池火環境下液化石油氣儲罐響應規律及影響因素

畢明樹 趙博 車威

大連理工大學化工學院

池火環境下液化石油氣儲罐響應規律及影響因素

畢明樹 趙博 車威

大連理工大學化工學院

有關液化石油氣(LPG)儲罐火災爆炸的研究,國內外研究者對池火環境下LPG儲罐的熱響應規律開展了大量的實驗研究和數值模擬工作,但研究結果尚難以給出通用規律。為此,利用FLUENT軟件建立了池火災環境下LPG儲罐熱響應模型,以英國HSE管理局現場實驗的臥式LPG儲罐為例進行了三維數值模擬,計算結果與實驗實測結果吻合較好。數值模擬結果表明:①池火環境下儲罐內介質溫度分布總體上呈現上部高下部低的趨勢,氣相及液相區的溫度分層明顯;②儲罐內介質壓力上升速率隨著充裝率的增大而增大;③LPG儲罐失效是由介質溫度升高導致的儲罐內介質壓力升高和氣相區壁溫升高導致的材料強度下降共同引起的。

液化石油氣 儲罐 池火 數值模擬 熱響應 影響因素 充裝率

外部高溫環境是引發LPG儲罐爆炸的主要原因。根據火焰對儲罐的包圍程度和加熱的均勻性,可將外部高溫環境分為噴射火和池火兩種情況。火焰向儲罐壁傳熱的方式為對流和熱輻射。池火情況下對流傳熱系數相對較低,熱輻射是主要的傳熱方式。研究火災環境下LPG儲罐內部的熱響應規律是分析、控制LPG儲罐爆炸事故的前提[1]。

國內外研究者對池火環境下LPG儲罐的熱響應規律開展了大量的實驗研究和數值模擬工作。淮秀蘭[2]等人將儲罐內部劃分為蒸汽區、分層區、邊界層區、過冷液體區和底部不穩定加熱區等5個區進行數值模擬,Eulalia Planas-Cuchi[3]研究了隨時間和空間(周向)變化的池火災溫度和熱輻射模型,邢志祥等人利用數值模擬軟件LPGTRS分析了初始充裝率、火焰溫度、安全閥、保溫層、儲罐大小等因素對LPG儲罐熱響應的影響[4]。有關這方面的工作仍然是一些特定工況下的研究結果,尚難以給出通用規律。火災環境下LPG儲罐火災爆炸災害的防治理論與技術仍然是學術界研究的熱點。本文擬通過建立合理的物理模型和數學模型,用FLUEN T軟件對池火環境下的LPG儲罐熱響應規律進行三維數值模擬計算,分析池火環境下LPG儲罐的熱響應規律。

1 模擬對象與模型處理

1.1 模擬對象

英國 HSE(Health&Safety Executive)管理局進行了LPG儲罐遭受池火的實驗。所用儲罐直徑為1 694 mm,體積為10.25 m3,具體參數見表1。

表1 實驗參數表

1.2 網格劃分

利用FLUEN T前處理軟件GAMBIT建立了儲罐模型和網格劃分。根據圓筒形儲罐的對稱性,取圓筒形儲罐的1/4,建立網格,圓筒部分采用非結構化六面體網格,固體區域采用結構化六面體網格,網格數量約120 000。

1.3 邊界條件

LPG儲罐受到外部池火作用時,火焰與儲罐壁通過對流和熱輻射兩種方式進行傳熱,其中熱輻射傳熱是主要的傳熱方式,對流傳熱系數很小。壁面的熱邊界條件選用對流和熱輻射混合作用。熱輻射溫度為火焰溫度,對流傳熱系數[5]按下式計算:

式中hc為對流傳熱系數;D為儲罐直徑,m。

2 計算結果與分析

2.1 有效性驗證

圖1、2所示分別為儲罐內部壓力響應過程和儲罐壁溫響應過程。由圖1可見,池火災作用下,儲罐壓力上升速度比較慢,原因在于均勻的池火與儲罐外壁間的對流換熱系數很小,主要依靠熱輻射作用傳熱;在300 s左右,儲罐內部壓力上升至安全閥的開啟值1.41 M Pa。圖2顯示儲罐最大壁溫的上升速度逐漸加快。總體而言,圖1、2顯示的模擬值與實驗值基本吻合,壓力響應和壁溫響應的最大誤差分別為19%和14.3%,偏差產生的主要原因可能在于簡化的火焰輻射模型難以與真實火焰對儲罐外壁的加熱條件達到完全一致。

圖1 儲罐壓力響應圖

圖2 儲罐最大壁溫響應圖

圖3、4分別為氣相介質和液相介質的溫度響應過程,計算值與實驗值吻合較好,最大誤差分別為4.5%和4%。其中,氣相取距離儲罐頂部50 mm處的介質溫度,液相取距離儲罐底部200 mm處介質的溫度。由圖3和圖4對比可知,液相介質的溫度升高較氣相介質緩慢,300 s內氣相介質和液相介質的溫度分別升高了63 K和11 K。原因在于一方面蒸汽的比熱容遠小于液相的[2];另一方面液相介質過熱后會通過相變將熱量轉化到氣相,使得液相介質本身儲存的熱量較少。

