基于FLACS 的某城市燃气储配站气云爆炸安全评估

2021-02-05张亚栋

高压物理学报 2021年1期

刘洋，李展，张亚栋，陈力，方秦

（1. 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京 210007；2. 东南大学爆炸安全防护教育部工程研究中心，江苏南京 211189）

燃气储配站作为城市燃气输配系统中储存和分配燃气的基础设施，对保证城市燃气供需平衡发挥了重要作用。燃气储配站存在燃气泄漏的可能，泄漏的燃气与空气混合后形成可燃气云，遇极小点火能量便可引发爆炸[1]。类似泄漏爆炸事故时有发生，2004 年阿尔及利亚斯基克达因锅炉爆炸导致液化天然气（LNG）泄漏汽化，进而引起蒸气云爆炸，事故共造成27 人死亡、72 人受伤[2]。2013 年10 月，山东博兴供气公司因气柜密封失效导致煤气大量泄漏形成可燃气云，遇点火源引发爆炸，事故造成10 人死亡，直接经济损失达3 200 万元[3]。随着城市的发展扩大，一些本来位于城市边缘的燃气储配站逐渐转移到了城市中心[4]，一旦发生燃气爆炸事故，将会造成重大人员伤亡和财产损失，为了预防潜在爆炸事故并减轻其危害，应对储配站气云爆炸灾害效应进行研究。

关于储配站气云爆炸的研究尚未见诸报道，但研究人员对类似场景（如储罐区、工厂、街区等）气云爆炸进行了试验、数值模拟和简化计算研究[3,5-10]。由于试验研究的危险性大、成本高昂，且无法根据小尺寸试验推算真实气云爆炸事故后果[11]，故较少采用。气云爆炸荷载的简化计算方法同样存在诸多局限，例如TNT 当量法仅适用于对远场的粗略估计[12]，自相似法不能处理压力波和障碍物之间的相互作用[13]等。数值模拟不仅能模拟复杂空间内的气体爆炸，还能完整呈现爆炸压力、温度等参数的时空演化规律，应用较为广泛。

研究人员对气云爆炸特性进行了数值模拟研究。曾岳梅等[14]利用FLACS 软件模拟了LNG 接收站储罐底部发生的蒸气云爆炸，发现气云边缘点火时，由于点火点靠近通风口，爆炸超压明显低于气云中心点火情况。凌晓东[15]对LNG 接收站槽车装卸区气云爆炸进行了数值模拟，结果表明在阻塞程度较小的情况下爆炸压力较低（约1.3 kPa）。王学岐等[16]通过FLACS 软件对某企业液化罐区气云爆炸进行了模拟，发现设备阻塞程度较高处超压相对较高，气云边缘点火时因火焰加速距离更长，相比位于气云中央爆炸超压更高。李静媛等[17]模拟了某加氢站的氢气云爆炸，发现爆炸强度随拥塞度和环境风速的增大而显著增强。罗艾民等[18]基于FLACS 软件对某化工厂区氯乙烯气云爆炸进行了数值模拟，结果表明在弱约束条件下，氯乙烯气云爆炸冲击波作用比较微弱。

爆炸灾害效应是气云爆炸事故研究的重点之一，王志寰等[19]利用FLACS 软件对国内某大型LNG 接收站泄漏爆炸进行了模拟，并对人员伤亡半径进行了划分。徐大用等[20]借助FLACS 软件对城市街区汽油槽车泄漏引发的气云爆炸进行了研究，发现9 738.2 m3的气云爆炸最大可形成800 kPa 的超压，并造成最远72 m 范围的轻伤。韦善阳等[21]以某矿区油罐区蒸气云爆炸事故作为研究对象，借助PHAST 软件模拟了爆炸事故的危险区域范围。马庆春等[22]利用ALOHA 模拟软件中的气云爆炸模型，对北京市某高压燃气管道泄漏爆炸事故进行了数值模拟，并根据事故后果的严重程度将爆炸影响区域划分为不同的等级。

