基于FLACS的汽油儲罐可燃氣體泄漏的流場分析

王 旭 廖柯熹 張志堅 曾昭雄 王思汗 向粟林

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500；3.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，成都 610036)

引 言

罐區(qū)儲罐數(shù)量多且密集，油品儲存量大，其間各種輸油管道又錯綜復(fù)雜，由于汽油易燃、易爆且有毒，一旦發(fā)生泄漏，輕則造成資源浪費，重則可能引起火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，甚至升級為后果更嚴重的多米諾效應(yīng)[1]?？扇細怏w探測器作為重要的保護層，其自動報警功能可迅速確定泄漏位置，提示工作人員采取一系列措施來預(yù)防事故或防止事故升級[2]。然而目前可燃氣體探測器的設(shè)置一般按照相關(guān)標準規(guī)定或工作經(jīng)驗進行布置[3]，設(shè)置方法過于主觀，導(dǎo)致檢測效果較差[4]?？扇細怏w探測器的布置應(yīng)符合氣體擴散規(guī)律，而風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等外部環(huán)境條件以及罐區(qū)設(shè)備的阻擋，使得氣體泄漏擴散過程較為復(fù)雜[5]，因此，基于計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)模擬氣體泄漏擴散后果以確定探測器位置的方法逐漸得到廣泛應(yīng)用[6]。

Kelsey等[7]通過對海上高壓氣體泄漏擴散進行CFD模擬，以5 m為間隔設(shè)置監(jiān)測點記錄可燃氣體實時氣體濃度，進而研究了氣云大小、安裝位置高低、探測器類型、響應(yīng)時間等因素對可燃氣體探測器系統(tǒng)靈敏度的影響。DeFriend等[8]通過CFD模擬特定泄漏造成不可接受風(fēng)險的氣云大小，從而確定了可燃氣體探測器的安全間距。章博等[9]以某高含硫氣田集氣站天然氣泄漏為例構(gòu)建CFD模型，根據(jù)監(jiān)測點記錄的氣體實時濃度信息對探測器布置位置、報警時間等進行分析，結(jié)果表明可燃氣體探測器高位布置比低位布置的靈敏性更高。Seo等[10]根據(jù)Quantitative Risk Analysis(QRA)報告中包含的8個隨機變量生成泄漏場景，采用抽樣方法篩選出代表性場景，再利用CFD描述氣體泄漏擴散隨時間的變化過程，最后通過計算探測器風(fēng)險指數(shù)確定了氣體探測器的最優(yōu)位置。王彬[11]基于ISA84的MOON投票安排方法，在下風(fēng)向以15 m為間隔設(shè)置監(jiān)測點，再通過FLACS軟件模擬液化天然氣的泄漏擴散，結(jié)合報警上下限及響應(yīng)時間(30 s內(nèi))，得到可燃氣體探測器的優(yōu)化布局。姜春雨[12]采用FLACS模擬H2S的泄漏擴散，分析不同泄漏高度、泄漏方向的H2S濃度分布，確定了氣體檢測器設(shè)置的水平距離和高度位置，并對現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范提出了改進意見。

本文針對某罐區(qū)的現(xiàn)場調(diào)研情況，結(jié)合現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等條件確定泄漏場景；然后采用FLACS軟件建立實際尺寸的罐區(qū)三維動態(tài)CFD模型，根據(jù)GB/T 50493—2019設(shè)置候選監(jiān)測點；通過模擬計算獲得汽油泄漏擴散過程中監(jiān)測點記錄的實時氣體濃度信息，確定有效監(jiān)測點及其檢測時間，對現(xiàn)場可燃氣體探測器的設(shè)置進行了評估。

1 罐區(qū)概況

某罐區(qū)有8座10 000 m3的儲罐，主要儲存汽油和柴油，儲罐基本信息見表1。該罐區(qū)2019年儲油罐的聲發(fā)射檢測報告顯示，G31204儲罐罐底板綜合評定為Ⅱ級，同年，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)G31204儲罐有明顯腐蝕現(xiàn)象，且有沉降趨勢。縱觀G31201～G31208儲罐從投產(chǎn)至今的狀況，G31204儲罐改造內(nèi)容多，腐蝕和沉降情況較嚴重，因此，以G31204儲罐為研究對象，選擇該儲罐所在防火堤內(nèi)的區(qū)域進行研究。

