风速对LPG球罐泄漏扩散过程的影响研究*

门金龙 蔡冲冲 熊碧波 郑鸿区

(广东石油化工学院 广东茂名 525000)

0 引言

LPG已经广泛应用于工业和民用方面，由于LPG的易燃易爆性质，在生产、储存、运输等各个工艺环节中经常发生事故，LPG泄漏而导致的人身伤亡及财产损失的事故数在燃烧、爆炸等因素中占据首位[1]。据《2019年全国燃气事故数据分析报告》表明，2019年全国发生了353起LPG事故，造成63人死亡，585人受伤。国外关于气体泄漏扩散的研究早在20世纪60年代已经开展，如Mines Bureau实验、Esso实验、Maplin Sands实验、Burro实验、Coyote实验和Falcon实验等一系列大型现场实验，为之后计算模型提供了大量有效的验证数据，此后国内外的相关研究不断开展，但研究多偏向于泄漏速度与泄漏孔形状对泄漏扩散的影响，而风速对LPG球罐泄漏扩散过程的影响及危害方面的研究较少[2]。

本文分别建立不同风速(风速为0、1、3、5、10 m/s)下LPG球罐泄漏扩散理论和FLUENT数值模型，分析不同风速条件下LPG球罐泄漏扩散规律与危险区域，为LPG球罐泄漏事故的救援及应急预案的制定提供参考。

1 LPG球罐泄漏扩散场景构建

1.1 球罐原型

以中心直径12.3 m的1 000 m3LPG球罐为研究对象，壁厚忽略不计，壁面绝热，球罐底部距地面1.85 m，LPG球罐模型见图1，Y轴正方向为下风向，圆心R1到Y轴左边界CD 140 m，到右边界AB 20 m；环境温度为300 K，球罐内部压力1.35 MPa，泄漏口位于球罐底部，泄漏速度固定为5 m3/s，外界气压为101.325 kPa，LPG球罐设计参数及结构尺寸见表1。

图1 LPG球罐计算模型

表1 LPG球罐设计参数及结构尺寸

1.2 基本假设

由于LPG球罐实际泄漏浓度扩散过程复杂，为简化计算分析过程，进行如下假设：

(1)球罐储存介质为LPG，其主要成分为丙烷，并且丙烷的危险性远大于其它组分，因此采用丙烷进行模拟计算。

(2)在数值模拟过程中，环境中的物质未发生相变及任何化学反应，LPG气云的温度与环境温度一样，且不存在热量交换。

(3)将空气与LPG气云的混合气体看作不可压缩的理想气体，满足理想气体的状态方程。

(4)本文以丙烷的爆炸极限2.37%～9.5%作为划分易燃易爆区域的阈值，当其体积分数大于10%时，人体接触会出现麻醉状态、意识丧失，甚至会导致窒息。

2 数学模型与理论计算

LPG的泄漏扩散过程满足基于守恒方程(质量、动量、能量守恒方程等)的CFD模型，在初始条件和边界条件的约束下进行仿真模拟[3-4]。

基本方程如下：

(1)质量守恒方程

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；ui为空气相在i方向的速度，m/s；p为压力，Pa。

(2)动量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式中，ui、uj、uk为速度u在x、y、z上分量，m/s；SMx、SMy、SMz为广义源项SM在x、y、z上分量；p为压力，Pa；μ为动力粘度，Pa·s。

(3)能量守恒方程

(5)

式中，ρ为空气密度，kg/m3；T为温度，K；c为比热容，kJ；ST为热源项；k为源项传热系数，k=μc/Pr，Pr为普朗特数，W/m。

(4)组分运输方程

(6)

式中，ρ为空气密度，kg/m3；cs为组分s体积浓度；Ds为组分s扩散系数；Ss为化学反应生产率，kg/m3，本次模拟分析无化学反应，因此Ss=0。

(5)控制方程

建立守恒方程的一般形式简化守恒方程的分析过程。一般变量可以用符号Φ表示，所以可以将以上守恒方程的一般形式表示成：

(7)

式中，各项分别是瞬态项、对流项、扩散项及源项。ρ为空气密度，kg/m3；Φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

(6)湍流模型

现实中的大气运动不稳定为湍流流动，为了更好的描述湍流的流动过程，选择标准k-ε模型。

k-ε双方程模型(即标准k-ε模型)是在湍流动能k方程中，引入湍动耗散率ε，其定义为

(8)

式中，ε为湍动耗散率；ρ为气体密度，kg/m3；μ为动力粘度。

湍动粘度μt由k和ε表示的函数如下：

(9)

