障碍物对石化罐区重质气体泄漏扩散影响的探讨

史先召 黄伟金 吴东伟 腾 欣 周 宁

〔1 江苏海企化工仓储股份有限公司 江苏泰州 225327；2常州大学石油工程学院 江苏常州 213016〕

障碍物对石化罐区重质气体泄漏扩散影响的探讨

史先召1黄伟金1吴东伟2腾 欣2周 宁2

〔1 江苏海企化工仓储股份有限公司 江苏泰州 225327；2常州大学石油工程学院 江苏常州 213016〕

在油库模拟实验平台上开展了罐区障碍物对重质气体二氧化碳泄漏扩散规律影响的实验。通过改变障碍物的形状和大小，研究不同工况下重质气体的泄漏扩散过程。结果表明，二氧化碳气体在有障碍物阻挡的条件下发生泄漏扩散时，在障碍物前会造成气体聚集沉降，形成高浓度，且不易扩散；几何图形相同的障碍物，正截面长度大的，障碍物背面的气体浓度减少，障碍物高度的增加对其背面气体浓度的分布没有显著影响；障碍物几何形状(长方体和圆柱体)对二氧化碳气体泄漏扩散的阻碍作用差别很小，因此在实验条件下障碍物尺寸的影响要大于几何形状对泄漏扩散的影响。

石化罐区重质气体泄漏扩散障碍物影响

随着工业和经济的迅速发展，世界各地对石油与天然气等清洁能源的需求日渐增加。与此同时，更多的安全问题也逐渐凸显，事故风险不断加大，特别是化工园区内易燃易爆品的种类和数量急剧增加，罐区重质危险气体的泄漏事故极易引发事故多米诺效应[1,2]。因此，一旦发生易燃易爆及有毒有害气体的大量泄漏事故，将会造成严重社会影响和无法估量的损失[3]。当化工罐区有毒有害气体发生泄漏时，在实际泄漏扩散事故过程中一般会存在障碍物，如周边建筑设施、复杂地形或树木等植被。由于这些障碍物的影响，会改变周围环境大气的流动状态，使重质气体泄漏扩散行为变得复杂。而罐区储罐本身就具有遮挡障碍作用，因而泄漏区障碍物的存在是必然的。因此，研究障碍物存在情况下的重质气体泄漏扩散过程对于安全评价和事故应急救援具有重要的现实意义。

本文对泄漏区障碍物的研究主要包括有无障碍物情况下的重质气体泄漏扩散规律及过程的对比分析，障碍物大小对泄漏扩散过程的不同影响以及障碍物形状的不同，对泄漏扩散后重质气体不同过程的影响研究。

1 实验平台与设计

相似理论是模型模拟实验的基础，通过建立有效合理的实验模型可以进行相关问题的模拟研究。本实验的模拟平台在相似理论的指导下搭建，根据某化工仓储企业的储罐区，以1：100的几何相似比例建成。在运动相似方面，实验采用二氧化碳气体代替泄漏的重质气体，二氧化碳气体在密度和大气湍流行为方面与重质气体存在相似性。根据不同介质性能、几何相似的长度比例和对应相似准则得出泄漏的体积流量Q和泄漏时间T，保证运动相似条件的满足。最后采用弗劳德数为相似准则保证动力相似条件，由长度比例尺推导出模拟实验的流速V等参数。在此基础上开展了不同条件下重质气体的泄漏扩散过程研究。

本实验模型系统为卧式罐区，采用二氧化碳气体，通过浓度监测传感器开展了不同条件下的重质气体的泄漏扩散过程的研究。其中气体浓度监测传感器在指定位置监测重质气体扩散浓度并会通过GMS环境监测监控系统[4,5]生成数据，处理成曲线图像，以便对实验结果进行定量分析，实验平台示意见图1。

图1 实验平台模拟示意图

1—通风机；2—抽风罩；3—模拟罐区；4—气体浓度检测传感器；5—气体泄漏检测报警控制系统；6—计算机；7—泄漏源位置；8—三通接头；9—流量计；10—减压阀；11—气瓶

