张海曦 李烨 邱稼仪

（1.西安长庆科技工程有限责任公司；2.西安交通大学人居学院）

长庆油田保障点建筑室外颗粒物污染预测

张海曦1李烨1邱稼仪2

（1.西安长庆科技工程有限责任公司；2.西安交通大学人居学院）

长庆油田的前线生产保障点建筑大多距离油气生产区域较近；因此，附着有油气田污染性废气的颗粒物有可能随空气流动进入办公区域，对工作人员的身体健康产生影响。为了保证油田保障点的室内空气质量，采用计算流体动力学的方法对保障点建筑的室外颗粒物扩散和分布情况进行预测。以环江作业区保障点为例，建立了其建筑物的三维模型，根据当地的气象条件，模拟计算了以PM10为代表的污染性颗粒物对保障点建筑的污染情况。计算结果显示，室外颗粒物对保障点建筑造成了严重污染。通过分析计算结果，对保障点建筑的颗粒物污染防治问题提出了若干建议，能够改善保障点的室内外空气质量和建筑风环境，降低室外颗粒物在建筑内的浓度，保证工作人员的身体健康。对新建保障点的选址和已建的建筑室外颗粒物污染较严重的保障点的治理具有重要的参考价值。

室外颗粒物；计算流体动力学；空气质量；建筑环境

引言

长庆油田地处我国鄂尔多斯盆地，大部分一线生产单位气候条件恶劣，使广大基层员工有一个良好的工作和生活环境是油田公司稳产上产的必要保证。我国西北地区最基本的环境特征是沙尘广布和干旱[1]，空气中可吸入颗粒物的含量明显偏高。可吸入颗粒物是粒径小于或等于10 μm的颗粒物（PM10），能够长时间悬浮于空气中，并伴随呼吸作用进入人体。流行病学的研究显示，可吸入颗粒物对人体健康有着非常显著的负面影响，可能引起多种呼吸系统疾病，甚至引发癌症[2]。另外，原油的开采、处理和集输的过程中会发生跑冒滴漏现象，产生一些污染性气体，包括烃类、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等[3]。这些对人体有害的污染性气体在颗粒物的吸附作用下会附着于颗粒物表面[4]。尽管这些附着有污染性气体的颗粒物主要产生于油气生产区域，但长庆油田前线生产保障点大多距离生产区域较近。而相关研究表明，建筑附近的大气颗粒物能够随着建筑通风进入室内，室内环境中来源于室外大气的颗粒物占比可以达到75%以上[5]。因此，有必要对长庆油田前线生产保障点附近的大气颗粒物扩散和分布情况进行研究。

选择长庆油田典型的前线生产保障点进行研究，以长庆油田第七采油厂环江作业区前线生产保障点为例，该保障点周围部署有油井并且与环江第一联合站仅一墙之隔。环江油田第一联合站于2010年建成投运，主要由集输、加热、消防、原油稳定、采出水处理五大系统组成，日处理原油约1400m3，日外输净化油700m3，日处理采出水400 m3。在采油、集输、加热、消防、原油稳定、采出水处理的过程中，井口挥发、储罐“呼吸”及管线泄漏等原因都会产生污染性油田废气。

本文以作业区内的综合楼和宿舍楼为主要研究对象，采用计算流体动力学的方法，通过数值计算得出建筑物周围PM10的扩散及分布情况进行预测，并根据结果提出了改善污染情况的建议。

1 数值计算模型

1.1 建筑概况

环江作业区前线生产保障点位于甘肃省环县四合塬乡，根据当地气象条件，分别对夏季工况和冬季工况进行了模拟计算。气象参数如下：夏季平均温度约为25℃，平均风速2.4 m/s，风向西南偏南；冬季平均温度约为-5℃，平均风速2.2 m/s，风向西北偏北。适当简化后的建筑模型如图1所示，建筑区域的大小为100.6 m×90.6 m。主要研究对象为综合楼（A）（长61.4 m×宽17.3 m×高15 m）和公寓楼（B）（长39.2 m×宽19.4 m×高7.5 m）。另外，参考COST Action 732[6]设置数值模拟的计算域，入口边界、上空边界和侧面边界的距离均取为5Hmax，出口边界的距离取为12Hmax，其中Hmax为15 m。