式中，μt为湍动粘度；ρ为气体密度，kg/m3；Cμ为经验系数；k为紊流脉动动能，J。

因此，标准k-ε模型的输运方程为

(10)

(11)

式中，ρ为气体密度，kg/m3；ui为速度u在x上分量，m/s；湍动能Gk为平均速度梯度引起；湍动能Gb为浮力影响引起；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；G1ε、G2ε、G3ε为经验常数，FLUENT中G1ε取1.44，G2ε取1.92，G3ε取0.09；ε为湍动耗散率；k为紊流脉动动能，J；σk、σε为湍动能及湍动耗散率对应的普朗特数，FLUENT默认σk取1.0，σε取1.3；Sε、Sk为湍能耗散率及湍动能的源项；μ为动力粘度；μt为湍动粘度。

根据上述数学模型计算无风及有风(即风速为0、1、3、5、10 m/s)的条件下，LPG气云扩散浓度分布情况，详见表2及图2。

分析表2与图2得出，无风条件下，延y轴扩散距离的增大，LPG气云浓度逐渐减小；风速为1～3 m/s时，y轴下风向浓度随着风速的增大，先增大后减小，存在1个影响下风向浓度的风速极值；风速大于3 m/s时，y轴下风向浓度随着风速的增大而减小。

表2 LPG气云扩散浓度分布统计表

图2 LPG气云浓度变化趋势

3 风速对LPG气云扩散影响规律数值模拟

采用FLUENT软件CFD数值模型，以80 m×160 m的长方形作为模拟计算区域，见图3。(0,0)为球罐的中心，其中，线AB为风流入口，线AD(160 m)、CD(80 m)、CB(160 m)均为气体出口，圆孔为泄漏口，R1=0.1 m，圆心到线AD的距离为40 m，到线AB的距离为20 m。泄漏开始前环境中没有LPG，因此计算域中每个点的初始丙烷质量分数设为0%。风速从右至左，分别为0、1、3、5、10 m/s。

图3 LPG球罐泄漏扩散模型

3.1 无风条件下LPG气云的扩散规律

图4为无风条件下LPG气云浓度分布。根据图4可知，在无风条件下，LPG气云从泄漏口向周围扩散，各方向上浓度呈对称分布，但随着扩散距离的增大，气云分布逐渐分散，浓度也逐渐减小，与理论计算结果基本一致。

图4 无风条件下LPG气云浓度分布

图5为有风条件下LPG气云浓度分布。由图5可知，在有风条件下，风流影响LPG的扩散方向，泄漏气体在风流的输送下将顺着风向逐步扩散。同时，由于风流的输送作用加速了大气湍流，风速越大，LPG气云在顺风方向上的扩散距离越大；与之相反，当风速越小时，风流对LPG气云的输送越小，气云变得又短又宽且出现两侧偏移的情况。当风速增大到5 m/s时，风流输送过强反而会稀释LPG气云，导致随着风速的增大LPG气云在顺风方向上扩散的最远距离减小；风速达到10 m/s时，扩散的距离比5 m/s时明显缩小。

3.2 有风条件下LPG气云的扩散规律

对比表2中在有风条件下的理论计算数据得出：在泄漏口(即Y=0 m处)上风向泄漏气体的浓度接近为0%，LPG气云下风向扩散情况，与图5中LPG气云浓度分布规律相符；风速为1～3 m/s时，下风向浓度随着风速的增大，先增大后减小，与图5(a)、图5(b)LPG气云的浓度分布规律相符；风速为3～10 m/s时，下风向浓度随着风速的增大而减小，与图5(b)、图5(c)、图5(d)LPG气云的浓度分布规律相符。

(a)v=1 m/s (b)v=3 m/s

3.3 风速临界值下LPG气云扩散规律

根据图5，由不同风速CD边界扩散最大浓度值绘制不同风速CD边界扩散最大浓度值变化曲线，见图6、图7。

图6 CD边界扩散浓度变化

根据图7得出当风速为2.4 m/s时，LPG气云CD边界扩散浓度达到最大值1.0 kg/m3，对风速为2.4 m/s时进行数值模拟与理论计算，详见图8、表3。当风速为2.4 m/s时，图8(a)LPG气云分布区域比图5(a)分布区域略宽，范围较大，但比图5(b)分布区域略窄，范围较小；图8(b)CD边界扩散浓度变化与图6不同风速边界扩散浓度变化相符；图8(b)中LPG气云浓度的最大值为1.0 kg/m3，与图7中推导的结果基本一致。

