環(huán)氧乙烷儲罐泄漏模擬分析研究

董 瑞，李 寧

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003；3.中國化工集團(tuán)有限公司，北京 100080)

化工廠環(huán)氧乙烷被廣泛地應(yīng)用于洗滌、制藥、印染等行業(yè)，生產(chǎn)方法主要有氯醇法和乙烯直接氧化法，它是典型危險化學(xué)品，具有易燃易爆性，自聚性、中等毒類。在化工生產(chǎn)中，環(huán)氧乙烷儲罐泄漏事故時有發(fā)生[1]。李寧等[3]研究了儲罐泄漏后環(huán)境條件變化對后果嚴(yán)重程度的影響。本文利用Fluent軟件模擬分析環(huán)氧乙烷儲罐泄漏問題，通過對儲罐溫度、壓力、不同尺寸泄漏點(diǎn)條件下泄漏情況模擬分析，找出環(huán)氧乙烷儲罐運(yùn)行存在的安全隱患，為做好石油化工企業(yè)環(huán)氧乙烷儲罐泄漏應(yīng)急管理奠定基礎(chǔ)，對企業(yè)安全管理工作具有指導(dǎo)意義。

1 研究對象

研究對象為某石油化工公司的環(huán)氧乙烷球形儲罐，容積500m3，球罐采用低溫氮封儲存，同時建有裝車棧臺系統(tǒng)，用于汽槽車裝運(yùn)環(huán)氧乙烷進(jìn)行外賣，相關(guān)配套設(shè)施還有雨淋閥室、消防系統(tǒng)等。儲存介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，相應(yīng)技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 環(huán)氧乙烷儲罐技術(shù)參數(shù)

2 泄漏風(fēng)險建模

2.1 模擬條件

本文基于Fluent軟件，選取環(huán)氧乙烷球罐底部出口彎頭(即圖中圓圈部分)處出現(xiàn)沙眼泄漏環(huán)氧乙烷作為研究對象，考慮不同泄漏尺寸(0.1、0.5、1、2、5 mm)、不同壓力等級(0.4、0.6 MPa)、不同溫度(0、15℃)條件下，模擬分析泄漏情況，定量判定風(fēng)險。

建模過程中使用CATIA軟件畫出流體域，再使用ICEM軟件生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元近100萬個，漏點(diǎn)假定為圓形。為使流體均勻發(fā)展并保證計算收斂，在出入口分別加上2倍當(dāng)量直徑長度的延長段。入口給壓力入口邊界條件，出口給質(zhì)量流量邊界條件，漏點(diǎn)處給壓力出口邊界條件，給定1個大氣壓。網(wǎng)格圖最終效果可參見圖1、2所示。

圖1 選取位置管線建模網(wǎng)格圖Fig.1 The modeling grid diagram of the pipeline selected

圖2 漏點(diǎn)建模網(wǎng)格圖Fig.2 The modeling grid diagram of the leak source

2.2 模擬結(jié)果

為了準(zhǔn)確模擬流動狀態(tài)，本文計算采用了帶有湍流模型的RANS方程進(jìn)行求解(表2)。RANS方程是對N-S方程的簡化，并用湍流模型假設(shè)使方程封閉。湍流模型選取Menter's SST κ—ω模式，它是一種在工程上廣泛應(yīng)用的混合模型，在近壁面保留了原始 的模型，在遠(yuǎn)離壁面的地方應(yīng)用了K-ε模型，這樣既能較好的模擬遠(yuǎn)離壁面充分發(fā)展的湍流流動，又能較好的解決各種壓力梯度下的邊界層問題。

表2 模擬泄漏計算結(jié)果統(tǒng)計

3 泄漏模擬結(jié)果分析

3.1 溫度對泄漏的影響

該公司環(huán)氧乙烷儲罐的存儲壓力為0.4 MPa，即4個大氣壓(3040 mmHg汞柱)，對應(yīng)表2可以看出，在此壓力下，環(huán)氧乙烷的沸點(diǎn)大于50℃。因此，從理論計算看，即使夏季當(dāng)?shù)赝饨鐨鉁馗撸h(huán)氧乙烷儲罐制冷能力不足，罐溫達(dá)到10℃以上，球罐內(nèi)部的環(huán)氧乙烷仍是液態(tài)，不會出現(xiàn)大量汽化的現(xiàn)象。根據(jù)Fluent軟件的計算條件分析，本文考慮的0℃和15℃兩種情況，儲罐內(nèi)部壓力、液體密度等不會發(fā)生顯著變化，對泄漏計算結(jié)果的影響可以忽略不計，故溫度對于泄漏速率基本沒有影響。