图1 建筑模型

1.2 数学模型

常温空气可看作不可压缩的黏性流体，低速湍流时，符合Boussinesq假设。因此，本文选取标准k—ε紊流模型[7]，采用SIMPLE算法对问题进行模拟求解。

1）不可压缩流体紊流时均流动的连续性方程：

式中：uˉi—— 时均速度，m/s；

xi——坐标。

2）雷诺方程：

式中：uˉj—— 时均速度，m/s；

ui——瞬时速度，m/s；

uˉ′i、uˉ′j—— 脉动速度，m/s；

xj——坐标；

t——时间，s；

ρ——密度，kg/m3；

p——压强，Pa；

μ——黏度，N·s/m2。

3

）湍流黏性系数方程：

式中：ηt——湍流黏性系数，N·s/m2；

Cμ——模型常数，取0.09；

k——湍流中单位质量流体脉动动能；

ε——湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率。4）湍动能k的输运方程：

式中：uˉk—— 时均速度，m/s；

xk——坐标；

Ck——模型常数，取0.09～0.11。

5）湍动能耗散率ε的输运方程：

式中：ν——流体的运动黏性系数，m2/s；

Cε——模型常数，取0.07～0.09；

Cε1——模型常数，取1.41～1.45；

Cε2——模型常数，取1.91～1.92。

6）离散相方程：

式中：up——颗粒速度，m/s；

FD——颗粒的曳力，m/s2；

u——流体速度，m/s；

gx——重力加速度，m/s2；

ρ——流体密度，kg/m3；

ρp——颗粒密度，kg/m3；

Fx——颗粒所受的其他力，m/s2。

1.3 边界条件

2）出口边界条件：出流面设为自由流动边界。

3）上空及两侧边界条件：计算区域的上空及两侧设为对称边界。

4）地面及建筑物壁面边界条件：地面、墙面及屋顶设为固体壁面，用壁面函数法并选取标准壁面函数进行计算。

1.4 污染物分析

环江作业区所处环境条件下，附着有油田废气的沙尘随风飞扬为当地主要的大气污染形式，而其中PM10对人体的危害尤甚；因此，针对来流大气中的PM10进行计算。由于庆阳地区没有实测数据，所以设置来流中PM10的浓度为150 μg/m3，此值为国家二级标准[9]（即国家规定空气质量达标的最低标准）。空气质量分指数与污染物（PM10）浓度的对应关系见表1。

表1 空气质量分指数与污染物浓度限值

2 计算结果与分析

2.1 夏季工况

2.1.1 夏季风场压力分析

夏季风向为西南偏南，平均风速2.4 m/s（图2）。由图2可知，由于围墙距离公寓楼过近，导致公寓楼上风向和下风向的压差大于5 Pa，会出现局部漩涡和死角，对行人造成安全隐患，不利于自然通风，易引起气态污染物的积聚。

图2 夏季风压云图（Z=1.5 m）

2.1.2 夏季浓度场分析

夏季工况，PM10在不同高度的分布情况见图3和图4。其中，图3为1层工作人员坐姿呼吸高度的截面图，图4为综合楼2—5层工作人员坐姿呼吸高度的截面图。图例中的数值单位是kg/m3，其中的6E-07 kg/m3对应的空气质量分指数为500，也就是所谓的污染程度“爆表”，因此图中绿色、黄色、红色区域污染情况非常严重。

由图3可知，在综合楼的东半部分，尤其是北侧区域，PM10的浓度非常高，不仅会对行人的呼吸造成影响，而且能够通过门窗进入一楼的办公区域。公寓楼东侧污染也比较严重，附着有污染性气体的颗粒物会通过侧门进入公寓楼内，危害工作人员的健康。

由图4可知，随着高度的增加污染情况有所减缓，但是综合楼的北侧和东侧墙外PM10浓度高，2—5层均受到污染，且污染情况比较严重。公寓楼的东侧和南侧墙外PM10浓度较高，2—4层均受到污染。

图3 夏季PM10浓度云图（Z=1.5 m）

图4 夏季PM10浓度云图（2—5层）

综上所述，综合楼和公寓楼受到PM10的污染都比较严重，综合楼尤甚。由于PM10受到重力影响，有沉降现象，所以污染程度随着高度的增加有所减弱。因此，在综合楼的北侧和公寓楼东侧种植一排靠近建筑的树木，即可在很大程度上阻隔颗粒物的扩散，阻止其进入综合楼。另外，可以看到围墙对于污染物有明显的阻隔作用，适当增加围墙高度可以改善建筑区域的空气质量。