可以发现已有研究多集中于LNG 或其他工业气体，而城市燃气储配站多为压缩天然气（CNG），其泄漏爆炸过程与前两者有较大差异，相关结论不能直接应用。环境因素尤其是障碍物条件对气云爆炸后果的影响极大，在试验上很难形成规律性的结论[12]，研究成果的通用性不强，不同气云爆炸场景应该单独分析。此外，已有研究模型大多尺度较小，且障碍物分布简单，针对大尺度城市复杂街区气云爆炸的研究不足。

城市街区空间几何模型建立的工作量大、过程复杂，而地理信息系统（Geographic information system,GIS）可以大大缩短建模时间，同时有效提高几何模型精度。国内外研究人员利用GIS 为CFD 建模进行了尝试[23-24]，发现准确描述建筑物（尺寸、分布等）有助于得到相对准确的结果[25]，但已有研究大多面向大气环境[26-29]、气体泄漏扩散[30-32]以及爆炸后果可视化[33-35]等领域，在气云爆炸模拟领域还未见应用。

本研究基于GIS 技术建立南京市某燃气储配站所在区域的几何模型，导入FLACS 软件进行甲烷气云爆炸数值模拟，研究典型工况下燃气储配站气云爆炸发展过程与荷载分布规律，讨论气云大小、点火位置以及气云位置对爆炸超压的影响，最后根据模拟结果划出爆炸损伤范围，以期为类似设施建设选址、潜在爆炸事故预防提供参考。

1 数值模拟

1.1 理论模型

FLACS 爆炸模型已得到全尺寸试验验证，在天然气泄漏爆炸领域应用广泛[36]。FLACS 将湍流和化学反应耦合，建立了描述流体特征的质量、动量、能量以及组分守恒方程。采用有限体积法配合边界条件求解计算区域中的超压、燃烧产物、火焰速度以及燃料消耗量等变量的值

耗散率 ε的运输方程为

式中：μ为层流黏性系数， μt为湍流黏性系数。

式中：Gk是由平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项；Gb是由浮力引起的湍动能k 的产生项；Ym代表可压湍流中脉动扩张的贡献； σk为湍动能k 对应的Prandtl 数，取为1.0； σε为耗散率 ε对应的Prandtl 数，取为1.3； Sk、 Sε是用户定义的源项[38]；C1ε、 C2ε、 C3ε、 Cμ为经验常数，根据Launder 等[39]的研究结果，分别取 1.44、1.92、0.80 和 0.09。

1.2 储配站概况

以南京某燃气储配站为例，开展气云爆炸及其灾害效应的数值模拟。该储配站有一个直径约70 m 的低压湿式螺旋储气罐（柜），罐内压力为3～5 kPa，罐体可根据储气量的变化而螺旋升降，储气能力约为1.5×105m3。该储气罐于1998 年建成并投入使用，使用寿命为40～50 年。

储配站附近建筑物分布如图1 所示。在距离储罐100 m 范围之内有一栋高层写字楼、一栋高层住宅楼和一座少年宫，距离储罐100～200 m 范围内有一家幼儿园（东北方向120 m）、一家大型商场（东南方向200 m）和一家加油站（正东方向200 m）。以上建筑设施因距离储罐较近、场所安全要求高且人员密集程度大，是需要研究的重点目标。

图1 储配站周围重要建筑物分布Fig. 1 Important buildings around the gas distribution station

1.3 模型建立

GIS 是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统，是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的全球空间分析即时技术[31]。利用GIS 技术，建立储配站所在区域的空间几何模型，建立过程如下：利用ArcGIS 软件读取研究区域遥感影像数据并矢量化，得到研究区域平面地形图；将平面地形图导入SketchUp 绘图软件，建立空间几何模型；通过无人机实地航拍，如图2(a) 所示，结合街景地图，进一步校正建筑空间位置及尺寸参数。最终的几何模型如图2(b)所示。

