乙烯球罐區(qū)多源泄漏爆炸數(shù)值仿真

陳曉坤，李 鑫，王秋紅，蔣軍成，張明廣，羅振敏，王劉兵

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210009）

0 引 言

能源化工廠作為危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)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(shí)有發(fā)生。而儲(chǔ)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(yàn)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(duì)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(duì)Plate模型進(jìn)行修正，并使用修正模型模擬H2S泄漏事故，結(jié)合GIS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(duì)毒性氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jì)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(cè)氣體的上升擴(kuò)散，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證CFD計(jì)算結(jié)果的可靠性［3］；Li等使用CFX軟件對(duì)LNG燃料船中發(fā)動(dòng)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(cè)器的最優(yōu)位置［4］；Liu等分別對(duì)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(yàn)研究，確定了天然氣濃度分布和危險(xiǎn)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(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)H2泄漏的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并建立二維和三維Fluent模型驗(yàn)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(píng)估泄漏形成的可燃?xì)庠拼笮。?］；賈海軍等使用Fluent軟件，采用Navier-Stokes方程與RNG k-ε湍流模型，對(duì)車艙內(nèi)有害氣體（CO、NO2）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-ε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(jì)算出甲烷氣云非均勻濃度場(chǎng)，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(duì)開敞空間的LNG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(shì)之一［13］。Middha，Hansen等通過BAM實(shí)驗(yàn)、NASA氣體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)、Maplin Sands實(shí)驗(yàn)、Burro實(shí)驗(yàn)、Coyote實(shí)驗(yàn)等大量大型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)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CO2射流氣體的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，并使用FLACS軟件進(jìn)行了相應(yīng)模擬，驗(yàn)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(duì)H2，CO2等氣體的擴(kuò)散進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果顯示FLACS對(duì)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(duì)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(yàn)證了FLACS對(duì)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(duì)氣體擴(kuò)散的影響［22］；Huang等針對(duì)大型海上天然氣工廠建立多級(jí)爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，并利用FLACS軟件對(duì)天然氣海上工廠泄漏爆炸事故后果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析［23］；萬古軍等使用FLACS軟件對(duì)躉船LNG儲(chǔ)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(chǎng)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(gè)區(qū)域的超壓變化趨勢(shì)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(duì)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(shí)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(gè)液化天然氣儲(chǔ)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(duì)接時(shí)，因燃?xì)夤具`規(guī)施工，造成天然氣泄漏，存在3個(gè)泄漏源；2013年，江西省信豐縣一化工廠甲醇罐發(fā)生爆炸，對(duì)相鄰儲(chǔ)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(duì)罐區(qū)內(nèi)多源泄漏爆炸場(chǎng)景進(jìn)行模擬，對(duì)多源泄漏爆炸所造成的危害進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 模擬場(chǎng)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(tái)球型鋼制儲(chǔ)氣罐，每臺(tái)儲(chǔ)罐體積為2 000 m3（直徑15.6 m，罐外殼距地面5 m），儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)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(chǔ)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.

圖1 乙烯罐區(qū)幾何模型Fig.1 Geometry model of ethylene tank area

假設(shè)泄漏點(diǎn)位于儲(chǔ)罐底部，其中單源泄漏位置位于A儲(chǔ)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(duì)（+Y，-Y）、平行（+X，+X）、正交（+Y，-X）

1）泄漏方向相對(duì)及平行時(shí)，泄漏位置分別位于A儲(chǔ)罐和B儲(chǔ)罐底部，A儲(chǔ)罐和C儲(chǔ)罐底部，A儲(chǔ)罐和D儲(chǔ)罐底部，以儲(chǔ)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(shí)，泄漏位置分別為A儲(chǔ)罐和F儲(chǔ)罐底部，A儲(chǔ)罐和G儲(chǔ)罐底部，A儲(chǔ)罐和H儲(chǔ)罐底部，其Y軸方向上的距離分別為24.5，49.0，73.5 m，以儲(chǔ)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.

