風(fēng)速對LPG球罐泄漏擴散過程的影響研究*

門金龍 蔡沖沖 熊碧波 鄭鴻區(qū)

(廣東石油化工學(xué)院 廣東茂名 525000)

0 引言

LPG已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用方面，由于LPG的易燃易爆性質(zhì)，在生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)雀鱾€工藝環(huán)節(jié)中經(jīng)常發(fā)生事故，LPG泄漏而導(dǎo)致的人身傷亡及財產(chǎn)損失的事故數(shù)在燃燒、爆炸等因素中占據(jù)首位[1]。據(jù)《2019年全國燃?xì)馐鹿蕯?shù)據(jù)分析報告》表明，2019年全國發(fā)生了353起LPG事故，造成63人死亡，585人受傷。國外關(guān)于氣體泄漏擴散的研究早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)開展，如Mines Bureau實驗、Esso實驗、Maplin Sands實驗、Burro實驗、Coyote實驗和Falcon實驗等一系列大型現(xiàn)場實驗，為之后計算模型提供了大量有效的驗證數(shù)據(jù)，此后國內(nèi)外的相關(guān)研究不斷開展，但研究多偏向于泄漏速度與泄漏孔形狀對泄漏擴散的影響，而風(fēng)速對LPG球罐泄漏擴散過程的影響及危害方面的研究較少[2]。

本文分別建立不同風(fēng)速(風(fēng)速為0、1、3、5、10 m/s)下LPG球罐泄漏擴散理論和FLUENT數(shù)值模型，分析不同風(fēng)速條件下LPG球罐泄漏擴散規(guī)律與危險區(qū)域，為LPG球罐泄漏事故的救援及應(yīng)急預(yù)案的制定提供參考。

1 LPG球罐泄漏擴散場景構(gòu)建

1.1 球罐原型

以中心直徑12.3 m的1 000 m3LPG球罐為研究對象，壁厚忽略不計，壁面絕熱，球罐底部距地面1.85 m，LPG球罐模型見圖1，Y軸正方向為下風(fēng)向，圓心R1到Y(jié)軸左邊界CD 140 m，到右邊界AB 20 m；環(huán)境溫度為300 K，球罐內(nèi)部壓力1.35 MPa，泄漏口位于球罐底部，泄漏速度固定為5 m3/s，外界氣壓為101.325 kPa，LPG球罐設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 LPG球罐計算模型

表1 LPG球罐設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 基本假設(shè)

由于LPG球罐實際泄漏濃度擴散過程復(fù)雜，為簡化計算分析過程，進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)球罐儲存介質(zhì)為LPG，其主要成分為丙烷，并且丙烷的危險性遠(yuǎn)大于其它組分，因此采用丙烷進(jìn)行模擬計算。

(2)在數(shù)值模擬過程中，環(huán)境中的物質(zhì)未發(fā)生相變及任何化學(xué)反應(yīng)，LPG氣云的溫度與環(huán)境溫度一樣，且不存在熱量交換。

(3)將空氣與LPG氣云的混合氣體看作不可壓縮的理想氣體，滿足理想氣體的狀態(tài)方程。

(4)本文以丙烷的爆炸極限2.37%～9.5%作為劃分易燃易爆區(qū)域的閾值，當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)大于10%時，人體接觸會出現(xiàn)麻醉狀態(tài)、意識喪失，甚至?xí)?dǎo)致窒息。

2 數(shù)學(xué)模型與理論計算

LPG的泄漏擴散過程滿足基于守恒方程(質(zhì)量、動量、能量守恒方程等)的CFD模型，在初始條件和邊界條件的約束下進(jìn)行仿真模擬[3-4]。

基本方程如下：

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；ui為空氣相在i方向的速度，m/s；p為壓力，Pa。

(2)動量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式中，ui、uj、uk為速度u在x、y、z上分量，m/s；SMx、SMy、SMz為廣義源項SM在x、y、z上分量；p為壓力，Pa；μ為動力粘度，Pa·s。

(3)能量守恒方程

(5)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；T為溫度，K；c為比熱容，kJ；ST為熱源項；k為源項傳熱系數(shù)，k=μc/Pr，Pr為普朗特數(shù)，W/m。