表1 儲罐基本信息

2 模型的建立

2.1 幾何模型

通過FLACS在CASD模塊中應(yīng)用組合和差集命令，建立罐區(qū)等比例三維模型。本文以G31204儲罐所在防火堤內(nèi)區(qū)域為研究對象，該防火堤內(nèi)包含G31203、G31204兩個儲罐，由于罐區(qū)內(nèi)各設(shè)備間的連接管線復(fù)雜且細密，會增加建模和計算難度，因此，以能夠代表罐區(qū)典型儲罐實體為目標，綜合考慮罐區(qū)形狀以及計算機資源等條件限制，對部分結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的簡化，幾何模型見圖1。

圖1 罐區(qū)幾何模型

當儲罐發(fā)生泄漏時，汽油以液態(tài)形式從罐底板泄漏，由于其易擴散和易流淌性，會在地面迅速向四周擴展形成液池；同時，汽油吸收太陽輻射、環(huán)境風(fēng)和地面帶來的熱量，不斷揮發(fā)形成易燃易爆油蒸氣。FLACS采用pool模型計算汽油連續(xù)泄漏造成的液池擴展和重氣擴散兩個過程。

1)液池擴展

質(zhì)量守恒

(1)

動量守恒

(2)

比焓傳遞方程為

(3)

2)重氣擴散

汽油泄漏揮發(fā)形成的油蒸氣在大氣湍流的作用下沿下風(fēng)向擴散，主要受質(zhì)量、動量和能量守恒等方程的控制。

質(zhì)量守恒方程為

(4)

動量守恒方程為

(5)

式中，σij為應(yīng)力張量，N/m2；p為壓力，Pa；Fo,i、Fw,i為流動阻力，N；ρ0為空氣密度，kg/m3；gi為i方向的重力加速度分量，m/s2。

能量守恒方程為

(6)

混合組分方程為

(7)

式中，ξ為混合分數(shù)；σξ=0.7。

湍動能κ方程為

(8)

式中，κ為湍流動能，m2/s2；σκ=1；Gκ為阻力影響因素；ε為湍動能耗散率。

耗散率ε方程為

(9)

式中，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σε=1.3。

汽油泄漏導(dǎo)致的液池、油蒸氣兩相擴散過程極其復(fù)雜，為了簡化計算和分析，假設(shè)環(huán)境壓力恒定為101 325 Pa；泄漏速率保持恒定；泄漏擴散過程中，氣云溫度與環(huán)境溫度相同，不會發(fā)生熱量和能量的變化；計算區(qū)域內(nèi)不存在與汽油揮發(fā)形成的可燃氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。

根據(jù)該罐區(qū)的現(xiàn)場條件，設(shè)置溫度為27.5 ℃，風(fēng)向為西北風(fēng)(NW)，風(fēng)速為1.4 m/s，地面粗糙度為0.005 m，大氣穩(wěn)定度為F，太陽輻射通量為400 W/m2。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的G31204儲罐的易泄漏位置設(shè)置液池中心為(78 m，10 m，20 m)，泄漏量為20 kg/s，模擬時間設(shè)為200 s。為確保整個過程不會點燃，點燃時間設(shè)置為999 999 s。

本課題組在前期研究中借助了文獻[14]中的儲油罐泄漏擴散實驗對汽油儲罐泄漏液池擴散模型進行驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢一致，誤差為6.76%，表明該模型具有一定的可靠性[15]。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分對仿真結(jié)果的精確性與可靠性有重要影響，需要綜合考慮計算精度、工程計算量以及計算機性能等因素。網(wǎng)格的搭建在FLACS中的grid模塊進行，防火堤內(nèi)的區(qū)域為核心區(qū)域，大小為86 m×46 m×15 m，網(wǎng)格間距設(shè)置為1，為保證防火堤能被識別，要求防火堤的厚度不小于0.5 CV(控制體積)厚度。由于模擬過程中需要考慮到風(fēng)的影響，為減小邊界條件對模擬的影響，網(wǎng)格區(qū)域需適當加大，計算域在核心域的基礎(chǔ)上向外擴展為200 m×150 m×30 m[16]。為保證結(jié)果的準確性，需要對液池中心的網(wǎng)格進行密集型優(yōu)化，在泄漏位置處做局部加密處理，并使用smooth功能對密集網(wǎng)格及其周圍粗網(wǎng)格進行平穩(wěn)過渡處理，保證相鄰控制體積厚度遞差不大于30%。網(wǎng)格信息見圖2，模型總網(wǎng)格數(shù)量為518 568，網(wǎng)格模型如圖3所示。在本課題組前期的研究中，分別使用了網(wǎng)格大小為0.5和1的網(wǎng)格模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，結(jié)果表明兩種尺寸的計算結(jié)果差距很小[15]，因此該網(wǎng)格具有較好的獨立性。將核心區(qū)域網(wǎng)格大小設(shè)為1，既能提高計算速度，又能保證計算精度。

