivalent stoichiometric gas volume” was discussed in detail; at last, some valuable suggestions about defining leak and dispersion scenarios for explosion accidents were given. Key words: offshore oil & gas installation; leak; dispersion; equivalent stoichiometric gas volume; CFD0引 言油气作为一种石化产品的总称,主要是指液态的油与气态的各种介质,均属于易燃易爆物,且 部分有毒。
渤海原油码头溢油漂移扩散的数值模拟
渤海原油码头溢油漂移扩散的数值模拟
应用三维河口海岸海洋数值模式,加入油膜漂移扩散模块,研究渤海东海岸、仙人岛以北营口市以南的30万t级原油码头溢油事故发生后油膜面积、厚度的变化和漂移轨迹.计算结果表明,在静风情况下,落潮期间油膜随落潮流向西南方向漂移,面积扩大,厚度减小,港区未受油污的影响;涨潮期间油膜受北导堤的阻挡,部分油污留在港区.油膜轨迹随落潮流和涨潮流来回振荡,因扩散作用,在往复漂移过程中厚度变小,面积增大.风速风向的变化对油膜漂移轨迹和港区污染程度影响十分明显.
作者:陈义中朱建荣陈昞\睿吴辉 CHEN Yi-zhong ZHU Jian-rong CHEN Bing-rui WU Hui 作者单位:华东师范大学,河口海岸学国家重点实验室,上海,200062 刊名:华东师范大学学报(自然科学版)ISTIC PKU英文刊名:JOURNAL OF EAST CHINA NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年,卷(期):2006 ""(6) 分类号:P731.1 关键词:渤海原油码头油膜漂移扩散质点跟踪法数值计算。
海面溢油数值模拟及其可视化实现技术
海面溢油数值模拟及其可视化实现技术
摘要:由于石油工业和石油运输业的迅猛发展,油井井喷和油轮溢油事故频繁发生.积极探索溢油在水环境中的'运动规律,才能为溢油的清理提供强有力的指导.海上溢油数值模拟研究能定量地分析、评估溢油的演变,文章结合采用椭圆扩展模型和油粒子模型对溢油扩散漂移过程进行模拟,为相应的决策提供科学依据.而溢油的可视化技术基于GIS组件COM技术,将溢油数值模型的模拟计算结果以图形的方式,实时、动态地显示在电子海图上,从而实现了溢油漂移扩散过程的可视化.作者:庄学强陈坚孙倩 ZHUANG Xue-qiang CHEN Jian SUN Qian 作者单位:武汉理工大学,湖北,武汉,430062 期刊:中国航海ISTICPKU Journal:NAVIGATION OF CHINA 年,卷(期):2007, (1) 分类号:X5 关键词:环境工程学溢油数值模拟可视化技术。
不同泄漏方式下的海上溢油数值模拟于徐华;孟云【摘要】采用MIKE21 HD模块和SA模块建立营口港海域溢油预报模型,分别模拟瞬时溢油和连续溢油2种溢油方式下油膜漂移扩展规律.对比分析结果表明:在不考虑风场的条件下,溢油主要随潮流往复运动;比较72 h后2种溢油方式下油膜的扫海面积和影响范围,连续溢油方式下的扫海面积和影响范围均比瞬时泄漏方式下的大.综合考虑实际泄漏事故发生情况,在对溢油事故影响进行预测时,溢油泄漏应考虑采用连续泄漏方式.【期刊名称】《上海船舶运输科学研究所学报》【年(卷),期】2017(040)002【总页数】8页(P67-73,77)【关键词】溢油;瞬时溢油;连续溢油;数值模拟【作者】于徐华;孟云【作者单位】中海环境科技(上海)股份有限公司,上海200135;中海环境科技(上海)股份有限公司,上海200135【正文语种】中文【中图分类】X55中国是海洋大国,拥有1.8万km大陆海岸线和1.4万km岛屿岸线。