(4)組分運輸方程

(6)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；cs為組分s體積濃度；Ds為組分s擴散系數(shù)；Ss為化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)率，kg/m3，本次模擬分析無化學(xué)反應(yīng)，因此Ss=0。

(5)控制方程

建立守恒方程的一般形式簡化守恒方程的分析過程。一般變量可以用符號Φ表示，所以可以將以上守恒方程的一般形式表示成：

(7)

式中，各項分別是瞬態(tài)項、對流項、擴散項及源項。ρ為空氣密度，kg/m3；Φ為通用變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

(6)湍流模型

現(xiàn)實中的大氣運動不穩(wěn)定為湍流流動，為了更好的描述湍流的流動過程，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

k-ε雙方程模型(即標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型)是在湍流動能k方程中，引入湍動耗散率ε，其定義為

(8)

式中，ε為湍動耗散率；ρ為氣體密度，kg/m3；μ為動力粘度。

湍動粘度μt由k和ε表示的函數(shù)如下：

(9)

式中，μt為湍動粘度；ρ為氣體密度，kg/m3；Cμ為經(jīng)驗系數(shù)；k為紊流脈動動能，J。

因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運方程為

(10)

(11)

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；ui為速度u在x上分量，m/s；湍動能Gk為平均速度梯度引起；湍動能Gb為浮力影響引起；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；G1ε、G2ε、G3ε為經(jīng)驗常數(shù)，F(xiàn)LUENT中G1ε取1.44，G2ε取1.92，G3ε取0.09；ε為湍動耗散率；k為紊流脈動動能，J；σk、σε為湍動能及湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)，F(xiàn)LUENT默認(rèn)σk取1.0，σε取1.3；Sε、Sk為湍能耗散率及湍動能的源項；μ為動力粘度；μt為湍動粘度。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型計算無風(fēng)及有風(fēng)(即風(fēng)速為0、1、3、5、10 m/s)的條件下，LPG氣云擴散濃度分布情況，詳見表2及圖2。

分析表2與圖2得出，無風(fēng)條件下，延y軸擴散距離的增大，LPG氣云濃度逐漸減?。伙L(fēng)速為1～3 m/s時，y軸下風(fēng)向濃度隨著風(fēng)速的增大，先增大后減小，存在1個影響下風(fēng)向濃度的風(fēng)速極值；風(fēng)速大于3 m/s時，y軸下風(fēng)向濃度隨著風(fēng)速的增大而減小。

表2 LPG氣云擴散濃度分布統(tǒng)計表

圖2 LPG氣云濃度變化趨勢

3 風(fēng)速對LPG氣云擴散影響規(guī)律數(shù)值模擬

采用FLUENT軟件CFD數(shù)值模型，以80 m×160 m的長方形作為模擬計算區(qū)域，見圖3。(0,0)為球罐的中心，其中，線AB為風(fēng)流入口，線AD(160 m)、CD(80 m)、CB(160 m)均為氣體出口，圓孔為泄漏口，R1=0.1 m，圓心到線AD的距離為40 m，到線AB的距離為20 m。泄漏開始前環(huán)境中沒有LPG，因此計算域中每個點的初始丙烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為0%。風(fēng)速從右至左，分別為0、1、3、5、10 m/s。

圖3 LPG球罐泄漏擴散模型

3.1 無風(fēng)條件下LPG氣云的擴散規(guī)律

圖4為無風(fēng)條件下LPG氣云濃度分布。根據(jù)圖4可知，在無風(fēng)條件下，LPG氣云從泄漏口向周圍擴散，各方向上濃度呈對稱分布，但隨著擴散距離的增大，氣云分布逐漸分散，濃度也逐漸減小，與理論計算結(jié)果基本一致。

圖4 無風(fēng)條件下LPG氣云濃度分布

圖5為有風(fēng)條件下LPG氣云濃度分布。由圖5可知，在有風(fēng)條件下，風(fēng)流影響LPG的擴散方向，泄漏氣體在風(fēng)流的輸送下將順著風(fēng)向逐步擴散。同時，由于風(fēng)流的輸送作用加速了大氣湍流，風(fēng)速越大，LPG氣云在順風(fēng)方向上的擴散距離越大；與之相反，當(dāng)風(fēng)速越小時，風(fēng)流對LPG氣云的輸送越小，氣云變得又短又寬且出現(xiàn)兩側(cè)偏移的情況。當(dāng)風(fēng)速增大到5 m/s時，風(fēng)流輸送過強反而會稀釋LPG氣云，導(dǎo)致隨著風(fēng)速的增大LPG氣云在順風(fēng)方向上擴散的最遠(yuǎn)距離減?。伙L(fēng)速達(dá)到10 m/s時，擴散的距離比5 m/s時明顯縮小。

