臨港苯儲罐連續泄漏擴散及其后果的數值仿真

黃煥東 岑志波 沈正祥 彭 旭 王 杜 李 斌 陳 虎

（1.寧波市特種設備檢驗研究院；2.南京理工大學化工學院）

苯是石油化工產業的基本原料，易燃、易爆且具有毒性。在生產、儲存及運輸等過程中，苯儲罐及其管道不可避免地會發生意外破損或斷裂事件。尤其在臨海或臨港環境下，受海洋氣候的影響，儲罐常伴有嚴重的腐蝕減薄、點蝕穿孔和開裂現象［1］。苯儲罐發生泄漏，如未及時采取應急措施，極有可能引發大規模的火災、爆炸和中毒事故，安全風險極大［2，3］。因此，針對儲罐泄漏事故后果的研究顯得十分重要。張瀚勻等利用重大危險源定量風險評價軟件CASST-QRA，計算了丁二烯儲罐泄漏事故的影響范圍［4］。潘東通過重大危險源安全評價方法，建立了液氨儲罐泄漏事故后果模型，并提出技術改造建議［5］。在苯儲罐泄漏事故研究方面，楊繼星等基于BP神經網絡構建了苯儲罐泄漏事故風險評價模型［6］；劉堃以河南某工廠苯儲罐區為例，對低風速下儲罐泄漏事故過程進行數值模擬［7］；王曉艷等利用SLAB模型預測了苯儲罐泄漏引發火災爆炸事故的危害范圍，并提出相應的風險防范措施［8］；許潔提出基于CFD模擬的苯罐區安全評估和應急預防措施［9］。綜上所述，盡管學者對危化品儲罐泄漏及其后果已開展大量研究，但關于臨港極端天氣尤其是強風條件下，苯儲罐泄漏及其擴散過程的報道并不多見。

為此，筆者基于流體動力學Fluent軟件，開展典型臨港環境（弱、強風條件）下苯儲罐泄漏擴散過程的數值仿真，并分析其爆炸和毒性危害范圍，為苯罐區泄漏事故應急處理提供技術參考。

1 苯儲罐泄漏氣體擴散數學模型

1.1 控制方程

苯儲罐泄漏常會形成比空氣重的氣云，其擴散過程可由重氣擴散模型表述，其控制方程［10］如下：

式中 cp——定壓比熱容；

cs——組分s的濃度；

gi——重力加速度；

i、j——不同物質；

K——傳熱系數；

p——微元體上的壓力；

ST——粘性耗散項；

t——時間；

T——溫度；

u，v，w——x，y，z方向的速度矢量分量；

μ——空氣的動力黏度；

ρ——苯的密度；

ρa——空氣的密度。

1.2 湍流模型

采用經典的RNG k-ε湍流模型，既可以準確描述流體的高速流動，又考慮了渦流對湍流的影響。在湍動能k方程的基礎上，引入一個耗散率ε方程，其中ε方程做了適當修正，用于提高模擬計算的精度。

主要形式如下［11］：

式中 Gb——浮力產生的湍流動能；

Gk——平均速度梯度引起的湍流動能；

S——用戶定義的源項；

Ym——可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻；

σ——流體普朗特數。

其中，湍流黏度C1ε取1.44，C2ε取1.92，C3ε取0.92。

2 數值模型

2.1 工程案例

以浙江某港區苯儲罐泄漏事件為工程背景，圖1為事發罐區的平面示意圖，苯儲罐區四周筑有防火堤，高度1.5 m，兩邊配備泡沫池、消防池、泵房及配電房等設施。儲罐結構為內浮頂式，直徑15.6 m，高度16.2 m，容積3 000 m3。事故儲罐位于罐區的東南角，結構發生嚴重腐蝕，破壞區域距地面約1 m，經測算可等效為200 mm泄漏孔徑。

圖1 苯儲罐區示意圖

2.2 計算域網格劃分和邊界條件

圖2所示的整個計算域尺寸為700 m×200 m×30 m，采用ICEM軟件進行網格劃分，首先生成四面體網格，后導入Fluent軟件轉為多面體網格。由于泄漏孔相對于計算域來說較小，故對泄漏區域進行局部網格加密，并與周圍光滑過渡銜接。最終生成的網格總數為134萬，進行網格光順優化后檢查網格質量良好，扭曲度在0.8以下，滿足計算需求。

