陳曉坤 李鑫 王秋紅 蔣軍成 張明廣 羅振敏 王劉兵

摘要：儲罐是儲存石油化工產(chǎn)物的重要組成部分，使用年限增長導(dǎo)致罐體腐蝕損耗或人為不當(dāng)操作等原因可能引發(fā)危險化學(xué)物質(zhì)泄漏。為研究球罐區(qū)乙烯氣體泄漏爆炸發(fā)展規(guī)律，使用CFD軟件FLACS對西安市某能源化工廠中的乙烯罐區(qū)泄漏爆炸事故危害進(jìn)行了定量評估，還原了罐區(qū)內(nèi)乙烯氣體單源及多源泄漏場景，并將泄漏所產(chǎn)生的不規(guī)則氣云耦合進(jìn)該軟件的氣體爆炸模塊，設(shè)置火源進(jìn)行氣體爆炸模擬，得到其爆炸超壓對各儲罐的影響。研究表明：泄漏產(chǎn)生的可燃性氣云大部分濃度較低，且該部分氣體流速較慢;多源泄漏不同射流氣體間通過卷吸及直接碰撞相互影響，減慢了泄漏氣體的擴(kuò)散，當(dāng)泄漏源間距較大時，該影響可忽略不計;單源泄漏發(fā)生爆炸產(chǎn)生的爆炸超壓僅為1. 63 -6. 87 KPa，多源泄漏發(fā)生爆炸時超壓顯著增大，為1.98 -20.37 KPa.該研究對罐區(qū)的安全管理及事故預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：乙烯;罐區(qū);泄漏;氣云;爆炸超壓

中圖分類號：TE 88

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672 -9315（2019）06 -0957 -08

DOI：10. 13800/j. cnki. xakjdxxb.2019. 0606 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

收稿日期：2019 -02 -22

責(zé)任編輯：楊泉林

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFC0800100 .2017 YFC0804702，2018 YFC0807900）

第一作者：陳曉坤（1961 -），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：xust__ .wolf_eade@ 126. com

通信作者：王秋紅（1984 -），女，陜西西安人，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：wangqiuhongl 025@ 126. com

O 引言

能源化工廠作為危險化學(xué)物質(zhì)儲存、運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，因人為因素及外界條件影響下而導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)泄漏事故時有發(fā)生。而儲存的化學(xué)物質(zhì)往往存在可燃性及毒性，一旦泄漏容易導(dǎo)致周邊人員中毒窒息及更嚴(yán)重的火災(zāi)爆炸事故。通過實(shí)驗進(jìn)行大尺寸裝置的氣體泄漏研究較為困難，因此，多采用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

對于氣體的泄漏爆炸，國內(nèi)外有大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Liu等對Plate模型進(jìn)行修正，并使用修正模型模擬H，S泄漏事故，結(jié)合Gls系統(tǒng)將模擬結(jié)果展示到地圖中[1];Lovreglio等在CFD氣體擴(kuò)散模型中加入人員疏散的影響以此來提高對毒性氣體泄漏風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性，使其更接近實(shí)際情況[2];Li等通過建立等效短管道模型計算海底管道氣體泄漏速率，然后通過歐拉·拉格朗日模型來預(yù)測氣體的上升擴(kuò)散，并通過實(shí)驗數(shù)據(jù)來驗證CFD計算結(jié)果的可靠性[3];Li等使用CFX軟件對LNG燃料船中發(fā)動機(jī)室中的天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬，探討布置氣體探測器的最優(yōu)位置[4];Liu等分別對封閉布局、分散布局和街道峽谷布局3種街道布局下的天然氣泄漏和擴(kuò)散規(guī)律的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗研究，確定了天然氣濃度分布和危險區(qū)域分布[5];柯道友等提出一種新型理論模型，可以在較短時間內(nèi)預(yù)測H2泄漏的擴(kuò)散和運(yùn)動規(guī)律，并建立二維和三維Fluent模型驗證理論模型的準(zhǔn)確性[6];王建使用Fluent軟件模擬罐區(qū)可燃性氣體（ CH4，H2，C3H8）泄漏，并提出水平方向最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離及高度方向最大直徑定量評估泄漏形成的可燃?xì)庠拼笮7];賈海軍等使用Flu-ent軟件，采用Navier-Stokes方程與RNG k-8湍流模型，對車艙內(nèi)有害氣體（CO、N02）泄漏擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到艙室內(nèi)有害氣體泄漏擴(kuò)散的一般規(guī)律[8];馬世海以某城市的實(shí)際情況為例，采用k-8湍流方程及SIMPLE算法，模擬不同風(fēng)速，不同管道壓力條件下的天然氣管道泄漏情況[9];楊石剛等利用Fluent軟件計算出甲烷氣云非均勻濃度場，將結(jié)果耦合進(jìn)AutoReaGas軟件，得到非均勻混合氣云爆炸溫度壓力等變量[10];任少云使用Fluent軟件分別對開敞空間的LNC汽化與空氣混合爆炸過程及密閉空間的甲烷與空氣混合爆炸過程進(jìn)行研究，得到壓力、溫度變化規(guī)律及火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律[11-12]。