3.2 有風(fēng)條件下LPG氣云的擴散規(guī)律

對比表2中在有風(fēng)條件下的理論計算數(shù)據(jù)得出：在泄漏口(即Y=0 m處)上風(fēng)向泄漏氣體的濃度接近為0%，LPG氣云下風(fēng)向擴散情況，與圖5中LPG氣云濃度分布規(guī)律相符；風(fēng)速為1～3 m/s時，下風(fēng)向濃度隨著風(fēng)速的增大，先增大后減小，與圖5(a)、圖5(b)LPG氣云的濃度分布規(guī)律相符；風(fēng)速為3～10 m/s時，下風(fēng)向濃度隨著風(fēng)速的增大而減小，與圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)LPG氣云的濃度分布規(guī)律相符。

(a)v=1 m/s (b)v=3 m/s

3.3 風(fēng)速臨界值下LPG氣云擴散規(guī)律

根據(jù)圖5，由不同風(fēng)速CD邊界擴散最大濃度值繪制不同風(fēng)速CD邊界擴散最大濃度值變化曲線，見圖6、圖7。

圖6 CD邊界擴散濃度變化

根據(jù)圖7得出當(dāng)風(fēng)速為2.4 m/s時，LPG氣云CD邊界擴散濃度達(dá)到最大值1.0 kg/m3，對風(fēng)速為2.4 m/s時進(jìn)行數(shù)值模擬與理論計算，詳見圖8、表3。當(dāng)風(fēng)速為2.4 m/s時，圖8(a)LPG氣云分布區(qū)域比圖5(a)分布區(qū)域略寬，范圍較大，但比圖5(b)分布區(qū)域略窄，范圍較??；圖8(b)CD邊界擴散濃度變化與圖6不同風(fēng)速邊界擴散濃度變化相符；圖8(b)中LPG氣云濃度的最大值為1.0 kg/m3，與圖7中推導(dǎo)的結(jié)果基本一致。

圖7 不同風(fēng)速CD邊界處最大濃度值

(a)濃度分布

由表3理論計算的數(shù)據(jù)中看出，當(dāng)風(fēng)速為2.4 m/s時，LPG氣云泄漏擴散濃度變化與圖8基本一致。

表3 v=2.4 m/s LPG氣云擴散濃度分布

當(dāng)風(fēng)速小于2.4 m/s時，空氣對LPG氣云的輸送作用占主導(dǎo)，風(fēng)速越大，危險區(qū)域面積越大；當(dāng)風(fēng)速大于2.4 m/s時，風(fēng)的稀釋作用成為影響擴散的主導(dǎo)因素，風(fēng)速越大，危險區(qū)域面積也越小。風(fēng)速影響泄漏氣云的擴散速度和被空氣稀釋的速度，風(fēng)速越大，大氣的湍流越強，空氣的稀釋作用就越強，因此，在不同風(fēng)速條件下，CD邊界最大濃度值不同：無風(fēng)時，約為0.6 kg/m3；風(fēng)速為1 m/s時，約為0.88 kg/m3；風(fēng)速為3 m/s時，約為0.96 kg/m3；風(fēng)速為5 m/時，約為0.14 kg/m3；風(fēng)速為10 m/s時，約為0.08 kg/m3。

1 000 m3LPG球罐，在泄漏速度為5 m3/s，風(fēng)速為2.4 m/s的場景下，風(fēng)速大小對LPG氣云濃度的減小速度的影響顯著。風(fēng)速較小時，氣云擴散速度較慢，氣云停留的時間長，增加了燃燒爆炸發(fā)生的可能性；反之，風(fēng)速越大，LPG的泄漏氣云擴散危險區(qū)域越小。