圖2 幾何模型與局部網格劃分

苯儲罐泄漏擴散事故通常可分為源泄放、重氣擴散和大氣擴散3個階段，環境風速對儲罐附近的流場分布和危險氣體濃度有著重要影響。對港口區域的氣象資料進行采集分析，發現正常的平均風速范圍為2.9～4.5 m/s。每年7～9月份易受臺風的影響，其中強臺風占82%，最長持續時間為2～3 d，強風向的最大風速可以達到29.0～36.0 m/s［12］。基于以上分析，筆者選取兩種典型的速度（弱風3.3 m/s，強風30.0 m/s）作為初始邊界條件，風向不變。苯儲罐泄漏方式為大孔洞泄漏且垂直裂口向外，泄漏孔徑設定為200 mm，持續泄漏且源強經估算約為100 kg/s。采用SIMPLEC算法求解控制方程的壓力-速度耦合項，流場采用速度進口和壓力出口條件，質量流量輸入值設定為100 kg/s。環境條件通過UDF文件導入，且沿x軸方向水平輸入，環境溫度設定為27℃。

3 仿真結果與分析

3.1 弱風條件下泄漏擴散過程的數值仿真

圖3為弱風條件下苯儲罐泄漏擴散后果的數值仿真結果，由不同時刻苯濃度空間分布可知，當泄漏發生5 s后，苯在罐區內大面積流淌并揮發形成苯氣云團，擴散至防火堤，在風速作用下，部分苯氣云團輕微抬升并越過堤墻；泄漏發生15 s后，苯氣云團已覆蓋下風向的泵房和配電房，開始影響周圍環境；泄漏發生50～100 s后，苯氣云團影響范圍繼續擴大，并開始受大氣湍流影響。整體而言，苯氣云團沿障礙物周圍向下風向擴散，經過一段距離后，逐漸向地面沉降，呈現典型的重氣云湍流擴散特征。

圖3 弱風條件下苯儲罐泄漏后果的數值仿真結果

由圖4a所示苯氣云團濃度平面分布云圖可知，由于防火堤的作用，近場泄漏的苯大多聚集在鄰近儲罐和防火堤底部區域。隨著泄漏時間延長，苯氣云團開始越過防火堤并向下風向擴散，100 s后泄漏基本達到穩定狀態。泄漏產生的苯氣云團中心濃度高于四周，近似三角形態分布。圖4b為泄漏孔下風向苯氣云團濃度（質量分數）的變化特征，可看出苯含量在罐區內較高，而在防火堤外則逐漸降低。由于存在障礙物，部分低高度的曲線出現間斷。在泄漏孔下風向200 m距離內，由于障礙效應存在流動死區，近地面苯氣云團濃度呈現先下降后上升的趨勢；200 m范圍外隨著離地高度的增加，苯氣云團被不斷分散稀釋，近地面沉降效應明顯。

圖4 弱風條件下典型時刻（t=100 s）苯濃度的分布特征

3.2 強風條件下泄漏擴散過程的數值仿真

圖5為強風條件下苯儲罐泄漏擴散后果的數值仿真結果。由圖5可以看出，在強風的作用下，苯氣云團向下風向擴散，空氣的輸送作用加強，苯氣云團從相鄰儲罐兩側迅速通過，重力影響變小，呈狹長帶狀分布。另外，除在苯儲罐罐體與防火堤周圍的苯濃度較高外，泄漏的苯氣云團被快速地稀釋和消散。

圖5 強風條件下苯儲罐泄漏后果的數值仿真結果

圖6a為強風條件下儲罐泄漏50 s后苯濃度的等值線，可看出高濃度區域仍然出現在近場，防火堤以外濃度則逐漸下降。由于風速較高，空氣的湍流效應加強，揮發的苯氣云團與大氣劇烈混合并迅速擴散，稀釋速度加劇。圖6b為泄漏孔下風向苯氣云團濃度的變化曲線，障礙物的存在同樣導致部分曲線出現間斷，可看出風速較大時，近地面濃度總體變低。與弱風速條件相比，泄漏后50 s左右濃度曲線即基本穩定。擴散穩定后，相同距離處的苯氣云團濃度明顯更低。

