某石化企業LPG球罐區泄漏擴散的數值模擬

劉春秀，易麗軍,2，陸小杰

(1 廣西大學資源與冶金學院， 廣西　南寧 530004；2 廣西高校礦物加工重點實驗室， 廣西　南寧　530004)

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某石化企業LPG球罐區泄漏擴散的數值模擬

劉春秀1，易麗軍1,2，陸小杰1

(1 廣西大學資源與冶金學院， 廣西南寧 530004；2 廣西高校礦物加工重點實驗室， 廣西南寧530004)

以某石油化工企業的LPG球罐罐區為研究對象，在對現場實際情況進行簡化和抽象的基礎上，采用ANSYS FLUENT軟件對LPG球罐區的泄漏擴散進行三維數值模擬計算。主要研究了不同風速條件下LPG擴散的變化規律，得出了風速對LPG球罐泄漏擴散的擴散方向、距離以及濃度產生的影響。該研究結果對球罐區的事故預防具有指導意義。

LPG；球罐；擴散；FLUENT；數值模擬

隨著社會的發展，液化石油氣(LPG)作為重要的燃料和工業原料，已廣泛應用于工業和民用的各個領域[1]。對于石化企業，儲存LPG的設備主要為儲罐，而球罐因其儲藏量大、耗材少、占地面積小、基礎工程簡單等特點，被廣泛應用于石油、化工、冶金等企業[2]。LPG具有易燃、易爆等危險特性，在運輸、儲存和使用的過程中易引發重大事故。尤其在LPG儲罐區，由于儲罐集中且儲存量大，一旦儲罐發生泄漏，帶有壓力的LPG從儲罐內泄漏流出，立即劇烈汽化，發生閃蒸。若未及時采取有效措施，易引發火災、爆炸事故，造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失。由于LPG儲罐泄漏擴散具有綜合性和復雜性，只靠實驗難以全面、細致的對事故發生的機理進行研究。因此，在實驗研究的基礎上進行數值模擬研究。

1　計算模型的建立

1.1罐區基本情況概述

某石化企業位于廣西欽州港工業區內。儲罐區位于廠區的西北部，包括原料罐區、產品罐區和LPG球罐區。其中LPG罐區中有8個容積為1000 m3的LPG球罐，球罐主要設計參數及結構尺寸見表1。

LPG的泄漏擴散受到當地氣象條件(風速、風向、氣溫、濕度以及氣壓等)的影響，該廠區的氣象條件見表2。

表1　球罐主要設計參數及結構尺寸

表2　廠區的氣象條件

1.2數學物理模型的建立

1.2.1幾何模型

為便于模擬與分析，選取X、Y軸方向平行于水平地面，Z軸方向垂直于水平地面，使用Workbench的Geometry模塊建立LPG儲罐泄漏擴散的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1　LPG球罐區泄漏擴散模擬計算模型

模擬計算區域為225 m×125 m×50 m的長方體區域，區域內包括8臺容量為1000 m3的LPG球罐(R1～R8)，球罐半徑均為6.15 m。球罐R1的中心位于(0,0,0)， X方向上相鄰兩球罐中心距離均為19.3 m，Y方向上相鄰兩球罐中心距離均為24.3 m，球罐底部距離地面高度為1.85 m。圖1中，面F1為風流入口，面F2、F3、F5、F6均為氣體出口，面F4為地面。其中面F1到R1中心的距離為75 m，面F5到R1中心的距離為50 m。泄漏口位于球罐R1的底部，半徑為0.1 m，泄漏速度為250 m/s。氣象參數分別選取：氣溫為300 K、大氣壓為標準大氣壓(101.325 kPa)、風向為北風。設風速方向為X軸正方向。

利用ANSYS ICEM CFD軟件將計算域進行非均勻的混合網格劃分，球罐周圍采用邊界層網格，并且為了提高模擬計算的精度，對泄漏口附近以及球罐區域的網格進行加密處理。

1.2.2湍流模型

k-ε兩方程模型是用途最廣的湍流數值模型，包括標準k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型[3]。Realizable k-ε模型不僅比標準k-ε模型在質量分數分布上有著更好的精度，而且在預測由重力和氣體擴散引起的質量分數波動時更符合試驗結果[4]。因此本文采用Realizable k-ε模型，模型中關于k和ε的方程如下[5-6]:

(1)

(2)

式中，σk=1.0，σε=1.2，C2=1.9。

2　數值模擬結果與分析

圖2　不同風速下地面的LPG質量分數等值線圖

LPG儲罐的泄漏擴散受到當地氣象條件的影響，其中風速對LPG泄漏后擴散具有很大的影響。因此，本文主要研究風速對LPG泄漏擴散的影響。分別對不同風速(0 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s五種情況)下LPG的泄漏擴散情況進行三維數值模擬，分析泄漏擴散60 s時LPG氣云的擴散規律，研究風速對其擴散的影響。圖2為不同風速下地面的LPG質量分數等值線圖。

由圖2可以看出，無風條件下，泄漏出的LPG以泄漏口為中心向四周擴散，氣體擴散以泄漏口為中心向周圍擴散，并且質量分數大致呈對稱分布。有風條件下，泄漏出的LPG隨著風流向下風向運動，并緩慢的沿著下風向擴散，并且氣云出現分叉特征。風流對擴散方向產生了影響，將泄漏氣體向下風向輸送。

