临港苯储罐连续泄漏扩散及其后果的数值仿真

2021-12-30黄焕东岑志波沈正祥

化工机械 2021年6期

黄焕东岑志波沈正祥彭旭王杜李斌陈虎

（1.宁波市特种设备检验研究院；2.南京理工大学化工学院）

苯是石油化工产业的基本原料，易燃、易爆且具有毒性。在生产、储存及运输等过程中，苯储罐及其管道不可避免地会发生意外破损或断裂事件。尤其在临海或临港环境下，受海洋气候的影响，储罐常伴有严重的腐蚀减薄、点蚀穿孔和开裂现象［1］。苯储罐发生泄漏，如未及时采取应急措施，极有可能引发大规模的火灾、爆炸和中毒事故，安全风险极大［2，3］。因此，针对储罐泄漏事故后果的研究显得十分重要。张瀚匀等利用重大危险源定量风险评价软件CASST-QRA，计算了丁二烯储罐泄漏事故的影响范围［4］。潘东通过重大危险源安全评价方法，建立了液氨储罐泄漏事故后果模型，并提出技术改造建议［5］。在苯储罐泄漏事故研究方面，杨继星等基于BP神经网络构建了苯储罐泄漏事故风险评价模型［6］；刘堃以河南某工厂苯储罐区为例，对低风速下储罐泄漏事故过程进行数值模拟［7］；王晓艳等利用SLAB模型预测了苯储罐泄漏引发火灾爆炸事故的危害范围，并提出相应的风险防范措施［8］；许洁提出基于CFD模拟的苯罐区安全评估和应急预防措施［9］。综上所述，尽管学者对危化品储罐泄漏及其后果已开展大量研究，但关于临港极端天气尤其是强风条件下，苯储罐泄漏及其扩散过程的报道并不多见。

为此，笔者基于流体动力学Fluent软件，开展典型临港环境（弱、强风条件）下苯储罐泄漏扩散过程的数值仿真，并分析其爆炸和毒性危害范围，为苯罐区泄漏事故应急处理提供技术参考。

1 苯储罐泄漏气体扩散数学模型

1.1 控制方程

苯储罐泄漏常会形成比空气重的气云，其扩散过程可由重气扩散模型表述，其控制方程［10］如下：

式中 cp——定压比热容；

cs——组分s的浓度；

gi——重力加速度；

i、j——不同物质；

K——传热系数；

p——微元体上的压力；

ST——粘性耗散项；

t——时间；

T——温度；

u，v，w——x，y，z方向的速度矢量分量；

μ——空气的动力黏度；

ρ——苯的密度；

ρa——空气的密度。

1.2 湍流模型

采用经典的RNG k-ε湍流模型，既可以准确描述流体的高速流动，又考虑了涡流对湍流的影响。在湍动能k方程的基础上，引入一个耗散率ε方程，其中ε方程做了适当修正，用于提高模拟计算的精度。

主要形式如下［11］：

式中 Gb——浮力产生的湍流动能；

Gk——平均速度梯度引起的湍流动能；

S——用户定义的源项；

Ym——可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；

σ——流体普朗特数。

其中，湍流黏度C1ε取1.44，C2ε取1.92，C3ε取0.92。

2 数值模型

2.1 工程案例

以浙江某港区苯储罐泄漏事件为工程背景，图1为事发罐区的平面示意图，苯储罐区四周筑有防火堤，高度1.5 m，两边配备泡沫池、消防池、泵房及配电房等设施。储罐结构为内浮顶式，直径15.6 m，高度16.2 m，容积3 000 m3。事故储罐位于罐区的东南角，结构发生严重腐蚀，破坏区域距地面约1 m，经测算可等效为200 mm泄漏孔径。