圖2 網(wǎng)格信息

圖3 網(wǎng)格模型

2.3 候選監(jiān)測點

在GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計標準》中規(guī)定：可燃氣體探測器距其所覆蓋范圍內(nèi)的任一釋放源的水平距離不宜大于10 m；檢測比空氣重的可燃氣體，探測器安裝高度應(yīng)距地坪0.3～0.6 m[17]。因此，候選監(jiān)測點的布局如圖4所示，其與液池中心的距離如表2所示，并且在同一點位的4個不同高度上(距地面0.3、0.4、0.5、0.6 m)分別布置監(jiān)測點，共設(shè)52個候選監(jiān)測點。

表2 候選監(jiān)測點位置

圖4 候選監(jiān)測點布局

3 可燃氣體探測器設(shè)置評估

汽油的爆炸下限(lower explosion limit，LEL)為1.1%，爆炸上限(upper explosion limit，UEL)為5.9%，本文用戊烷代替汽油進行模擬，其爆炸下限為1.4%，爆炸上限為7.8%。根據(jù)可燃氣體探測器選址需求設(shè)定臨界氣體濃度值作為探測器成功檢測的標志?？扇細怏w探測器報警設(shè)定值分為一級報警和二級報警，一級報警值為高限報警，是警示性報警，二級報警值為高高限報警，一旦發(fā)生須立即處理。GB/T 50493—2019規(guī)定可燃氣體探測器的一級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于25%LEL，二級報警設(shè)定值應(yīng)小于或等于50%LEL。同時，可燃氣體探測器報警值低于20%LEL會導(dǎo)致過多的干擾警報[18]?？紤]到安全性，設(shè)定一級報警值為20% LEL(0.002 8)，二級報警值為50% LEL(0.007 0)，可燃氣體的危險范圍(FMOLE)為0.002 8～0.078 m3/m3。氣體探測器響應(yīng)時間是指從探測器接觸被測氣體至達到穩(wěn)定指示值所用的時間，一般為達到穩(wěn)定指示值90%時的時間，GB/T 12358—2006規(guī)定可燃氣體探測器響應(yīng)時間在30 s以內(nèi)[19]。

汽油泄漏揮發(fā)形成的油蒸氣在大氣湍流的作用下與空氣混合形成可燃氣體，隨著可燃氣云的形成與擴大逐漸構(gòu)成一個危險但不可見的三維空間。圖5～7分別為風(fēng)場矢量、風(fēng)場流線以及可燃氣云擴散的三維結(jié)果?？梢钥闯?，由于儲罐的阻擋作用，氣流在儲罐的背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)漩渦及逆風(fēng)回流現(xiàn)象，導(dǎo)致儲罐背風(fēng)側(cè)風(fēng)速低，流場紊亂[20]。從圖7可以看出在風(fēng)的影響下，可燃氣體主要沿泄漏位置的西北方向擴散，當擴散至防火堤后被其阻擋，氣云沿防火堤擴散。

圖5 風(fēng)場矢量圖

圖6 風(fēng)場流線圖

圖7 可燃氣云擴散三維圖

在30 s內(nèi)被可燃氣云覆蓋的候選監(jiān)測點即為有效監(jiān)測點。從圖8可以看出，僅B、E、F、H、J、P位置處的監(jiān)測點能成功檢測到可燃氣體，它們分別距泄漏源9、3.6、2.8、1.4、8.5、3.6 m，有效監(jiān)測點報警時間見表3?？梢钥闯觯齁1的二級報警時間在30 s內(nèi)，其余有效監(jiān)測點的二級報警時間均超出30 s，因此為提高可燃氣體探測器的靈敏度，可適當降低報警閾值。