3.2 壓力對泄漏的影響

本文選取的壓力值0.4 MPa為儲罐正常存儲壓力，由氮封控制，基本為恒壓狀態(tài)。壓力值0.6 MPa為儲罐安全閥起跳壓力，當(dāng)儲罐出現(xiàn)異常、壓力升高時，最多只達(dá)到0.6 MPa即發(fā)生安全閥起跳泄壓，不必再考慮壓力大于0.6 MPa的情況，故本文僅選取0.4、0.6 MPa兩個壓力值，來模擬分析壓力對泄漏量的影響。所模擬的工況，相同尺寸的漏點(diǎn)，壓力升高對泄漏速率有一定影響，在漏點(diǎn)尺寸為5 mm時，0.6 MPa壓力下發(fā)生的泄漏量是0.4 MPa壓力下的1.3倍左右，但不顯著。選取0.4 MPa壓力下，漏點(diǎn)尺寸為1 mm時進(jìn)行模擬分析，得出漏點(diǎn)面上的壓力云圖如圖3所示，對稱面上的速度云圖如圖4所示，漏點(diǎn)處局部云圖如圖5所示，漏點(diǎn)處流動矢量圖如圖6所示。

圖3 漏點(diǎn)面壓力云圖Fig.3 The leakage pressure cloud diagram

圖4 對稱面速度云圖Fig.4 The symmetric face velocity cloud diagram

圖5 漏點(diǎn)處局部云圖Fig.5 The local cloud map of the leakage point

圖6 漏點(diǎn)處流動矢量圖Fig.6 The flow vector diagram of leakage point

3.3 泄露孔徑對泄漏的影響

相同壓力下，不同尺寸漏點(diǎn)的泄漏速率明顯不同，隨著漏點(diǎn)的加大，泄漏速率明顯加快。

圖7 不同尺寸漏點(diǎn)泄漏量對比Fig.7 Comparison of leakage in different sizes

根據(jù)模擬計算結(jié)果，從圖7可以看出，在0.4 MPa的儲罐壓力下，當(dāng)管線出現(xiàn)0.1、0.5、1、2 mm漏點(diǎn)時，泄漏發(fā)生10 s后，泄漏量最多不超過0.32 kg，泄漏量不顯著。對于5 mm漏點(diǎn)，泄漏10 s后，泄漏量3 kg，泄漏相對明顯。

4 儲罐泄漏的應(yīng)急處置

選取儲罐壓力在0.4 MPa下，發(fā)生5 mm漏點(diǎn)時，泄漏的環(huán)氧乙烷擴(kuò)散情況(假定風(fēng)速為4 m/s，保持恒定)，根據(jù)之前的模擬計算，泄漏速率為約為0.3 kg/s，即使泄漏600 s，泄漏量只有180 kg，相比于儲罐日常存儲量350 t，漏量微小，故可視其為穩(wěn)定均速泄漏。由于常壓下環(huán)氧乙烷沸點(diǎn)較低，極易汽化，這里假定環(huán)氧乙烷泄漏后以氣態(tài)形式擴(kuò)散，漏點(diǎn)噴射效應(yīng)可忽略不計。儲罐壓力0.4 MPa，風(fēng)速4 m/s，泄漏量0.3 kg/s的擴(kuò)散模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 擴(kuò)散模擬結(jié)果Fig.8 The diffusion simulation result

模擬結(jié)果表明，隨著時間的推移，泄漏的環(huán)氧乙烷擴(kuò)散距離逐漸增大，ERPG-2的濃度值下的擴(kuò)散斜率大于ERPG-3，經(jīng)過一段時間的擴(kuò)散，ERPG-3變化逐漸減小。在泄漏發(fā)生后的600 s時間內(nèi)，要達(dá)到ERPG-3的濃度，擴(kuò)散距離不超過70 m；要達(dá)到ERPG-2的濃度，擴(kuò)散距離不超過200 m。

以ERPG-2濃度值作為參考，發(fā)生泄漏事故后，應(yīng)在第一時間通知漏點(diǎn)方圓200m范圍內(nèi)的相關(guān)單位人員撤離，并在漏點(diǎn)周圍設(shè)置警戒線，無關(guān)人員不得入內(nèi)。還需考慮對周邊社區(qū)的影響，向當(dāng)?shù)卣块T協(xié)助組織疏散。

5 結(jié)論

通過對環(huán)氧乙烷儲罐泄漏后果模式研究，得出如下結(jié)論：

(1)模擬了環(huán)氧乙烷儲罐泄漏后果場景的影響，泄漏后果與介質(zhì)溫度影響不明顯，與壓力影響不大，但與泄漏孔徑有明顯關(guān)系。

(2)從泄漏場景分析了擴(kuò)散距離不超過200 m 作為人員應(yīng)急疏散距離，對石化企業(yè)環(huán)氧乙烷泄漏應(yīng)急管理具有指導(dǎo)意義。