图1 苯储罐区示意图

2.2 计算域网格划分和边界条件

图2所示的整个计算域尺寸为700 m×200 m×30 m，采用ICEM软件进行网格划分，首先生成四面体网格，后导入Fluent软件转为多面体网格。由于泄漏孔相对于计算域来说较小，故对泄漏区域进行局部网格加密，并与周围光滑过渡衔接。最终生成的网格总数为134万，进行网格光顺优化后检查网格质量良好，扭曲度在0.8以下，满足计算需求。

图2 几何模型与局部网格划分

苯储罐泄漏扩散事故通常可分为源泄放、重气扩散和大气扩散3个阶段，环境风速对储罐附近的流场分布和危险气体浓度有着重要影响。对港口区域的气象资料进行采集分析，发现正常的平均风速范围为2.9～4.5 m/s。每年7～9月份易受台风的影响，其中强台风占82%，最长持续时间为2～3 d，强风向的最大风速可以达到29.0～36.0 m/s［12］。基于以上分析，笔者选取两种典型的速度（弱风3.3 m/s，强风30.0 m/s）作为初始边界条件，风向不变。苯储罐泄漏方式为大孔洞泄漏且垂直裂口向外，泄漏孔径设定为200 mm，持续泄漏且源强经估算约为100 kg/s。采用SIMPLEC算法求解控制方程的压力-速度耦合项，流场采用速度进口和压力出口条件，质量流量输入值设定为100 kg/s。环境条件通过UDF文件导入，且沿x轴方向水平输入，环境温度设定为27℃。

3 仿真结果与分析

3.1 弱风条件下泄漏扩散过程的数值仿真

图3为弱风条件下苯储罐泄漏扩散后果的数值仿真结果，由不同时刻苯浓度空间分布可知，当泄漏发生5 s后，苯在罐区内大面积流淌并挥发形成苯气云团，扩散至防火堤，在风速作用下，部分苯气云团轻微抬升并越过堤墙；泄漏发生15 s后，苯气云团已覆盖下风向的泵房和配电房，开始影响周围环境；泄漏发生50～100 s后，苯气云团影响范围继续扩大，并开始受大气湍流影响。整体而言，苯气云团沿障碍物周围向下风向扩散，经过一段距离后，逐渐向地面沉降，呈现典型的重气云湍流扩散特征。

图3 弱风条件下苯储罐泄漏后果的数值仿真结果

由图4a所示苯气云团浓度平面分布云图可知，由于防火堤的作用，近场泄漏的苯大多聚集在邻近储罐和防火堤底部区域。随着泄漏时间延长，苯气云团开始越过防火堤并向下风向扩散，100 s后泄漏基本达到稳定状态。泄漏产生的苯气云团中心浓度高于四周，近似三角形态分布。图4b为泄漏孔下风向苯气云团浓度（质量分数）的变化特征，可看出苯含量在罐区内较高，而在防火堤外则逐渐降低。由于存在障碍物，部分低高度的曲线出现间断。在泄漏孔下风向200 m距离内，由于障碍效应存在流动死区，近地面苯气云团浓度呈现先下降后上升的趋势；200 m范围外随着离地高度的增加，苯气云团被不断分散稀释，近地面沉降效应明显。

图4 弱风条件下典型时刻（t=100 s）苯浓度的分布特征

3.2 强风条件下泄漏扩散过程的数值仿真

图5为强风条件下苯储罐泄漏扩散后果的数值仿真结果。由图5可以看出，在强风的作用下，苯气云团向下风向扩散，空气的输送作用加强，苯气云团从相邻储罐两侧迅速通过，重力影响变小，呈狭长带状分布。另外，除在苯储罐罐体与防火堤周围的苯浓度较高外，泄漏的苯气云团被快速地稀释和消散。