同時風流對擴散距離也產生了影響：風速越大，氣體擴散速度越快，氣云在下風方向擴散的距離會隨著風速的增加而增加。例如，風速為10 m/s時，氣云能到達的最遠距離明顯比風速為5 m/s時的大。隨著風速的不斷增大，當風速達到某一值時，風對LPG氣云的稀釋作用成為影響LPG氣云擴散的主要因素，此時LPG氣云在下風方向可達到的距離反而會隨著風速的增大而減小，如圖2所示，當風速為30 m/s時，擴散的距離明顯比20 m/s時小。

圖3為不同風速下沿X軸上地面LPG質量分數的變化曲線。

圖3　不同風速下沿X軸上地面LPG質量分數的變化曲線

由圖3可以看出，隨著沿X方向距離的增加，LPG的質量分數逐漸減小。這是由于隨著風速的增大，大氣的湍流程度也在增大，空氣的稀釋作用也增強，泄漏的LPG越容易被稀釋，這樣一來就會降低下風向氣體的質量分數，且風速越大，下風向同一位置的質量分數越低。例如，下風向X=20 m處LPG的質量分數，風速為5 m/s時約為3.25%， 10 m/s時約為1.25%， 20 m/s時約為0.40%， 30 m/s時約為0.09%。

圖4為不同風速下X=8 m處沿Y方向上地面LPG質量分數的變化曲線。

圖4　不同風速下X=8 m處沿Y方向上地面LPG質量分數的變化曲線

由圖4可以看出：在Y方向上，以泄漏孔為中心，隨著兩側離泄漏口距離的增加，LPG的質量分數逐漸減小，并且風速越大，質量分數減小的速度越快，氣體在Y方向上擴散的距離越小。這是由于隨著泄漏的進行，氣云變得越來越寬，氣云兩側受到風流的影響越來越大，尤其是氣云最外側的部分，由于質量分數小密度輕，受風流的影響最嚴重，使得氣云兩側在順風向的擴散速度明顯高于中間部分，而向橫風向的擴散速度越小，故擴散的距離越小。

圖5為不同風速下 X=8 m,Y=0 m處垂直高度上LPG質量分數的變化曲線。

圖5　不同風速下X=8 m,Y=0 m處垂直高度上LPG質量分數的變化曲線

由圖5可知：隨著垂直地面方向上高度的增加，LPG質量分數逐漸降低，當高度增加到一定值時，LPG質量分數變化較小。在靠近地面的位置，LPG的質量分數要比遠離地面位置的質量分數高，這說明LPG主要沿地面擴散。這是由于LPG比空氣重，泄漏后會向下沉降，擴散沿地面移動。因此，在地面附近，人員的活動頻繁，并且焊接作業、摩擦靜電等點火源出現的可能性高，引起火災爆炸的危險性高，因此LPG儲罐泄漏擴散的危害范圍主要是在近地面區域。

3　結　論

本文運用計算流體力學ANSYS FLUENT軟件對LPG球罐區泄漏擴散情況進行了三維數值模擬，研究了不同風速情況下對LPG泄漏擴散的影響，結果表明：

(1)風速對LPG泄漏的擴散方向、擴散距離和濃度分布產生影響。風流將泄漏氣體向下風向輸送，并緩慢沿下風向擴散。隨著離泄漏口距離的增加，LPG的質量分數逐漸減小。風速越大，所形成的氣云向下風向擴散的距離越大，質量分數減小的速度越快。但當風速達到一定值時，由于空氣的稀釋，氣云的擴散距離反而減小。

(2)LPG屬于重氣，主要沿地面擴散。LPG的質量分數隨著垂直高度的增加而逐漸降低。

[1]孫文棟,方江敏.LPG儲罐火災爆炸事故后果模擬方法研究[J].工業安全與環保,2009, 35(12):44-47.

[2]居建龍,張明.LPG球罐的全面檢驗和缺陷分析[J].科技傳播,2011(6):105-106.

[3]姜昉.易燃氣體泄漏擴散過程的數值模擬研究[D].北京:首都經濟貿易大學,2008.

[4]S.M. Tauseef, D. Rashtchian, S. A. Abbasi. CFD-based simulation of dense gas dispersion in presence of obstacles [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011,24: 371-376.

[5]王建.儲罐區可燃氣體泄漏擴散模擬及爆燃災害評估[D].大連:大連理工大學,2013.

[6]寧平,張朝能,沈武燕.危險品泄漏的風洞實驗與數值模擬[M].北京:冶金工業出版社,2010:80-84.

Numerical Simulation of LPG Spherical Tank’s Leakage Diffusion in A Petrochemical Enterprise

LIUChun-xiu1,YILi-jun1,2,LUXiao-jie1

(1 College of Resources and Metallurgy, Guangxi University, Guangxi Nanning 530004;2 Key Laboratory of Mineral Processing in Guangxi University, Guangxi Nanning 530004, China)

Taking some petrochemical enterprise of LPG spherical tank and tank farm as the research object, based on the actual situation to simplify and abstract, using ANSYS FLUENT software for leakage of LPG spherical tank area spread 3-d numerical simulation, the change rule of LPG diffusion at different wind speeds was mainly studied. It was concluded that the wind speed had an effect on the LPG spherical tank leakage diffusion direction, distance, and concentration. The results of the study have guiding significance for the prevention of tank area accident.

LPG; spherical tank; diffusion; FLUENT; numerical simulation

劉春秀(1989-)，女，廣西大學安全科學與工程專業碩士研究生，主要研究方向為工業安全。

X937;TE88

A

1001-9677(2016)010-0182-03