圖2 雙源泄漏不同泄漏方向示意圖Fig.2 Different leakage directions of two sources leakage

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(cè)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(jì)量比的均勻氣云體積［13］。Q9的計(jì)算公式為

式中V為可燃?xì)怏w體積，m3；BV為層流燃燒速度，m·s-1；E為在空氣中恒壓燃燒所產(chǎn)生的體積膨脹。

表1 乙烯氣體泄漏參數(shù)Table 1 Leakage parameters of ethylene gas

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(duì)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(jì)量比均勻氣云體積（Q9）隨泄漏時(shí)間的變化趨勢(shì)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(jì)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。

圖3 Q9與FLAM對(duì)比Fig.3 Comparison between Q9 and FLAM

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(gè)時(shí)，泄漏產(chǎn)生的射流間會(huì)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(duì)、平行、正交）所產(chǎn)生的氣云濃度分布級(jí)氣體流場(chǎng)XY切面圖如圖4所示。圖中灰色圓點(diǎn)為儲(chǔ)罐支柱及管道截面，因泄漏氣云覆蓋范圍有限，儲(chǔ)罐D(zhuǎn)，H所在區(qū)域未受到影響，因此未在圖中顯示。

圖4 不同泄漏方向形成的氣云濃度分布及流場(chǎng)分布（泄漏速度12 kg/s）Fig.4 Concentration distribution and velocity distribution of gas clouds formed by different leakage directions（Leak rate at 12 kg/s）

比較氣體濃度分布及流場(chǎng)圖可以看出濃度較低部分氣云其流速也較慢。從圖4（a），（d）可以看出，當(dāng)泄漏方向相對(duì)時(shí)，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?。粡膱D4（b），（e）可以看出，泄漏方向正交時(shí)，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(dòng)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(shí)，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(chǔ)罐中進(jìn)入空氣中時(shí)形成射流，而射流氣體與靜止空氣間存在動(dòng)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(shí)，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(jì)量比可燃性氣云體積（Q9）變化如圖5所示。

圖5 泄漏方向?qū)Φ挠绊慒ig.5 Influence of leakage direction on Q9

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(shí)，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(jì)量比可燃性氣云體積（Q9）變化如圖6所示?？梢钥闯?，在不同泄漏源分布方式下，均在泄漏源間距最?。?4.5 m）時(shí)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(shí)，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?yàn)樾孤┰撮g距較大時(shí)，卷吸作用對(duì)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(duì)所形成的等效化學(xué)計(jì)量比可燃性氣云體積影響較小。因此，對(duì)于泄漏方向?yàn)槠叫屑罢?，?dāng)泄漏源間距大于49 m時(shí)，泄漏氣體間距的影響可忽略不計(jì)。

4 泄漏誘發(fā)氣云爆炸模擬結(jié)果分析

當(dāng)儲(chǔ)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(shí)，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(shí)間設(shè)為100 s，當(dāng)模擬時(shí)間達(dá)到100 s時(shí)，火源處氣云達(dá)到爆炸極限則發(fā)生爆炸。

圖6 泄漏間距對(duì)Q9的影響Fig.6 Influence of distance between leakage sources on Q9

表2 火源位置及類型Table 2 Fire source locations and types

在每個(gè)儲(chǔ)罐表面各設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐表面的爆炸超壓變化，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖7所示。

統(tǒng)計(jì)各工況中所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中監(jiān)測(cè)到的最大爆炸壓力，儲(chǔ)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(shí)，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。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布截面圖Fig.7 Monitoring points distribution

圖8 泄漏氣云爆炸超壓Fig.8 Explosion overpressure of gas cloud induced by leakage

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(xiǎn)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(shí)，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(shí)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(duì)時(shí)的泄漏氣云間的影響最大。對(duì)于多源泄漏方向平行及正交時(shí)，當(dāng)泄漏源間距不小于49 m時(shí)，射流氣體間的影響極小，可忽略不計(jì)，因此，罐區(qū)發(fā)生泄漏事故時(shí)應(yīng)避免相鄰儲(chǔ)罐同時(shí)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(jì)應(yīng)充分考慮儲(chǔ)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(jí)為多源泄漏爆炸事故。