图5 强风条件下苯储罐泄漏后果的数值仿真结果

图6a为强风条件下储罐泄漏50 s后苯浓度的等值线，可看出高浓度区域仍然出现在近场，防火堤以外浓度则逐渐下降。由于风速较高，空气的湍流效应加强，挥发的苯气云团与大气剧烈混合并迅速扩散，稀释速度加剧。图6b为泄漏孔下风向苯气云团浓度的变化曲线，障碍物的存在同样导致部分曲线出现间断，可看出风速较大时，近地面浓度总体变低。与弱风速条件相比，泄漏后50 s左右浓度曲线即基本稳定。扩散稳定后，相同距离处的苯气云团浓度明显更低。

图6 强风条件下典型时刻（t=50 s）苯浓度的分布特征

3.3 毒性危害分析

毒性危害后果主要由浓度和接触时间共同决定，当前国外主要通过紧急事故中毒性物质危害评估和暴露评估来完成风险表征，故阈值参数可作为评估人类健康危害的重要依据［13］。由于环境对苯气云团稀释较快，因此选择“特异性靶器官毒性一次性接触：吸入麻醉作用的阈值13 000 mg/m3”当作工业紧急事故中人吸入高浓度苯引起急性中毒的临界值［14］。

根据图7可知，弱风条件下苯气云团泄漏100～600 s时，苯储罐下风向逐渐形成较大范围的毒性危害区（黑色区域），而在强风作用下，苯毒性伤害区则变为狭长带形状，空气扰流明显减缓苯气云团的聚集，毒害范围减小（图8）。由此可知：毒害范围与泄漏速率、风速等因素密切相关，泄漏速率越大，其毒害范围越大；当泄漏速率一定时，随着风速的增加，稀释作用明显，毒性危害程度降低。

图7 不同风速下毒性危害等值面变化

图8 风速对毒性危害范围的影响

3.4 爆炸危害分析

图9为不同风速下苯气云团爆炸浓度下限（质量分数3.16%）等值面变化过程，三维等值面与地表相连接。由图9a～c可以看出，在弱风作用下，距事故储罐越远，苯气云团扩散的水平面积越大，竖直方向上则面积变小。爆炸浓度下限等值面在泄漏后100 s左右开始逐渐稳定，此时到泄漏口的最大距离约240 m。相对而言，强风作用下（图9d～f）苯气云团扩散较快，爆炸浓度下限等值面仅局限在泄漏孔外50 m范围内，且因障碍物的影响分布不均匀。总体来看，在泄漏面积相同的情况下，弱风有利于泄漏的苯气云团扩散，爆炸危险区域较大。强风对苯气云团的稀释和输送作用均会增强，达到扩散稳态所需时间缩短，相应的爆炸危险区范围也较小。

图9 不同风速下爆炸浓度下限等值面变化

爆炸极限浓度范围内苯气云团若遇到点火源，极易发生化学爆炸，并以爆炸火球或冲击波形式对周围环境形成破坏［15］。根据经典的蒸气云爆炸（BLEVE）火球热辐射模型［16，17］，假设苯气云团中心点火，不同风速下爆炸火球热辐射危害范围取决于苯气云团中实际被引爆的燃料质量。

如图10所示，弱风条件下爆炸火球的最大半径约20.71 m，热辐射致死范围可达28.14 m。随着风速变大，大气稀释扩散加剧，云团尺寸变小，导致爆炸火球半径减小，相应的热辐射致死范围缩小至8.76 m左右，危害区域缩小。爆炸冲击波可基于TNT当量法进行估算［18，19］，其危害后果可参照冲击波超压破坏准则来确定。图11为泄漏后苯气云团爆炸冲击波的危害范围，可以看到，弱风条件下爆炸冲击波的致死半径为21.99 m，财产损失区可达70.88 m；当风速增加至30.0 m/s（强风条件）时，苯气云团被进一步稀释，参与爆炸反应的燃料质量变少，冲击波致死半径降至9.31 m，财产损失范围变为29.95 m。由此可见，气象条件对苯气云团爆炸危害程度有着显著的影响，风速越低，危险性越大，相应的储罐泄漏事故应急处置和疏散任务也越重。