图2 储配站区域航拍图与几何模型Fig. 2 Aerial photograph and geometric model of gas distribution station area

为方便建模并兼顾FLACS 的分辨能力，对几何模型作以下简化：

(1) 不考虑地形变化；

(2)忽略树木以及其他小体积结构物；

(3)建筑物保留主要轮廓，外观细节不做考虑。

将空间几何模型以obj 格式导入FLACS 前处理软件（CASD），并对模型进一步修正、简化。网格划分和场景设定如下：以储气罐水平方向400 m、竖直方向400 m 范围为核心区，以水平方向1 000 m、竖直方向600 m 范围为计算域，如图3(a)所示。核心区网格尺寸为2 m，核心区外拉伸系数为1.2，最大网格尺寸不超过15 m，网格总数1.4×107。除ZLO（z 轴负方向）为Euler 边界外，其余方向边界均设为Plane wave。CFLC 设为5，CFLV 设为0.5，初始温度为20 ℃，地面粗糙度设为0.1。数值模型见图3。

图3 储配站数值模型Fig. 3 Numerical model of gas distribution station area

压力测点设置如表1 所示。在重要建筑物面向储气罐一侧布置测点，测点距离地面1.5 m，其分布如图4 所示。本研究不考虑燃气泄漏过程，假设气云为均匀分布的立方体化学当量比甲烷-空气混合气体（甲烷体积分数为9.5%）。

表1 压力测点布局Table 1 Positions of pressure sensors

1.4 模拟工况设置

考虑气云尺寸、点火位置以及气云位置的变化，数值模拟的工况如表2 所示。工况1、工况2、工况3 研究气云体积对爆炸超压的影响，模拟了边长分别为90、60、30 m 的3 种尺寸立方体气云爆炸，气云大小及位置如图5 所示。工况1、工况4～工况7 研究点火位置对爆炸超压的影响。工况1、工况8～工况10 研究气云位置对爆炸超压的影响，考虑南京当地以东南风和东北风为主[40]，气云可能会向西偏移，气云位置如图6 所示。所有工况中气云起始高度均为0 m。

图4 压力测点分布Fig. 4 Positions of pressure gauges

表2 气云爆炸模拟工况Table 2 Cases considered in the numerical simulations

图5 不同气云尺寸（工况1～工况3）Fig. 5 Different sizes of gas clouds (Case 1-Case 3)

图6 不同气云位置（工况1，工况6～工况8）Fig. 6 Different locations of gas clouds (Case 1, Case 6-Case 8)

2 模拟结果讨论

2.1 气云爆炸发展过程

以工况1 为例，分析气云爆炸发展过程。图7、图8 分别给出了气云爆炸各测点超压时程曲线和火焰形态（以燃烧产物质量分数PROD 近似表示）。根据超压及火焰形状的变化，可将气云爆炸过程分为非爆炸性燃烧和爆燃两个阶段：非爆炸性燃烧阶段（0～10 s），燃烧所受扰动较小，火焰由球形发展为蘑菇云状，未产生明显超压，仅发生非爆炸性燃烧（闪火）[41-42]；10 s 之后为爆燃阶段，火焰形状因障碍物（主要为气罐）的影响以及湍流的发展而变得不规则，使得燃烧面积增大、燃烧速率增加，燃烧速率的增加又进一步促进了湍流的发展，湍流和火焰发展相互促进，使燃烧由闪火发展为爆燃。在爆燃阶段，各测点压力迅速升高，正超压和负超压交替出现，其中最大正超压和最大负超压均出现在P2 测点（高层写字楼），分别为 20.9、-10.1 kPa，如图7(b)所示。

图7 超压时程曲线（工况1）Fig. 7 Overpressure-time histories of Case 1

图8 气云爆炸火焰形状（工况1）Fig. 8 Flame shapes of gas explosion (Case 1)

