LPG球罐BLEVE过程中超压与热耦合效应模拟研究*

2022-01-17高玉格马鑫关磊卢晓刚李铁刘建

工业安全与环保 2022年1期

高玉格马鑫关磊卢晓刚李铁刘建

(1.中国安全生产科学研究院北京 100012； 2.北京科技大学北京 100083；3.青岛中油华东院安全环保有限公司山东青岛 266071)

0 引言

液化石油气球罐泄漏可能发生沸腾液体扩展蒸气云爆炸(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosio，BLEVE)。LPG球罐发生BLEVE时，储罐破裂释放出巨大能量，除产生爆炸冲击波外，同时产生巨大的火球和强烈的热辐射[1]。1984年11月19日，墨西哥一家石油公司LPG球罐发生BLEVE，火球直径达360 m，爆炸冲击波和热辐射波及附近1 200 m范围，约1 400间民房遭毁坏，导致500多人死亡、7 000多人受伤、3.1万人无家可归[2]。2015年7月16日，山东日照石大科技石化有限公司着火的LPG球罐发生BLEVE，先后发生4次爆炸，火焰蔓延了9个球罐。

尚永龙[3]研究了室内LPG爆炸与火灾联合作用下对钢筋混凝土楼板的耦合效应；黄涛[4]研究了储气仓库内可燃气体发生爆轰，超压波与温度场对仓库的破坏作用。关于LPG球罐发生BLEVE时爆炸冲击波和热辐射的耦合效应对周围建筑物的破坏作用，目前的文献还不多。根据文献[5]中的软件模拟结果，丙烯球罐发生BLEVE时后果最严重。本文尝试模拟研究LPG球罐发生BLEVE过程中超压与热耦合效应对抗爆控制室和避难所选址的影响。其中超压冲击波计算采用TNO(荷兰国家应用科学研究院)多能法 (Multi-Energy Method，MEM)[6-8]。热效应计算分为目标在火球半径内和半径外两种，在火球半径内采用多点源计算方法[9-11]；在火球半径外采用《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》(GB/T 37243—2019)[12]推荐的方法。

1 研究方法

在LPG球罐发生BLEVE过程中，爆炸冲击波的传播速度、持续时间和火球的传播速度、持续时间不同，爆炸冲击波主要在燃料高速抛散的初期形成，之后基本与火球脱离，爆燃过程后期所释放的能量对冲击波能量贡献不大[13]。研究目标通常最先受到冲击波超压袭击，接着是火球发出的持续热辐射。本文采用经试验验证的数学模型作用到抗爆控制室和避难所上，采用MATLAB计算冲击波超压和热辐射，采用ANSYS模拟二者破坏效应的耦合作用。

1.1 采用TNO多能法数学模型计算冲击波超压

1.1.1 爆炸能量的计算

LPG储罐发生BLEVE时,爆炸的能量[11]为

Eg= [(H1-H2)-(S1-S2)Tb]M

(1)

式中，Eg为LPG储罐发生蒸气爆炸的总能量，kJ；H1为储罐破裂前平均温度下LPG的焓，kJ/kg；H2为大气压力下LPG的焓，kJ/kg；S1为储罐破裂前平均温度下LPG的熵，kJ/(kg·K)；S2为大气压力下LPG的熵，kJ/(kg·K)；Tb为大气压力下LPG的沸点，K；M为LPG的质量，kg。

LPG的质量为

M=nkvρ

(2)

式中，M为LPG的质量，kg；n为LPG储罐个数，取1；k为LPG储罐充装系数，取0.9；v为LPG储罐体积，m3；ρ为储罐中液相LPG的密度，kg/m3。

对产生冲击波超压贡献的能量为

E=a·Eg

(3)

式中，E为对产生冲击波超压贡献的能量，kJ；Eg为LPG储罐发生蒸气爆炸的总能量，kJ；a为对产生冲击波超压贡献的能量系数，取0.4。

1.1.2 冲击波超压的计算

本文选用TNO多能模型计算冲击波超压。TNO 多能模型是以半球形气云为模型，假定中心点火，火焰以恒定速度传播，经模拟计算得到不同火焰传播速度下的气云爆炸强度，获得了一组气云爆炸冲击波的峰值超压及正相压力持续时间与无量纲距离之间的关系曲线[14-15]，如图1和图2所示。

图1 无量纲峰值超压与无量纲距离的关系

图2 无量纲正压持续时间与无量纲距离的关系

其中：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中， △Pmax为冲击波的峰值超压，MPa；P0为大气压力，取0.1 MPa；L为目标与爆炸源的实际距离，m；Eg为LPG储罐发生蒸气爆炸的总能量，MJ；E为对产生冲击波超压贡献的能量，MJ；t+为正相压力持续时间，s；c0为空气中的声速，通常取340 m/s；I为冲击波的冲量，MPa·s。