图7 不同风速CD边界处最大浓度值

(a)浓度分布

由表3理论计算的数据中看出，当风速为2.4 m/s时，LPG气云泄漏扩散浓度变化与图8基本一致。

表3 v=2.4 m/s LPG气云扩散浓度分布

当风速小于2.4 m/s时，空气对LPG气云的输送作用占主导，风速越大，危险区域面积越大；当风速大于2.4 m/s时，风的稀释作用成为影响扩散的主导因素，风速越大，危险区域面积也越小。风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度，风速越大，大气的湍流越强，空气的稀释作用就越强，因此，在不同风速条件下，CD边界最大浓度值不同：无风时，约为0.6 kg/m3；风速为1 m/s时，约为0.88 kg/m3；风速为3 m/s时，约为0.96 kg/m3；风速为5 m/时，约为0.14 kg/m3；风速为10 m/s时，约为0.08 kg/m3。

1 000 m3LPG球罐，在泄漏速度为5 m3/s，风速为2.4 m/s的场景下，风速大小对LPG气云浓度的减小速度的影响显著。风速较小时，气云扩散速度较慢，气云停留的时间长，增加了燃烧爆炸发生的可能性；反之，风速越大，LPG的泄漏气云扩散危险区域越小。

4 LPG泄漏应急处置措施

据上述分析，当LPG球罐发生泄漏时，极易形成爆炸性的可燃气云，且发展十分迅速。一旦发生燃烧爆炸事故，其事故后果也十分严重，不仅造成人员的伤亡和设备的损失，还会对社会造成恶劣的影响。为降低泄漏事故的危害程度，应在事中考虑相应的应急处置措施，以减少事故发生时造成的损失。

在无风泄漏时，危险区域分布在球罐周围，液化石油气沉在底部并向低洼处流动。在有风条件下泄漏时，液化石油气向四周扩散，LPG气云浓度扩散距离随着风速的增大而变化，同样LPG扩散危险区域随风速增加逐渐变化。因此，在不同风速泄漏时应采取如下应急处置措施：

(1)消除所有点火源。在无风泄漏时，根据气体的影响区域划定警戒区，无关人员应向高处撤离至安全区，泄漏隔离距离至少为100 m；在有风条件下泄漏时，根据气体的影响区域划定警戒区，无关人员应向高处或上风向撤离至安全区，下风向的初始疏散距离应至少为800 m。

(2)停止作业。泄漏发生后，立即停止一切生产作业，关闭所有紧急切断阀，开启消防喷淋系统。

(3)个人防护。建议处置过程中，应急处理人员戴正压自给式空气呼吸器，穿防静电、防寒服，作业时使用的所有设备接地。

(4)泄漏发生在储罐底部，开启高压水向储罐内顶水，气相石油气向其它储罐连通回流。

(5)以棉被、麻袋片包裹泄漏罐体本体，让其结冰以减少泄漏量。

(6)在有风条件下泄漏时，利用喷雾状水抑制蒸气或改变蒸气云流向，水流不可接触泄漏物，不能用水直接冲击泄漏物或泄漏源，阻止气体通过下水道、通风系统和密闭性空间扩散。

(7)在有风条件下泄漏时，救援人员应在上风头掩护。

5 结论

本文在泄漏扩散理论的基础上，分别建立不同风速(风速为0 m/s、1 m/s、3 m/s、5 m/s、10 m/s)下LPG球罐泄漏扩散理论模型和FLUENT数值模型，通过分析风速对LPG球罐泄漏浓度分布和危险区域分布的影响，得出以下LPG球罐泄漏分布规律：

(1)在无风情况下，危险区域分布在球罐周围，扩散速度比较缓慢，人员疏散可用时间比较长；在有风的情况下，危险区域位于下风向，人员向其他风向疏散可以有更多的逃离时间。

(2)风流不仅影响LPG的扩散方向，同时风速影响LPG气云浓度扩散距离。随着风速的增大，LPG气云浓度扩散距离先变大后变小，说明在风速1～3 m/s之间存在影响气云浓度扩散变化的风速临界值。

(3)风速小于2.4 m/s时，LPG扩散危险区域随风速的增大而扩大；风速大于2.4 m/s时，由于空气的稀释作用，LPG扩散危险区域随风速增大逐渐减小。

针对不同风速下LPG气云浓度扩散所产生的安全风险，提出了7项应急处置措施，为降低泄漏事故的危害程度提供参考。