伴随着经济社会发展,我国水路货物运输量和港口吞吐量连续多年稳居世界第一。
海上运输业的发展致使海上航行船舶密度增大,油轮向大型和超大型化发展,加剧了海上溢油风险的隐患和危害程度。
据统计,1990年~2010年期间,我国沿海海域共发生船舶溢油事故(溢油量≥50 t)71起,溢油总量为22 035 t[1]。
溢油事故一旦发生,不仅对海洋生态环境造成严重的破坏,造成周边区域内鱼虾贝类中毒甚至死亡,海鸟的生存受到威胁等;如若溢油登岸,则会使海边浴场、海岸风景旅游区和湿地保护区等遭受污染;严重的溢油事故会引发火灾和爆炸,破坏船舶或海上设施,甚至造成人员伤亡[2-3]。
因此,建立海上溢油的数学模拟模型,模拟突发性溢油事故后油膜的轨迹,分析和预报溢油的污染范围,对科学地制定应急抢险计划和降低溢油损失具有十分重要的意义。
溢油泄漏入海后,在各种环境因素的作用下,会发生复杂的物理、化学和生物过程。
FAY[4-5]提出在平静海面上油膜呈圆形扩展的三阶段理论,在不考虑海流、风、波浪等因素的影响,考虑扩展是由重力、表面张力、惯性力和黏滞力的作用而产生的,通过不同阶段主要作用力和阻力的平衡求得瞬时溢油油膜扩展规律。
对于连续溢油过程,FAY认为仍然是上述作用力决定油膜的扩展,油膜扩展阶段同瞬时溢油,进而给出了溢油口下游不同距离处的油膜扩展宽度[6]。
山口英昭等[7]采用水槽实验的方法模拟了连续溢油过程,证实连续溢油在静止水面上的扩散存在3个不同阶段,油在下游不同距离上的扩散幅度,可假设为溢油口以水流速度的移动,溢油时间为X/U的静止水面上扩散表示。
后来众多学者研究认为风、流等因素也会影响油膜的扩展[8-11],并在FAY扩展模型基础上进行改进,油膜扩展形式也不再以圆形的形式向四周扩展。
ELLIOTT等[12]认为不仅风和海流对油膜扩展具有重要作用,同时溢油本身性质(如黏度和密度等)的变化也会对溢油扩展产生影响。
这里在国内外相关研究的基础上,以营口港海域溢油事故为例,利用MIKE21建立二维水动力模型,模拟区域为整个辽东湾海域,采用三角形网格进行剖分,并对营口港周边海域进行局部加密。
采用实测资料验证模型的可靠性和适用性,利用模拟结果为MIKE21 SA模块提供水动力基础数据,建立营口港周边海域的溢油模型,对营口港海域发生溢油泄漏事故的影响进行预测。
从溢油泄漏方式着手,研究在不同的溢油泄漏方式下对营口港前沿海域的影响范围,分析如何选取合理的溢油泄漏方式,有效地预测溢油污染程度。
二维水动力模型连续方程为++=0二维水动力模型运动方程为式(1)~式(3)中:x,y为直角坐标系坐标;t为时间;h为水深(基准面到床面的距离);ζ为潮位(基准面到自由水面的距离);u,v分别为x,y方向的垂线平均流速分量;f为科氏系数;g为重力加速度;Ex,Ey分别为x,y方向的水平紊动黏性系数;τx,τy分别为波流共同作用下床面剪切力在x,y方向的分量;Sxx,Sxy,Syy分别为各方向的波浪辐射应力。
MIKE21 SA模块是基于随机走动法来模拟粒子运动轨迹。