图 9 为工况 1 最大超压（pmax）分布云图（3～25 kPa）。可以发现，爆炸超压影响半径约为180 m，而较大超压（≥10 kPa）主要分布在气云100 m 范围之内。此外，超压的分布受建筑物的影响较大，气云东南侧建筑物迎爆面处超压远高于同等距离其他位置，这是因为该区域建筑物高度较高且迎爆面积较大，建筑物的反射明显加强了爆炸超压[43]。在高层写字楼南侧可以观察到明显的压力波沿建筑物空隙传播的现象（如图9 箭头所示），该空隙处爆炸超压明显高于相同距离其他位置的超压，可能与建筑物对压力波的约束有关。

图9 工况1 最大超压分布云图（3～25 kPa）Fig. 9 Contour of maximum overpressure for Case 1 (3-25kPa)

2.2 爆炸超压影响因素

2.2.1 气云尺寸的影响

图10 为不同尺寸气云爆炸超压时程曲线对比图（以距气云较近的测点P2 为例）。可以发现，爆炸超压随着气云尺寸的增大而显著升高，60 m 尺寸气云的最大正超压达到1.3 kPa，90 m 尺寸气云的最大正超压超过20.0 kPa，而30 m 尺寸气云未产生明显超压，因此可以认为气云尺寸小于60 m 时产生爆燃的可能性较小。爆炸超压随气云尺寸的变化是气云体积和障碍物条件共同作用的结果：一方面，爆炸超压（p）与气云体积的1/3 次方（V1/3）正相关，气云体积越大，爆炸超压越大[44-45]；另一方面，更大体积的气云能够涵盖更多的障碍物，对燃烧产生更加强烈的扰动，使火焰产生更大的变形（图11），燃烧更加剧烈，最终产生更大的超压。

图10 测点P2 超压时程曲线（工况1～工况3）Fig. 10 Overpressure-time histories of pressure sensor P2 (Case 1-Case 3)

图11 最大超压时刻气云爆炸火焰形状（工况1～工况3）Fig. 11 Flame shapes of gas explosion (Case 1-Case 3)

2.2.2 点火位置的影响

不同点火位置下气云爆炸超压时程曲线如图12 所示（仍选取测点P2 进行分析）。可见，气云底部中央点火（工况1）时超压超过20 kPa，底部东北角点火（工况7）时超压超过22 kPa，而气云中心、西南角、东南角点火（工况4～工况6）均未产生明显超压，说明仅底部和东北角点火时燃烧可发展成为爆燃。

如图13 所示，气云中心点火时着火位置较高，且火焰以向上发展为主，下部障碍物对燃烧几乎没有约束和扰动，故仅发生非爆炸性燃烧。火焰向上发展而未向下传播可以归因于气体受热上升的速度大于或等于燃烧速度，造成火焰向下的传播速度小于或等于零。气云西南角和东南角障碍物及约束较少（图5(a)），点火后火焰呈带状沿气云蔓延（图14），燃烧速度缓慢，难以发展为爆燃。气云底部中央点火产生爆燃已在2.1 节进行分析。气云东北角位于高层写字楼与储气罐之间（图5(a)），如图15 所示，在该点点火后火焰受到两侧建筑的约束和扰动呈蘑菇状上升，火焰底部高度在11 s 超过罐体后迅速侧向膨胀，燃烧面积增加，燃烧速率增大，最终发展为爆燃。

图12 测点P2 超压时程曲线（工况1，工况4～工况7）Fig. 12 Pressure-time curves of pressure sensor P2(Case 1, Case 4-Case 7)

图13 气云爆炸火焰形状（工况4）Fig. 13 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 4)

图14 气云爆炸火焰形状（工况5 和工况6）Fig. 14 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 5 and Case 6)

图15 气云爆炸火焰形状（工况7）Fig. 15 Characteristics of the flame shape of gas explosion (Case 7)