圖3 儲罐內氣相介質溫度圖

圖4 儲罐內液相介質溫度圖

2.2 溫度場分布

圖5所示為儲罐內不同高度處介質的溫度響應規律。可以看出,池火作用下儲罐內部存在熱分層現象,溫度總體呈現上高下低的趨勢。本文所模擬的LPG儲罐的初始充裝率為72%,對應的氣液分界面位于距儲罐頂部540 mm處。可見,氣相溫度明顯高于液相,且距離液面越遠氣相溫度越高,說明氣相除了通過相變吸熱外,還通過氣相壁面吸收輻射熱量;另外,在距離儲罐頂部1 350 mm以下的液相區,介質溫度降低明顯,說明過冷液體區與液相分層區[2]的分界面可能位于此處附近。

圖5 儲罐內部不同高度處介質溫度響應圖

2.3 影響因素分析

圖6為池火條件下不同充裝率對儲罐失效時間的影響。圖中顯示,4種充裝率的儲罐在池火作用下的失效時間分別為507 s、535 s、597 s、621 s。可見,池火災作用下,充裝率越高,儲罐失效時間越短。原因主要在于充裝率越高,氣相空間越小,從而由相變導致的壓力升高越快。總之,不同充裝率的LPG儲罐受池火侵襲破壞的時間范圍為500～620 s。

圖6 池火條件下不同充裝率對儲罐失效時間的影響圖

3 結論

利用FLU EN T軟件對處于池火災環境下的LPG儲罐熱響應過程進行了數值模擬,計算結果與實驗結果吻合。得出以下結論:

1)池火環境下儲罐內介質溫度分布總體上呈現上部高下部低的趨勢,氣相及液相分層區的溫度分層明顯,液相分層區下部為過冷液體區,該區液體溫度上升較慢。

2)儲罐升壓速率隨著充裝率的增大而增大。

3)池火作用下,LPG儲罐失效受到兩個因素控制,一是介質溫度升高導致的儲罐內介質壓力升高,二是氣相區壁溫升高導致的強度下降。兩條曲線的交叉點即為儲罐的失效點。儲罐內介質的充裝率越高,儲罐失效時間越短。

[1]B IRK A M,CUNN INGHAM M H.Liquid temperature stratification and its effect on BLEVEs and their hazards [J].Journal of Hazardous Materials,1996,48:219-237.

[2]淮秀蘭,俞昌銘.高溫環境下容器內液化氣的熱響應分析[J].河北理工學院學報,1996(1):24-29.

[3]EULAL IA PLANAS-CUCH I,JOAQU IM C.Modeling temperature evolution in equipment engulfed in a pool-fire [J].Fire Safety Journal,1998,30(3):251-268.

[4]邢志祥,常建國,趙曉芳.液化石油氣儲罐熱響應影響因素模擬分析[J].煉油技術與工程,2005,35(9):59-61.

[5]淮秀蘭,俞昌銘.高溫環境下未充滿的容器內液化氣的傳熱傳質分析[C]∥中國金屬學會第七屆熱能與熱工學術會議論文集:北京科技大學專輯.無錫:中國金屬學會,1993:46-51.

A numerical simulation study of thermal response and influencing factors of a LPG tank under a pool f ire

Bi M ingshu,Zhao Bo,Che Wei
(School of Chem ical M achinery,Dalian University of Technology,D alian,L iaoning 116011,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.100-102,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Related to the research of LPG storage tank exp losive accidents,a large number of experimental studiesand numerical simulation models have been made on the thermal response of LPG tanks under the fire environment by many scholars at home and abroad,but from their studies a general rule is still difficult to obtain.Therefo re,a model on the thermal response of a LPG sto rage tank under a pool firewas set up by the useof FLUENT,and three-dimensional numerical stimulation was carried outon a horizontal LPG tank by the UK Health&Safety Executive.The calculated results agree well w ith the measured results in actual measurements.From the numerical simulation,some conclusion are draw n on the thermal response and influencing factorsof a LPG tank under a pool fire:①The LPG temperature is higher on the top and lower in the bottom w ith an obvious lamination between gas and liquid;②The rising rate of LPG p ressure increasesw ith the LPG filling rate;③The failure of a LPG sto rage tank under a pool fire is controlled by two factors,one is the increasing LPGp ressure resulting from its rising temperature,and the other is the weakening of material strength caused by the rising temperature of the tank wall at the gas area w ithin the tank.

LPG,sto rage tank,pool fire,numerical simulation,thermal response,influencing facto r,filling rate

畢明樹等.池火環境下液化石油氣儲罐響應規律及影響因素.天然氣工業,2010,30(10):100-102.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.024

博士點基金資助課題“液化天然氣儲罐受熱爆炸機制研究”(編號:20090041110037);遼寧省高校重點實驗室基金(編號:20060129)。

畢明樹,1962年生,教授,博士生導師,博士;主要從事化工過程機械和安全技術及工程方面的研究工作。地址: (116011)遼寧省大連市英華街52號。電話:(0411)84708711。E-mail:bimsh@dlut.edu.cn

2010-05-31 編輯 趙 勤)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.024

BiM ingshu,p rofessor,bo rn in 1962,holds a Ph.D degree,beingmainly engaged in research ofmechanical and safety engineering in chemical p rocessing.

Add:No.52,Yinghua Street,Dalian,Liaoning 116011,P.R.China

Tel:+86-411-8470 8711 E-mail:bimsh@dlut.edu.cn