通过对油膜的输移、风化等过程的模拟,提供油膜随时间变化的厚度和位置,以及溢油乳化率、蒸发量和溶解量等。
采用修正的FAY重力-黏力公式计算油膜扩展。
FAY重力-黏力公式为式(4)中:Aoil为油膜面积为油膜直径;Ka为系数;t为时间;Voil为油膜体积为油膜厚度。
油粒子漂移的作用力是水流和风拽力,油粒子总漂移速度为式(5)中:Utot为总漂移速度;Uw为水面以上10 m处的风速;Us为表面流速;cw(z)为风漂移系数,一般在0.03~0.04之间。
假定水平扩散各向同性,一个时间步长内α方向上的可能扩散距离Sa为式(6)中:为-1~1之间的随机数;Dα为α方向上的扩散系数。
从油膜扩散到水体中的油分损失量为式(7)中:Da为单位时间进入到水体的分量,Da=;Uw为风速;Db为进入到水体后没有返回的分量,Db=;μoil为油黏度;hs为油膜厚度;γow为油-水界面张力。
油滴返回油膜的速率为=Da(1-Db)2.2 风化过程油粒子的风化包括蒸发、溶解和乳化等过程,在这些过程中油粒子的组成发生变化,但油粒子的水平位置没有变化。
油中较轻的组分能蒸发到大气中,减少溢油量,同时改变溢油的密度和黏性等物理性质。
油膜蒸发受油分、气温、水温、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度等因素的影响。
蒸发率为式(9)中:N为蒸发率;i为各种油组分;kei为物质输移系数;PSAT为蒸汽压;R为气体常数;T为温度;M为分子量;ρ为油组分的密度。
式(10)中:k为蒸发系数;Sci为组分i的蒸汽Schmidts数。
油有极微弱的溶解于水的特性,溶解量和时间也有一定的规律可循,溢油最大溶解量发生在事故后8~12 h内,然后溶解量呈指数线性下降。
溶解率为式(11)中:为组分i的溶解度;Xmoli为组分i的摩尔分数;Mi为组分i的摩尔重量;Ksi为溶解传质系数,Ksi=2.36·10-6ei(烷烃、芳香烃、精制油的ei分别为1.4,2.2,1.8)。
溢油的乳化是指油和水混合在一起形成油水乳化物的过程,该过程取决于油膜的厚度、溢油本身的密度、黏度及风浪大小等因素。
油中含水率变化为=R1-R2式(12)中:R1和R2分别为水的吸收速率和释放速率为最大含水率;yw为实际含水率;Wax为油中石蜡含量(重量比);K1,K2分别为吸收系数和释出系数。
营口港位于辽东半岛中部,面临渤海。
计算区域选取为营口港区和邻近海域,考虑边界条件选取,计算区域选取整个辽东湾。
模型采用三角形网格对整个计算区域进行剖分,采用嵌套网格形式对营口港区域及周边海域进行加密,其中港区周边网格划分面积为0.15 (km)2。
其中,水边界条件给定水位过程,利用秦皇岛及长兴岛2个站点的水位资料作为模拟海区开边界水位,数据来自中国人民解放军海军司令部航海保证部的潮汐表。
潮汐表中秦皇岛潮位站既有逐时的数据又有高低潮数据,而长兴岛潮位站的数据只有高低潮数据,所以对长兴岛潮位站数据利用分段三角函数拟合方法,将其数据拟合成间隔0.5 h的数据,对秦皇岛潮位站的数据采用线性插值方法插值成间隔0.5 h的数据。
为验证模型的合理性,采用鲅鱼圈验潮站潮位数据进行验证,流速、流向验证采用仙人岛港区外围布设的定点监测站(见图1)在大潮(2010年4月16日09时至17日10时)期间同步连续监测数据,将模拟值与实测数据进行对比。
部分测站流速流向验证曲线见图3,通过对比,发现计算值与实测值拟合良好,说明模型计算得到的潮流场是可信的,可用来进行溢油扩散数值模拟计算研究。