在大量的CFD軟件中，F(xiàn)LACS軟件采用分布式多孔結(jié)構(gòu)（ distributed porosity concept）的思想表現(xiàn)幾何形狀是FLACS相比其他CFD工具的重要優(yōu)勢之一[13]。Middha，Hansen等通過BAM實(shí)驗、NASA氣體擴(kuò)散實(shí)驗、Maplin Sands實(shí)驗、Burro實(shí)驗、Covote實(shí)驗等大量大型實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證FLACS模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，證明了FLACS數(shù)值仿真結(jié)果的有效性[14-17];Schleder等進(jìn)行了CO：射流氣體的擴(kuò)散實(shí)驗，并使用FLACS軟件進(jìn)行了相應(yīng)模擬，驗證了FLACS模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[18];Fiates等使用OpenFOAM，CFX，F(xiàn)LACS軟件對H2，C02等氣體的擴(kuò)散進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，結(jié)果顯示FLACS對氣體擴(kuò)散的模擬結(jié)果更準(zhǔn)確[19];Yang等使用FLACS軟件還原2012年Gumi硫化氫泄漏事故，并將模擬結(jié)果與事故后果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)模擬得出的毒性氣體覆蓋范圍與事故后果相似[20];Zhao等針對煤氣化工廠爆炸事故進(jìn)行建模，模擬其爆炸過程，并與所觀察到的爆炸毀壞區(qū)域進(jìn)行比較，一定程度上驗證了FLACS對開敞空間中氣體爆炸適用性[21];Li等使用FLACS軟件通過模擬不同安全間距條件下天然氣氣體泄漏擴(kuò)散產(chǎn)生氣云的大小來研究安全間距對氣體擴(kuò)散的影響[22];Huang等針對大型海上天然氣工廠建立多級爆炸風(fēng)險評估方法，并利用FLACS軟件對天然氣海上工廠泄漏爆炸事故后果進(jìn)行風(fēng)險分析[23];萬古軍等使用FLACS軟件對躉船LNG儲罐及加液臂泄漏后果進(jìn)行模擬，確定LNG加注躉船與周邊建筑間的安全距離[24];凌曉東等建立環(huán)乙酮生產(chǎn)裝置全尺寸模型，模擬得到不同泄漏場景的環(huán)乙烷氣云的發(fā)展過程[25];王學(xué)岐等使用FLACS軟件從點(diǎn)火位置、阻塞度角度分析丙烷、丁烷、丙烯泄漏發(fā)生爆炸后的爆炸沖擊波火焰?zhèn)鞑デ闆r，得出爆炸后各個區(qū)域的超壓變化趨勢和規(guī)律[26]。

前人的研究多集中在單源泄漏及爆炸問題，而對于多源的泄漏擴(kuò)散問題少有研究。但化工廠及輸氣管道等遭遇意外事故及自然災(zāi)害時都有可能造成多源氣體泄漏，例如2011年日本大地震，千葉市一化工廠17個液化天然氣儲罐遭到破壞，引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi);2012年，襄陽市大慶東路主管道在與天然氣管道對接時，因燃?xì)夤具`規(guī)施工，造成天然氣泄漏，存在3個泄漏源;2013年，江西省信豐縣一化工廠甲醇罐發(fā)生爆炸，對相鄰儲罐造成嚴(yán)重破壞，引發(fā)多源泄漏。因此，文中使用FLACS數(shù)值仿真軟件對罐區(qū)內(nèi)多源泄漏爆炸場景進(jìn)行模擬，對多源泄漏爆炸所造成的危害進(jìn)行預(yù)測分析。

1 模擬場景及參數(shù)設(shè)置

以西安市某能源化工廠中的乙烯罐區(qū)為例，該罐區(qū)內(nèi)設(shè)8臺球型鋼制儲氣罐，每臺儲罐體積為2 000 m3（直徑15.6 m，罐外殼距地面5m），儲罐設(shè)計壓力為1.8 MPa.球罐間設(shè)有四架扶梯及若干管道，旁邊設(shè)有2間廠房，距球罐A，E的法向距離為14 m.其中Y方向上相鄰球罐球心間的距離為24.5 m，X方向上，A，E儲罐間距為35 m.本次模擬中不考慮風(fēng)速影響，設(shè)風(fēng)速為0.