TNO 多能模型在工程实例应用中的关键步骤之一是准确选取爆炸特征曲线数字[14]，其中爆炸强度分为12个类别，根据物质点火能大小分为高和低两种情况，约束分为存在约束和不存在约束两种情况，根据现场阻塞程度分为高阻塞度、低阻塞度和无阻塞3种情况，强度分为10个等级。基于以上原则可判断LPG球罐发生BLEVE事故的爆炸能量高、阻塞度低、存在约束(球罐底部)，故选取爆炸强度等级5～7，按照最不利情况处理，爆炸特征曲线选择数字7。

1.2 采用多源数学模型计算火球热辐射

火球的性质参数主要包括火球高度、持续时间和最大直径。其中，对于最大直径和持续时间的计算比较统一，采用国际劳工组织建议的沸腾液体扩展为蒸气云爆炸热辐射模型[12]。

MARTINSEN W E等[16]研究了火球上升的高度，他们从美国消防协会录制的3个BLEVE视频中发现，火球达到最大尺寸的时间和升空的时间大致相等，此时火球的中心上升到3倍于火球最大半径的高度。

GB/T 37243—2019[12]中给出了热辐射模型及适用条件：目标到火球中心的距离大于火球直径。以抗爆控制室和避难所为目标，经模拟计算发现距离小于火球直径，无法使用标准里推荐的热辐射模型。

BIRK A M等[9]给出了火球热辐射视觉系数的计算模型，李玉等[10]采用CFD模拟给出了多点源计算方法，本文采用多源热辐射计算模型进行模拟计算。

假设火球半径为R，控制点等分间距为d，i、j、k分别为轴向、径向、环向方向的控制点个数，火球的离散方程为

轴向方向:r=0+i×d(0≤i

(8)

径向方向:φ=0+π×j/3 (0≤j<2π)

(9)

其中：0≤φ<2π。

环向方向:θ=0+π×k/4 (0≤k<π)

(10)

其中：0≤θ<π。

单个控制点的热辐射释放速率为

q= (ηhcM0)/N

(11)

式中，η为燃烧效率，单罐取0.5，双罐取0.7，多罐取0.9；hc为燃烧物的燃烧热，kJ/kg;M0为可燃物总质量，kg;N为控制点总个数，N=i×j×k。

单个控制点对距离该点L处目标的热辐射通量为

(12)

火球对目标的总热辐射通量为

(13)

式中，χ为辐射分数，取1.0(保守值)；α为径向方向夹角(目标表面与控制点i之间)，°；L为目标到控制点i的距离，m。

cosα=D2/4(H2+L2)

(14)

式中，D为火球直径，m；H为火球高度，m；L为目标到控制点i的距离，m。

1.3 以丙烯球罐为例的模拟参数

丙烯球罐材质为Q370R，球罐体积为2 000 m3，操作压力为1.115 6 MPa，储存温度为25 ℃，介质为液气两相丙烯。

2 抗爆控制室模拟研究结果

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》(GB 50779—2012)[17]要求，抗爆控制室对着球罐方向的抗爆墙可以承受冲击波峰值入射超压最大值为21 kPa，采用TNO法公式计算当1个丙烯球罐发生BLEVE时，21 kPa超压冲击波最远可达距火球中心水平距离195.7 m处。当距离≤195.7 m时，抗爆控制室将超过标准要求临界值。如果在195.7 m处建抗爆控制室，当丙烯球罐发生BLEVE时，抗爆控制室先受到超压冲击波的袭击，之后受到热辐射袭击，受到的热辐射为59.06 kW/m2，持续时间为77.28 s，计算结果如图3所示。

采用ANSYS的workbench模拟二者破坏效应的耦合作用，发现抗爆控制室的墙最大温升为163.46 ℃。根据文献[18]，墙体的最小厚度不小于 200 mm；根据文献[19]，当温度超过400 ℃时，抗爆墙的强度急剧下降。环境温度按照40 ℃计算，抗爆墙最高温度为203 ℃，热对墙的破坏作用不明显。此时若抗爆控制室选址>195.7 m，则超压冲击波和热辐射耦合作用为0%；若抗爆控制室选址≤195.7 m，则超压冲击波超过标准要求临界值，导致抗爆控制室被超压冲击波破坏，即无需热辐射的叠加作用就已经被破坏了，计算结果如图4所示。

图4 ANSYS模拟计算距离LPG球罐BLEVE火球中心189.1 m处抗爆控制室墙体热效应结果

3 避难所模拟研究结果

若将地面上避难所选择在紧邻球罐的防火堤外，假设避难所距离火球中心为20 m，计算结果如图5、图6所示，冲击波超压值为101.3 kPa，目标热辐射值为162.4 kW/m2，避难所的墙最大温升为392.32 ℃，环境温度按照40 ℃计算，墙最高温度为432.32 ℃，建在地面上的避难所将被完全摧毁。因此需将避难所设置在地面下，且人员应在BLEVE发生前进入避难所才能逃生，地面下的避难所应具有抗震、防渗、防火、防中毒窒息等性能[20]。