实验中共设置了长方体和圆柱体两种形状的障碍物，其中，长方体设置了4种尺寸。试验用障碍物模型见图2。

a障碍物1 b障碍物2 c障碍物3

d障碍物4 e 障碍物5

2 实验结果与分析

2.1 障碍物地形与平坦地形对泄漏扩散过程的

影响 以F104和F105罐为实验泄漏源，在F104罐前轮换设置1、2、3和5不同障碍物，在F105罐前无阻挡。分别将气体浓度传感器放到两泄漏源对应位置，8号和6号传感器分别位于障碍物前面和后面，4号传感器前无障碍物，5号传感器位于空旷地形。

参见图3。

图3 不同地形泄漏扩散实验示意图

将4号、8号以及5号、6号传感器监测得到的1、2、3、5不同障碍物在各时间段的浓度分布数据进行处理，得到实时气体体积浓度分布曲线(图4～7)。

图4 不同地形空间重气体积浓度分布曲线(障碍物1)

图5 不同地形空间重气体积浓度分布曲线(障碍物2)

图6 不同地形空间重气体积浓度分布曲线(障碍物3)

图7 不同地形空间重气体积浓度分布曲线(障碍物5)

由图4～7可以看出障碍物地形条件下的浓度曲线的变化，对应浓度曲线的大致走势都遵循相同的规律。当泄漏源开始释放气体到停止释放的时间为t=0～300s时，4号和8号传感器监测的气体浓度基本一致;当t>300s时，泄漏点停止泄漏释放，已泄漏的CO2气体继续向周围扩散。8号传感器位置的气体浓度在对应时间内大于4号传感器位置的浓度，并且4号传感器位置的气体浓度下降的较快。分析认为8号传感器位于障碍物前，气体从储罐泄漏后，沿地面慢慢扩散，障碍物的阻挡作用使气体扩散过程发生改变，一定时间内重质气体会在障碍物前沉降聚集，导致浓度增加。5号传感器处没有障碍物，CO2气体开始泄漏后，浓度快速上升，很快达到峰值浓度，泄漏源关闭后，随着重质气体的扩散，5号传感器位置的气体浓度逐渐下降；据文献报道，在空气浮力卷吸作用下[6]，障碍物前近地面处聚集的重质气体开始沿壁面上升扩散,同时，在障碍物水平方向上，气流将产生左右分流现象[7,8]。泄漏气体从垂直和水平两个方向绕流至障碍物背面的6号传感器处。因此，由曲线图可以看到延迟了6号监测到浓度的时间。另一方面，大气气流遇到障碍物会在其背风面形成低压区域。由于压力差作用，障碍物背后的重质气体浓度会有一定升高，并且在切断泄漏源后，气体不会立刻扩散，增加了泄漏事故的危险性。

2.2 障碍物大小对泄漏扩散过程的影响

选取障碍物1、2、3为实验对象，F104罐为泄漏源，将障碍物放置在泄漏源正前方，分别在障碍物的前面、右侧和背面设置气体浓度监测传感器8号、4号和6号,见图8。处理传感器采集的数据传到各传感器浓度曲线，见图9。由图8可见，8号传感器位于泄漏源正前方，泄漏的气体最先到达8号传感器位置。由于障碍物的阻挡致使气体浓度不易向周围扩散，造成该位置气体聚集，形成较高浓度； 4号传感器的浓度曲线显示，开始泄漏时浓度上升较快，在达到浓度最高值后随时间下降，这是因为4号传感器在泄漏源侧前方，CO2气体泄漏扩散到4号位置需要一定时间。随着泄漏时间的增加，CO2气体的重力沉降作用逐渐消失，在重质气云的浮力和大气湍流的作用下开始稀释上升，近地面气体浓度逐渐减小。另一方面，没有障碍物的阻挡，气体会继续向四周扩散，因此不会形成气体聚集的现象，并自由扩散使气体浓度下降；6号传感器处的气体浓度趋势相对于8号和4号传感器，浓度上升最慢，下降最快，达到最高浓度时为最小的气体浓度曲线，一是距离泄漏源远，二是障碍物阻断了泄漏气体的继续扩散，根据前面的分析，当气体越过障碍物到达6号传感器位置时，气体浓度会大量减小。