假設(shè)泄漏點(diǎn)位于儲罐底部，其中單源泄漏位置位于A儲罐底部，泄漏方向分別設(shè)為+X，+Y雙源泄漏的泄漏方向分別為相對（+Y，-Y）、平行（ +X，+X）、正交（+Y，-X）

1）泄漏方向相對及平行時，泄漏位置分別位于A儲罐和B儲罐底部，A儲罐和C儲罐底部，A儲罐和D儲罐底部，以儲罐A，B泄漏為例，其泄漏方向如圖2（a），（b））所示。

2）泄漏方向正交時，泄漏位置分別為A儲罐和F儲罐底部，A儲罐和G儲罐底部，A儲罐和H儲罐底部，其Y軸方向上的距離分別為24.5，49.0，73.5 m，以儲罐A，F(xiàn)泄漏為例，其泄漏方向如圖2（c）所示，具體參數(shù)設(shè)置見表1.

2 乙烯氣體泄漏擴(kuò)散模擬分析

乙烯作為重要的石油化工基本原料，在合成材料方面使用廣泛。但其物理化學(xué)性質(zhì)決定其在發(fā)生泄漏后極易形成可燃性氣云。當(dāng)泄漏形成的可燃性氣體蒸汽云濃度在爆炸極限范圍內(nèi)（2.8%-36%），遇到火源極易發(fā)生氣體爆炸。因此，文中主要分析處于爆炸極限范圍內(nèi)的氣云擴(kuò)散規(guī)律。

FLACS中用FLAMkg表示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w質(zhì)量（不包括氣云中的空氣質(zhì)量），用FLAM來表示處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)庠企w積，用Q9來表示與真實(shí)氣云等效化學(xué)計量比的均勻氣云體積[13]。Q9的計算公式為

Q9=∑ V×BV×E/（BV×E）

（1）式中 v為可燃?xì)怏w體積，m3;BV為層流燃燒速度，m's

以單源泄漏，泄漏速度12 kg/s，泄漏方向+Y，多源泄漏，泄漏速度12 kg/s，泄漏方向相對為例，所產(chǎn)生的可燃性氣云體積（ FLAM）及相應(yīng)的等效化學(xué)計量比均勻氣云體積（ Q9）隨泄漏時間的變化趨勢如圖3所示。單源泄漏及多源泄漏所產(chǎn)生的真實(shí)可燃性氣云體積分別為12 908，32 198 m3，轉(zhuǎn)化為等效化學(xué)計量比均勻氣云體積分別為4 555，11 170 m3，體積的變化規(guī)律相似?？梢园l(fā)現(xiàn)不規(guī)則真實(shí)氣云轉(zhuǎn)換為均勻氣云體積變化較大，說明泄漏形成的可燃性氣云有極大部分的濃度較低。

3 乙烯氣體多源泄漏擴(kuò)散模擬分析

當(dāng)發(fā)生泄漏的泄漏源存在多個時，泄漏產(chǎn)生的射流間會相互影響，以泄漏速度為12 kg/s，泄漏源間距24.5 m為例，3種泄漏方式（相對、平行、正交）所產(chǎn)生的氣云濃度分布級氣體流場XY切面圖如圖4所示。圖中灰色圓點(diǎn)為儲罐支柱及管道截面，因泄漏氣云覆蓋范圍有限，儲罐D(zhuǎn)，H所在區(qū)域未受到影響，因此未在圖中顯示。

比較氣體濃度分布及流場圖可以看出濃度較低部分氣云其流速也較慢。從圖4（a），（cl）可以看出，當(dāng)泄漏方向相對時，泄漏氣體發(fā)生交匯，隨后向兩側(cè)開始擴(kuò)散，射流中心軸線上的氣體流速較快，而向兩側(cè)擴(kuò)散的氣體流速較小;從圖4（b），（e）可以看出，泄漏方向正交時，泄漏氣體飄散方向偏離了原來的中心軸線，隨后發(fā)生交匯融合后在不同方向的動量作用下向+XY方向擴(kuò)散;從圖4（c），（f）可以看出，泄漏方向平行時，兩股射流氣體偏離其射流中心軸線，相互靠近，這是由于泄漏氣體從高壓儲罐中進(jìn)入空氣中時形成射流，而射流氣體與靜止空氣間存在動量交換形成卷吸效應(yīng)，從而改變其原擴(kuò)散方向。因此，多源泄漏時，射流氣體間主要是由直接碰撞及卷吸效應(yīng)相互影響的。