考慮到氣云擴散的對稱性，選擇B、E、F、H處的有效監(jiān)測點分別繪制水平方向和垂直方向的可燃氣體濃度時程曲線，如圖9、10所示。結(jié)合圖8和圖9分析監(jiān)測點安裝的水平距離：GB/T 50493—2019規(guī)定可燃氣體探測器應(yīng)設(shè)置在任一泄漏源的10 m范圍內(nèi)，距泄漏源13.6 m的監(jiān)測點A、距泄漏源12 m的監(jiān)測點K和距泄漏源16.8 m的監(jiān)測點L無法檢測到可燃氣體是合理的，但距泄漏源4 m的監(jiān)測點C、距泄漏源6.4 m的監(jiān)測點D、距泄漏源5 m的監(jiān)測點G和距泄漏源7.8 m的監(jiān)測點I也不能檢測到可燃氣體，因此說明標準中的規(guī)定不完善；從表3可知，在同一高度(監(jiān)測點距地面0.3 m)，距泄漏源下風(fēng)向1.4 m處的監(jiān)測點H1響應(yīng)時間最短(17.19 s)，其余依次為距泄漏源9 m處的監(jiān)測點B1(23.38 s)，距泄漏源3.6 m處的監(jiān)測點E1(24.59 s)，距泄漏源2.8 m處的監(jiān)測點F1(28.95 s)。因此，可燃氣體探測器的安裝位置并不僅僅是距泄漏源越近就能探測到可燃氣體，或者響應(yīng)時間最短，其設(shè)置應(yīng)遵循可燃氣體的擴散規(guī)律。從圖5～7可以看出，在該場景下，氣云在水平方向的擴散主要受風(fēng)向和防火堤的影響。

圖8 30 s時可燃氣云濃度分布

表3 有效監(jiān)測點報警時間

圖9 水平方向有效監(jiān)測點記錄的濃度時程曲線

根據(jù)模擬結(jié)果分析監(jiān)測點安裝高度：GB/T 50493—2019規(guī)定檢測比空氣重的可燃氣體時，探測器安裝高度宜距地坪或樓地板0.3～0.6 m，而在30 s內(nèi)，E、F、H、P處只有0.3 m高度的監(jiān)測點才能檢測到可燃氣體，B、J處0.3～0.5 m高度范圍內(nèi)能檢測到可燃氣體；從圖10中可以看出，同一水平位置的監(jiān)測點，高度越低報警時間越短。因此，在符合標準要求的安裝高度范圍內(nèi)，可燃氣體探測器設(shè)置高度越低，越有利于探測器迅速檢測到可燃氣體。建議可燃氣體探測器的最佳設(shè)置高度為0.3 m。

圖10 垂直方向有效監(jiān)測點記錄的濃度時程曲線

該罐區(qū)危險源G31204儲罐周圍現(xiàn)場設(shè)置的可燃氣體探測器與模型中監(jiān)測點H4位置相同，根據(jù)模擬結(jié)果可知，現(xiàn)場探測器的水平位置設(shè)置合理，但高度不合理，應(yīng)調(diào)整至距地面0.3 m處。此外，G31204儲罐附近只有1個監(jiān)測點，考慮到探測器失效、誤報警等情況，建議在其附近增設(shè)可燃氣體探測器。

4 結(jié)論

本文利用FLACS軟件建立某罐區(qū)汽油儲罐泄漏擴散CFD模型，根據(jù)現(xiàn)行最新標準GB/T 50493—2019在泄漏源周圍設(shè)置候選監(jiān)測點，并根據(jù)監(jiān)測點記錄的實時氣體濃度信息判斷其是否能在30 s內(nèi)達到報警閾值，以此對可燃氣體探測器的設(shè)置位置進行評估。結(jié)果表明：關(guān)于監(jiān)測點安裝的水平距離，部分距泄漏源10 m范圍內(nèi)的監(jiān)測點并不能檢測到可燃氣體，其設(shè)置應(yīng)遵循可燃氣體的擴散規(guī)律；關(guān)于監(jiān)測點的安裝高度，同一水平位置的監(jiān)測點，其高度越低報警越快，因此建議可燃氣體探測器的最佳設(shè)置高度為0.3 m。