油氣化工碼頭道路上LPG 罐車泄漏擴撒數值模擬分析

張志斌，葉繼紅

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316000）

LPG 作為清潔能源，熱值高，且不產生污染物和煙塵，被廣泛應用。LPG 通過油輪運至油氣化工碼頭，由LPG 罐車進行轉運。LPG 罐車罐體內壓較大，泄漏時LPG 立即氣化并快速擴散。由于LPG 本身具有易燃、易爆以及有毒等特性，在運輸過程中不慎泄漏，極易發生火災爆炸事故，造成人員傷亡和財產損失。如2020年6·13 溫嶺LPG 罐車爆炸事故，致使20 人死亡，175 人送醫，損失高達9500 萬元。

針對LPG 罐車發生泄漏導致事故的機理、類型、嚴重程度等方面已有學者進行研究。繆燦亮等[1]利用PHAST 軟件來模擬LPG 儲罐泄漏后的事故后果。根據事故后果劃分人員死亡、重傷、輕傷半徑。俞志東[2]運用PHAST 軟件對LPG 儲罐泄漏進行模擬研究，探討不同泄漏孔徑、季節等對泄漏范圍的影響，并對事故可能造成的后果進行分析。

綜上所述，以油氣化工碼頭內道路為背景，利用FLUENT 軟件研究LPG 罐車在公路運輸過程中發生泄漏事故及可能導致的后果，對后期預防和控制LPG 罐車泄漏擴撒及火災爆炸事故的發生具有重要的理論價值和現實意義。

1 LPG 罐車泄漏模擬

1.1 模擬軟件介紹

20 世紀80 年代美國FLUENT 公司開發出商用CFD分析軟件FLUENT，時至今日FLUENT 是普及最廣的CFD 軟件[3]。FLUENT 可以模擬二維、二維軸向和三維流動，計算和分析不同特性的流體流動，如層流和湍流、可壓縮和不可壓縮流[4]。

1.2 LPG 罐車泄漏擴撒計算模型

以浙江某油氣化工碼頭道路為例，根據現場調研，對所需條件進行簡化，選取區域為長200m 寬135m 高50m 的三維空間為計算域，其中高速路為雙向六車道，中間由1.5m 的綠化帶隔開，道路兩旁有高寬0.8m×0.2m的護欄。路右側50m 位置有長寬高為12m×8m×15m的集裝箱堆，間隔7m。本文將LPG 罐車簡化成距地面0.6m 的直徑2.5m 長13m 的圓柱體儲罐（泄漏口于罐尾距地面1.65m 直徑為0.05m 的圓孔），將大貨車、小轎車同理進行簡化。

利用ICEM CFD 軟件對模型進行非均勻（四面體）網格劃分，對泄漏口位置進行網格加密。如圖1 所示。

圖1 模型網格劃分

1.3 LPG 罐車泄漏控制方程

本文研究LPG 在給定的條件下的擴散過程。在整個泄漏擴散過程中遵從連續性、能量、動量三大守恒方程，基本控制方程可表示如下[5]：

1.4 初始條件設定

初始狀態下，區域內無LPG。泄漏速度設定為20m/s、30m/s、50m/s；風沿下風向（-Z 方向），速度為0 m/s、3 m/s、5m/s、10 m/s；環境溫度為10℃、20℃、30℃、40℃。LPG 泄漏時屬于湍流狀態，選用Realizable模型。采用SIMPLE 計算方法進行模擬計算，步長設為1s，每秒迭代20 次，計算10 分鐘內LPG 罐車發生泄漏擴散的過程。

2 模擬結果分析

2.1 泄漏速度對LPG 罐車泄漏擴撒影響

圖2 為不同泄漏速度（20m/s、30 m/s、50m/s）下ZX 平面（地面）LPG 濃度云圖。通過圖2 從圖中看到，LPG 從罐車罐體泄漏，隨著擴散時間的向前推進，LPG云團沿地面往下風向運動，云團影響的區域在増大，濃度降低。

圖2 ZX 平面（地面）LPG 云團濃度分布圖

圖3 為不同泄漏速度條件下，地面沿Z 軸上LPG云圖的濃度變化曲線。可以看出，泄漏速度為20m/s 時最大，約為4.6%，擴撒距離約為118m；泄漏速度為50 m/s 時最小，約為3.1%，擴撒距離大于130m。可見，在初始動能和重力作用下，泄漏速度越大，云團最大濃度越小，Z 軸方向上擴散的距離越大。

圖3 不同泄漏速度下地面沿Z 軸上LPG 氣云濃度變化曲線

2.2 風速對LPG 罐車泄漏擴撒影響

研究風速為0m/s、3 m/s、5 m/s、10 m/s 時，以泄漏速度為30m/s，溫度為30℃，風向為下風向（-Z 方向）進行模擬仿真。圖4 為無風和有風狀態下ZX 平面（地面）LPG 云團的濃度分布圖。

圖4 ZX 平面（地面）LPG 云團濃度分布圖

通過圖4 可以看出，無風時，LPG 由泄漏口泄漏出來后，向四周進行擴散，距離越遠，云團的濃度減小。有風時，泄漏的LPG 云團沿下風向擴撒。風速增大，LPG 擴散速度越快，云團擴散的距離隨風速的增加而增大。當風速大于5m/s，云團的擴撒距離基本保持不變，這是由于在空氣湍流作用下，LPG 云團逐漸被轉化成非重氣，因此擴撒范圍與距離基本不會發生改變。

圖5 為不同風速下，地面沿Z 軸方向上LPG 云團的濃度變化曲線圖。由圖5 可知，無風時，LPG 云團的最大濃度約為4.1%，擴撒最遠距離約為126.3m；風速為3m/s 時最大，云團濃度約為0.9%，擴撒最遠距離大于130m；風速為10 m/s 時最小，云團濃度約為0.2%，擴撒最遠距離大于130m。

圖5 不同風速下地面沿Z 軸方向上LPG 云團的濃度變化曲線圖

3 結論

（1）不同泄漏速度對LPG 罐車泄漏擴撒的影響。泄漏速度增大會導致LPG 云團擴散的范圍越廣，擴撒最遠距離大于130m。此外，泄漏速度越小，LPG 云團的濃度值也越大。

（2）不同風速對LPG 罐車泄漏擴散的影響。風速越大，氣體擴散速度越快，云團濃度越低，云團擴散的距離增大,云團擴撒最遠距離大于130m。

（3）不同環境溫度對LPG 罐車泄漏擴散的影響。隨著環境溫度的增大，空氣活躍度增大，云團從周圍空氣獲得更多的熱量，體積增大，密度減小，云團擴散的速率加快導致泄漏擴散范圍增大，云團濃度降低，云團擴撒最遠距離為127.2m。