以泄漏源間距為24.5 m為例，泄漏源不同分布方式，不同泄漏速度下所形成的等效化學(xué)計量比可燃性氣云體積（ Q9）變化如圖5所示。

從圖5可以看出，泄漏源不同分布方式下所形成的可燃性氣云體積變化一致，所形成的可燃性氣云總體積相差不大。多源泄漏所形成的可燃性氣云體積要大于2倍的單源泄漏所產(chǎn)生的可燃性氣云體積，說明多源泄漏時，氣體射流間相互影響，氣云間相互融合，使氣體的擴(kuò)散減慢，因此多源泄漏所造成的危害遠(yuǎn)大于單源泄漏。

以泄漏速度為12 kg/s為例，泄漏源不同間距下所形成的等效化學(xué)計量比可燃性氣云體積（ Q9）變化如圖6所示。可以看出，在不同泄漏源分布方式下，均在泄漏源間距最小（24.5 m）時達(dá)到最大，從圖6（b），（c）可以看出當(dāng)泄漏方向平行及正交時，泄漏源間距為49.0 m及73.5 m所產(chǎn)生的可燃性氣云體積大小相近。這是因為泄漏源間距較大時，卷吸作用對泄漏氣體的影響極小，而射流氣體間發(fā)生交匯融合部分的氣體流速較慢，濃度較低，對所形成的等效化學(xué)計量比可燃性氣云體積影響較小。因此，對于泄漏方向為平行及正交，當(dāng)泄漏源間距大于49 m時，泄漏氣體間距的影響可忽略不計。

4 泄漏誘發(fā)氣云爆炸模擬結(jié)果分析

當(dāng)儲罐發(fā)生泄漏，泄漏所產(chǎn)生的氣云濃度達(dá)到爆炸極限時，一旦遇到火源，極易發(fā)生爆炸事故，火源設(shè)置見表2.起火時間設(shè)為100 s，當(dāng)模擬時間達(dá)到100 s時，火源處氣云達(dá)到爆炸極限則發(fā)生爆炸。

在每個儲罐表面各設(shè)置6個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測儲罐表面的爆炸超壓變化，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置如圖7所示。

統(tǒng)計各工況中所有監(jiān)測點(diǎn)中監(jiān)測到的最大爆炸壓力，儲罐表面受到的最大爆炸超壓如圖8所示?？梢钥闯鰡卧葱孤┊a(chǎn)生的氣云發(fā)生爆炸的爆炸超壓較小，僅為1. 63 -6.87 KPa;而多源泄漏所產(chǎn)生的可燃性氣云發(fā)生爆炸時，爆炸超壓顯著增大，爆炸超壓達(dá)到1. 98 - 20. 37 KPa，可能造成的危害遠(yuǎn)大于單源泄漏。

5 結(jié)論

1）泄漏形成的可燃?xì)庠茲舛确植疾痪鶆?，僅在泄漏源附近濃度較高，危險性較大，且氣體流速成正比。根據(jù)FLACS軟件模擬結(jié)果可得到泄漏事故發(fā)生后的影響范圍，為罐區(qū)發(fā)生事故后的應(yīng)急響應(yīng)提供參考依據(jù)。

2）多源泄漏時，氣云間通過相互交匯融合及卷吸作用相互影響，減緩了氣云的擴(kuò)散，使雙源泄漏時所產(chǎn)生的可燃性氣云體積大于2倍的單源泄漏產(chǎn)生的可燃性氣云體積。其中泄漏方向相對時的泄漏氣云間的影響最大。對于多源泄漏方向平行及正交時，當(dāng)泄漏源間距不小于49 m時，射流氣體間的影響極小，可忽略不計，因此，罐區(qū)發(fā)生泄漏事故時應(yīng)避免相鄰儲罐同時發(fā)生泄漏。

3）多源泄漏發(fā)生爆炸強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單源泄漏，因此化工罐區(qū)的安全設(shè)計應(yīng)充分考慮儲罐間的安全距離，設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)措施，避免單源泄漏爆炸進(jìn)一步升級為多源泄漏爆炸事故。

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