可以发现，点火位置对爆炸超压的影响较大，点火点附近缺少障碍物和约束时（如工况4～工况6），一般仅发生非爆炸性燃烧，反之（如工况1、工况7）则可能发展为爆燃。

2.2.3 气云位置的影响

气云位置变化的实质是气云内部和外部障碍物（建筑物）数量、大小和分布的变化。气云内外障碍物的变化，将使气云燃烧过程和压力波的传播产生差异，进而影响爆炸超压的大小和空间分布。各工况最大超压分布如图16 所示，对比各工况超压大小，发现气云位于罐体西南侧时超压远高于其他工况，少年宫北侧区域超压甚至超过45 kPa。气云位于罐体位置和罐体西北侧时，局部区域压力超过20 kPa，气云位于罐体西侧时超压最低，所有位置超压均不超过17 kPa。已有研究表明，障碍物的尺寸越大、空隙率越低，爆炸超压越高[13]。罐体西南侧建筑物高大、密集，故该区域气云爆炸产生的超压远高于其他区域；相反，罐体西侧建筑物普遍低矮、稀疏，所以超压较低。

图16 最大超压分布云图（工况1，工况8～工况10）Fig. 16 Contours of maximum overpressure distribution (Case 1, Case 8-Case 10)

2.3 气云爆炸灾害效应分析

考虑到工况1、工况8～工况10 爆炸超压远高于其他工况，选择此4 个工况作为爆炸灾害分析的研究对象。采用超压准则研究爆炸对人员及建筑物（钢筋混凝土）的损伤程度，超压大小与损伤程度的对应关系如表3 所示。根据最大超压（pmax）分布给出如图17～图19 所示的人员和建筑物损伤范围云图，云图将压力范围划分为20 个等级，每个等级以不同颜色标识。

表3 爆炸超压对人员和建筑物的伤害[46]Table 3 Damage level of personnel and buildings under explosion overpressure[46]

图17 为各工况人员轻伤范围云图。轻伤区（超压20～40 kPa）内人员会出现内伤、耳鸣。气云位于罐体位置（工况1）时，仅气云东南侧建筑物迎爆面存在小范围人员轻伤区域（包括高层写字楼）。气云位于储罐西北侧（工况8）时，气云附近直径约40 m 内为人员轻伤区。气云位于储罐西南侧（工况10）时，气云周围直径约150 m 内为人员轻伤区。如图18 所示，气云位于储罐西南侧时，气云附近还存在数个中伤区（30～50 kPa）和一个重伤区（50～100 kPa），中伤区人员将出现内伤和耳聋，重伤区人员会出现骨折和内出血。需要指出的是，气云位于储罐西侧（工况9）时爆炸超压较低，不存在人员伤亡区域。

图17 人员轻伤范围 (20～40 kPa)Fig. 17 Range of minor wound (20-40 kPa)

图18 人员中伤和重伤范围Fig. 18 Range of secondary wound and severe wound

图19 为各工况建筑物的轻微损伤范围云图。可见，轻微损坏区域（3～10 kPa）均分布在气云周围，工况1、工况8、工况9 和工况10 的轻微损坏区直径分别约为400、500、350 和600 m。如图20 所示，建筑轻度损坏区（10～30 kPa）范围较轻微损坏区大幅减小，工况1 的轻度损坏区主要集中于气云东南侧长度约200 m 的条形区域，而工况8、工况9 和工况10 中气云附近直径约100、150 和300 m 范围为建筑物轻度损坏区。此外，如图21 所示，工况10 还存在数个面积较小的中等损坏区（30～50 kPa）和一个严重损坏区（50～80 kPa）。

储配站附近气云爆炸可能造成较大范围的人员轻伤以及大范围的建筑物轻微损坏，其中气云位于储罐西南侧时危害最大，甚至出现了小范围的人员重伤区以及建筑物的严重损坏区。