图8 不同大小障碍物对泄漏扩散的影响

(a) 障碍物1 (b) 障碍物2

(c) 障碍物3

图9(a)、(b)、(c)实验结果对比表明，障碍物2的正截面长度比障碍物1大，障碍物背面(6号传感器)的气体浓度减小，障碍物3高度的增加对障碍物背面气体浓度的分布没有显著影响。

2.3 障碍物形状对泄漏扩散过程的影响

实际罐区的障碍物多种多样，为探究障碍物形状对CO2气体泄漏扩散的影响，本文对长方体(障碍物4)和圆柱(障碍物5)两种形状的障碍作为研究对象，其中两种形状的障碍物截面尺寸相同，实验设置如图10所示。

图10 不同形状障碍物泄漏扩散的影响

试验结果如图11所示，对比长方体障碍物和圆柱体障碍物浓度曲线，可以看到对应位置的传感器8号、4号和6号浓度分布曲线是基本重合的，浓度分布几乎一致，即截面尺寸相同的长方体障碍物和圆柱体障碍物对泄漏扩散的CO2气体的阻碍作用差别很小，因此重质气体泄漏扩散的过程中，在实验条件下障碍物尺寸的影响要大于几何形状对泄漏扩散的影响。

(a) 障碍物4 (b) 障碍物5

3 结语

实验结果表明：

(1)重质气体在有障碍物阻挡的条件下发生泄漏扩散时，在障碍物前会造成气体聚集沉降，形成高浓度，不易扩散出去；在障碍物背面会聚集一定浓度的有害气体且不易扩散。因此，障碍物的存在，增加了罐区重质气体聚集的风险。

(2)几何形状相同的障碍物，正截面长度越长越容易在前方形成气体高浓度区，其背面气体浓度会相应减小；障碍物高度变化对CO2气体泄漏扩散过程规律影响不大。

(3)正截面尺寸相同的不同形状障碍物(长方体和圆柱体)对CO2气体泄漏扩散的阻碍作用差别微小。障碍物几何形状对CO2气体泄漏扩散行为的影响要小于其尺寸大小的差别。

研究结果对于预防石化罐区重质气体聚集有一定参考价值。

[1] 林必昂.石油化工园区事故多米诺效应模型[J].消防科学与技术,2014,33(7):832-835.

[2] 陈国华，安霆，陈培珠.危险化学品事故多米诺效应历史数据研究评述[J].中国安全生产科学技术,2015,11(4):64-70.

[3] 张少锋.小型危化品储罐区安全评价中池火灾的分析[J].化工管理，2014,18:46-46.

[4] 冯志华，聂百胜.危险气体泄漏扩散的实验方法研究[J].中国安全科学学报,2006, 16(7):18-23.

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[6] 何莎，袁宗明，喻建胜.重气效应研究进展[J].中国测试技术，2008,34(4):112-114.

[7] 吴玉剑,潘旭海.障碍物地形条件下重气泄漏扩散实验的CFD模拟验证[J].中国安全生产科学技术,2010,6(3):13-17.

[8] 刘增苹．有毒气体泄漏绕障碍物扩散的研究[D]．北京：北京化工大学，2010.

2017-07-04。

史先召(1967-)男,本科,高级工程师,主要从事化工储运技术研究。

项目资助：建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题(KFKT2014MS02)；常州市科技支撑计划项目(CE20155025)；公安部科技强警基础工作专项(2014GABJC047)；公安部消防局科研计划项目(2015XFR22)；建筑消防工程技术公安部重点实验室开放课题(KFKT2015ZD03)。