计算域为营口港海域,泄漏点选择鲅鱼圈港区航道与仙人岛港区航道交汇处,经纬度坐标为40°16′38″N,121°50′42″E。
泄漏量按照油轮灾难性溢油事故考虑,总溢油量设定为1万t。
考虑瞬时泄漏和连续泄漏6 h两种泄漏方式,泄漏时刻选在涨憩和落憩两种情况,分别在无风条件下进行溢油模拟计算。
比较两种泄漏方式下溢油分布情况。
瞬时泄漏是溢油在泄漏点很短时间内全部泄漏的泄漏方式,如油轮触礁破损严重,导致大量油品迅速泄漏。
泄漏进入水体的溢油在重力、表面张力的作用下迅速向四周扩展形成油膜,同时油膜随水流发生漂移运动,并不断发生蒸发、溶解等风化过程。
无论是在涨憩或落憩时刻发生泄漏事故,溢油进入水体扩展形成的油膜近似圆形,只在水流方向上的油膜宽度略大于垂直水流方向的油膜宽度,油膜面积随时间的推移逐渐增大。
事故发生在涨憩(落憩)时,溢油随着落潮流(涨潮流)向西南(东北)方向漂移,落潮(涨潮)结束后随涨潮流(落潮流)向东北(西南)方向漂移,在不考虑风场作用下,油膜随潮流往复漂移(见图4和图5)。
连续泄漏是溢油在较长的时间内不断由泄漏点泄漏的泄漏方式,如船舶油舱泄漏、输油管线破裂和海上钻井平台井喷等。
连续溢油与瞬时溢油相似,溢油进入水体后发生扩展、漂移和风化等过程。
但与瞬时溢油不同,在溢油过程中,由于不断有油溢出,进入水体的溢油会在海面形成近似扇形的狭长油膜,即离溢油点越远溢油带越宽。
由于选取连续溢油时间近似为涨(落)潮历时,故溢油发生在涨憩(落憩)时,溢油前段随着落潮流(涨潮流)向西南(东北)方向漂移,形成宽处在泄漏点东北方向的狭长油膜,落潮(涨潮)结束后狭长油膜整体随涨潮流(落潮流)向东北(西南)方向漂移,在不考虑风场作用下,油膜随潮流如此往复漂移(如图4和图5)。
在总溢油量相同的情况下,分别进行瞬时溢油和连续溢油两种不同溢油方式的数值模拟,模拟过程中不考虑风场作用,模拟时间为72 h,泄漏事故分别发生在涨憩和落憩时。
溢油发生72 h后,在溢油量相同的情况下,瞬时泄漏方式下的油膜面积分别为52.61 (km)2(涨憩溢油)和64.09 (km)2(落憩溢油),连续泄漏方式下的油膜面积分别为102.58 (km)2(涨憩溢油)和111.61 (km)2(落憩溢油),可见,连续溢油情形下溢油扩散面积较瞬时溢油大,与吴晓丹等[13]的研究一致。
两种溢油方式下72 h的扫海图见图6,由图可知,连续溢油方式下溢油的扫海面积较瞬时溢油大。
通过比较两种溢油方式的污染范围,涨憩时刻发生溢油事故时,两种情形的污染范围南侧达到的距离基本相同,但连续溢油北侧影响范围较瞬时溢油远约9.5 km;落憩时刻发生溢油事故时,两种情形的污染范围北侧达到的距离基本相同,但连续溢油南侧影响范围较瞬时溢油远约6.0 km,即在溢油量相同的情况下,由于溢油方式的不同,溢油影响范围也会有很大的不同。
海上溢油事故多因碰撞和触礁等导致船体破损,油品从船体破损处泄漏入海。
如“托雷·卡尼翁”号行驶至英吉利海峡触礁,10 d内溢油100 000 t;“埃克森·瓦尔迪兹”在阿拉斯加威廉王子湾布菜礁上搁浅,6 h内溢出30 000 t货油;Hebei Spirit油轮与装有浮吊的“三星1号”驳轮碰撞,导致油轮左舷水线上2~3处的第1,3,5等3个油舱破损,5号油舱破损200 cm×160 cm,3号油舱破损160 cm×10 cm,1号油舱破损30 cm×3 cm,造成10 500 t原油泄漏入海。