圖6 強風條件下典型時刻（t=50 s）苯濃度的分布特征

3.3 毒性危害分析

毒性危害后果主要由濃度和接觸時間共同決定，當前國外主要通過緊急事故中毒性物質危害評估和暴露評估來完成風險表征，故閾值參數可作為評估人類健康危害的重要依據［13］。由于環境對苯氣云團稀釋較快，因此選擇“特異性靶器官毒性一次性接觸：吸入麻醉作用的閾值13 000 mg/m3”當作工業緊急事故中人吸入高濃度苯引起急性中毒的臨界值［14］。

根據圖7可知，弱風條件下苯氣云團泄漏100～600 s時，苯儲罐下風向逐漸形成較大范圍的毒性危害區（黑色區域），而在強風作用下，苯毒性傷害區則變為狹長帶形狀，空氣擾流明顯減緩苯氣云團的聚集，毒害范圍減小（圖8）。由此可知：毒害范圍與泄漏速率、風速等因素密切相關，泄漏速率越大，其毒害范圍越大；當泄漏速率一定時，隨著風速的增加，稀釋作用明顯，毒性危害程度降低。

圖7 不同風速下毒性危害等值面變化

圖8 風速對毒性危害范圍的影響

3.4 爆炸危害分析

圖9為不同風速下苯氣云團爆炸濃度下限（質量分數3.16%）等值面變化過程，三維等值面與地表相連接。由圖9a～c可以看出，在弱風作用下，距事故儲罐越遠，苯氣云團擴散的水平面積越大，豎直方向上則面積變小。爆炸濃度下限等值面在泄漏后100 s左右開始逐漸穩定，此時到泄漏口的最大距離約240 m。相對而言，強風作用下（圖9d～f）苯氣云團擴散較快，爆炸濃度下限等值面僅局限在泄漏孔外50 m范圍內，且因障礙物的影響分布不均勻。總體來看，在泄漏面積相同的情況下，弱風有利于泄漏的苯氣云團擴散，爆炸危險區域較大。強風對苯氣云團的稀釋和輸送作用均會增強，達到擴散穩態所需時間縮短，相應的爆炸危險區范圍也較小。

圖9 不同風速下爆炸濃度下限等值面變化

爆炸極限濃度范圍內苯氣云團若遇到點火源，極易發生化學爆炸，并以爆炸火球或沖擊波形式對周圍環境形成破壞［15］。根據經典的蒸氣云 爆 炸（BLEVE）火 球 熱 輻 射 模 型［16，17］，假 設 苯氣云團中心點火，不同風速下爆炸火球熱輻射危害范圍取決于苯氣云團中實際被引爆的燃料質量。

如圖10所示，弱風條件下爆炸火球的最大半徑約20.71 m，熱輻射致死范圍可達28.14 m。隨著風速變大，大氣稀釋擴散加劇，云團尺寸變小，導致爆炸火球半徑減小，相應的熱輻射致死范圍縮小至8.76 m左右，危害區域縮小。爆炸沖擊波可基于TNT當量法進行估算［18，19］，其危害后果可參照沖擊波超壓破壞準則來確定。圖11為泄漏后苯氣云團爆炸沖擊波的危害范圍，可以看到，弱風條件下爆炸沖擊波的致死半徑為21.99 m，財產損失區可達70.88 m；當風速增加至30.0 m/s（強風條件）時，苯氣云團被進一步稀釋，參與爆炸反應的燃料質量變少，沖擊波致死半徑降至9.31 m，財產損失范圍變為29.95 m。由此可見，氣象條件對苯氣云團爆炸危害程度有著顯著的影響，風速越低，危險性越大，相應的儲罐泄漏事故應急處置和疏散任務也越重。

圖10 不同風速下熱輻射危害范圍

圖11 不同風速下爆炸沖擊波危害范圍

4 結論

4.1 以某臨海港口苯儲罐區為研究對象，利用Fluent軟件建立儲罐區三維模型，對強/弱風條件下苯儲罐泄漏擴散的動態過程進行數值仿真。風速較低時，苯氣云團越過防火堤向下風向擴散，并逐漸向地面沉降，毒性危害區域較大；強風作用下，苯氣云團被快速稀釋和消散，毒性危害區域縮小。

4.2 基于三維仿真結果，提取苯氣云團爆炸極限濃度內可燃物質量，對爆炸火球熱輻射和沖擊波影響范圍進行估算。風力對苯氣云團爆炸危害后果作用明顯，強風導致爆炸火球尺寸和熱輻射致死范圍變小，相應的爆炸沖擊波危害范圍也變小，危險性降低。