为了保证工作人员的身体健康和居住舒适性，当受实际情况所限无法在在污染严重的区域种植树木和适当加高围墙时，也可以考虑在建筑物内部采取空气净化措施或加装机械送风系统。加装机械送风系统时，需将进风口设在空气质量较好的区域（综合楼设在南侧，公寓楼设在西侧为宜），使建筑物内保持正压送风，防止污染物侵入室内。

2.2 冬季工况

2.2.1 冬季风场压力分析

冬季风向为西北偏北，平均风速2.2 m/s（图5）。由图5可知，综合楼北侧和南侧以及宿舍楼和食堂之间的风压差较大，影响行人的安全和舒适性，也可能会影响一楼房间的热舒适[10]。为减小压差，同样可以采取夏季减弱污染的策略，即在综合楼的北侧种植一排靠近建筑的树木。另外，公寓楼入口处与食堂南侧之间风压变化急剧，对行人造成严重的安全隐患，应当在两者之间种植树木，减小风压差。

图5 冬季风压云图（Z=1.5 m）

2.2.2 冬季浓度场分析

冬季工况，PM10在不同高度的分布情况见图6和图7。其中，图6为1层工作人员坐姿呼吸高度的截面图，图7为综合楼2—5层工作人员坐姿呼吸高度的截面图。

由图6可知，冬季工况，综合楼的污染情况较夏季轻，但污染物同样集中在建筑壁面附近，容易进入建筑物内。在公寓楼的东侧，PM10大范围聚集，并有明显的涡流现象，污染物不易扩散，与夏季情况相同。围墙对于污染物的阻隔作用，在冬季依然有所体现。

图6 冬季PM10浓度云图（Z=1.5 m）

由图7可知，综合楼的东南角墙外PM10浓度高，2—5层均受到污染，但污染范围较小。公寓楼的东侧和南侧墙外PM10浓度较高，2—4层均受到污染。

图7 冬季PM10浓度云图（2—5层）

与夏季相比，冬季污染区域相似且情况较轻，主要是由于冬季地面温度较低，浮升力弱于夏季；因此，改善措施主要考虑夏季工况，兼顾冬季即可。

3 结论

通过模拟计算的结果可知，粒径小于或等于10 μm的颗粒物（PM10）一方面受浮升力的影响能够长时间悬浮于空气中，另一方面也会在重力作用下有一定的沉积现象，同时也会随气流的“爬墙”效应聚集于建筑壁面附近。

基于PM10的扩散特性，油田附近附着有油田废气的沙尘随气流扩散时，遇到建筑物便有一定的聚集，导致建筑附近空气质量严重恶化；一旦气流进入建筑内部，就会对室内人员产生影响，易引起呼吸系统相关的疾病。

所以，为了有效减弱PM10的污染程度，保证工作人员身体健康，提出以下建议：

1）应在以后的油田前线生产保障点前期选址工作中将室内外空气质量和建筑周围风环境的因素考虑在内综合评估，设计人员应提高对保障点建筑室外颗粒物污染的重视程度，应通过模拟计算来验证设计方案的可行性。

2）对于已建的建筑室外颗粒物污染较严重的油田前线生产保障点，可以进行模拟计算对污染情况进行分析，通过在适当的地方增加围墙高度和种植树木的方法可以有效改善污染情况。增加围墙高度能够有效地降低进入院内的污染物浓度；种植树木不仅能够阻隔污染物的扩散、降低污染物浓度，而且能够减小风压、改善风环境、保证行人的安全和舒适性。

3）对于某些由于生产需要无法兼顾室内外空气质量和建筑周围风环境的新建保障点，或已建的建筑室外颗粒物污染较严重的保障点治理较困难时，可以考虑购买空气净化装置或加装正压送风系统，提高室内空气品质，改善工作人员的呼吸环境。

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2017-05-22

（编辑 李发荣）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.016

张海曦，工程师，2013年毕业于西安交通大学建筑环境与设备工程系，从事油气田地面工程暖通设计工作，E-mail：bravolfc@126.com，地址：陕西省西安市未央区长庆兴隆园小区，710018。