4 LPG泄漏應(yīng)急處置措施

據(jù)上述分析，當(dāng)LPG球罐發(fā)生泄漏時，極易形成爆炸性的可燃?xì)庠疲野l(fā)展十分迅速。一旦發(fā)生燃燒爆炸事故，其事故后果也十分嚴(yán)重，不僅造成人員的傷亡和設(shè)備的損失，還會對社會造成惡劣的影響。為降低泄漏事故的危害程度，應(yīng)在事中考慮相應(yīng)的應(yīng)急處置措施，以減少事故發(fā)生時造成的損失。

在無風(fēng)泄漏時，危險區(qū)域分布在球罐周圍，液化石油氣沉在底部并向低洼處流動。在有風(fēng)條件下泄漏時，液化石油氣向四周擴散，LPG氣云濃度擴散距離隨著風(fēng)速的增大而變化，同樣LPG擴散危險區(qū)域隨風(fēng)速增加逐漸變化。因此，在不同風(fēng)速泄漏時應(yīng)采取如下應(yīng)急處置措施：

(1)消除所有點火源。在無風(fēng)泄漏時，根據(jù)氣體的影響區(qū)域劃定警戒區(qū)，無關(guān)人員應(yīng)向高處撤離至安全區(qū)，泄漏隔離距離至少為100 m；在有風(fēng)條件下泄漏時，根據(jù)氣體的影響區(qū)域劃定警戒區(qū)，無關(guān)人員應(yīng)向高處或上風(fēng)向撤離至安全區(qū)，下風(fēng)向的初始疏散距離應(yīng)至少為800 m。

(2)停止作業(yè)。泄漏發(fā)生后，立即停止一切生產(chǎn)作業(yè)，關(guān)閉所有緊急切斷閥，開啟消防噴淋系統(tǒng)。

(3)個人防護(hù)。建議處置過程中，應(yīng)急處理人員戴正壓自給式空氣呼吸器，穿防靜電、防寒服，作業(yè)時使用的所有設(shè)備接地。

(4)泄漏發(fā)生在儲罐底部，開啟高壓水向儲罐內(nèi)頂水，氣相石油氣向其它儲罐連通回流。

(5)以棉被、麻袋片包裹泄漏罐體本體，讓其結(jié)冰以減少泄漏量。

(6)在有風(fēng)條件下泄漏時，利用噴霧狀水抑制蒸氣或改變蒸氣云流向，水流不可接觸泄漏物，不能用水直接沖擊泄漏物或泄漏源，阻止氣體通過下水道、通風(fēng)系統(tǒng)和密閉性空間擴散。

(7)在有風(fēng)條件下泄漏時，救援人員應(yīng)在上風(fēng)頭掩護(hù)。

5 結(jié)論

本文在泄漏擴散理論的基礎(chǔ)上，分別建立不同風(fēng)速(風(fēng)速為0 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、10 m/s)下LPG球罐泄漏擴散理論模型和FLUENT數(shù)值模型，通過分析風(fēng)速對LPG球罐泄漏濃度分布和危險區(qū)域分布的影響，得出以下LPG球罐泄漏分布規(guī)律：

(1)在無風(fēng)情況下，危險區(qū)域分布在球罐周圍，擴散速度比較緩慢，人員疏散可用時間比較長；在有風(fēng)的情況下，危險區(qū)域位于下風(fēng)向，人員向其他風(fēng)向疏散可以有更多的逃離時間。

(2)風(fēng)流不僅影響LPG的擴散方向，同時風(fēng)速影響LPG氣云濃度擴散距離。隨著風(fēng)速的增大，LPG氣云濃度擴散距離先變大后變小，說明在風(fēng)速1～3 m/s之間存在影響氣云濃度擴散變化的風(fēng)速臨界值。

(3)風(fēng)速小于2.4 m/s時，LPG擴散危險區(qū)域隨風(fēng)速的增大而擴大；風(fēng)速大于2.4 m/s時，由于空氣的稀釋作用，LPG擴散危險區(qū)域隨風(fēng)速增大逐漸減小。

針對不同風(fēng)速下LPG氣云濃度擴散所產(chǎn)生的安全風(fēng)險，提出了7項應(yīng)急處置措施，為降低泄漏事故的危害程度提供參考。