LPG低温储罐泄漏扩散数值模拟及影响因素分析

2022-11-30孙秉才冉冉顾晓敏王学岐

工业安全与环保 2022年9期

孙秉才冉冉顾晓敏王学岐

（1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206；2.中国石油长庆油田分公司第四采油厂，陕西榆林 750000）

0 引言

LPG作为清洁能源，工业和民用需求不断增长，为了节约建设成本、提升储存能力，其储罐日益向大型化发展。但因LPG易燃易爆，最低引燃能量小、爆炸下限低且爆炸浓度范围较宽［1］，在储存和运输中易发生泄漏爆炸事故。如1979年吉林市液化气站LPG储罐发生破裂并引起爆炸，事故导致36人死亡、50人重伤［2-3］；1984年墨西哥LPG供应站发生火灾爆炸事故，造成约650人死亡；2017年山东金誉石化液化气罐车发生爆炸并着火，事故造成10人死亡、9人受伤［4］。以上事故都造成了严重的人员伤亡和经济损失，引起了行业内高度重视。由于LPG泄漏速度快、扩散过程不易控制且受环境影响大，研究LPG泄漏扩散过程并确定安全范围，对事故预防与救援具有重要意义。

国外对LNG泄漏进行了一系列实验研究，如Burro实验［5］、Falcon实验［6］、Maplin Sands实验［7-8］，而对LPG的实验研究较少。随着计算机技术发展，计算流体力学方法（CFD）以其成本低、可重复等优势在LPG泄漏研究方面得到广泛应用。PONTIGGIA M等［9］运用CFD模拟了罐车中LPG泄漏扩散过程。WANG Z J等［10］运用CFD对燃料的泄漏扩散过程和损伤区域进行了定量分析。冯博等［11］利用FLUENT软件模拟了3 000 m3LPG球罐的泄漏扩散规律。

目前，大多数数值模拟研究主要集中在常温压力储存的LPG球罐上，对大型低温拱顶罐的泄漏相变过程研究较少。本文以30 000 m3LPG低温常压拱顶罐为研究对象，利用FLUENT模拟其泄漏扩散过程，研究风速、温度、相对湿度等因素对扩散过程的影响，并通过灰色关联法确定各因素对气云扩散的权重。

1 数学模型和基本假设

1.1 数学模型

LPG液相泄漏扩散过程涉及质量、能量、动量守恒方程以及湍流方程。由于泄漏过程包含LPG液相、LPG重气云和空气三相，所以需开启多相流模型，选择可以描述相间存在混合的Mixture模型。对于湍流模型，选择能较好模拟弯曲壁面、边界层流动的Realizable k-模型。

LPG液相泄漏后，低温液体会与周围空气进行质量和热量交换，因此需要蒸发相变模型来描述这一过程，利用FLUENT中自定义函数（UDF）将蒸发相变模型进行编程导入，方程为：

式中，T为混合温度，K；Tsat为饱和温度，K；mg为液相转化为气相的相变率，kg/（m3·s）；ml为气相转化为液相的相变率，kg/（m3·s）。

1.2 基本假设

LPG泄漏过程比较复杂，为了便于模拟分析，做出以下假设：

1）LPG成分主要以丙烷、丁烷为主，在模拟中将组分简化为丙烷。

2）认为泄漏速度不随时间变化。

3）空气和LPG气云的混合气体视为不可压缩理想气体，满足理想气体状态方程。

4）忽略环境温度的变化，认为环境温度为恒温。

2 计算模型及条件

2.1 计算模型

以单罐为研究对象建立模型，根据前人经验及试算，确定计算流域尺寸为500 m×200 m×60 m，储罐直径为42 m，高为24 m，边界条件如图1所示。

图1 模型及边界条件

网格划分是进行计算的关键，网格质量的好坏决定计算结果的准确性。本文采用结构网格和非结构网格混合方式进行网格划分，对泄漏口周围及下风向进行加密，划分效果如图2所示，网格总数为228万，网格质量良好。

图2 网格划分俯视图

2.2 模拟条件

此LPG储罐储存温度为－45℃，工作压力为0.0147 MPa。根据当地环境参数设置风速分别为3、5、10、15 m/s，温度分别为5、15、22、30℃，地面粗糙度分别为0.01、0.05、0.1、0.2，相对湿度分别为0.5、0.71、0.8、0.88。将泄漏口简化为=100 mm的圆形，通过液相泄漏公式计算得到泄漏量Q=172.8 kg/s。

3 模拟结果分析

介质储存温度较低，泄漏后会立即从环境中吸热而蒸发，形成气云。泄漏100 s后，丙烷液相和气相的分布情况如图3所示，液相具有一定的动量并向外喷射，在地面形成部分液池。丙烷沸点为-42℃，接近储存温度，大部分液相发生了相变，形成气云向下风向扩散。储罐的阻碍作用使储罐附近的流场发生变化，出现回流和涡流现象，气云会向两侧堆积。

图3 100 s时液相和气相分布

LPG泄漏后会沿地表扩散，危害较大。丙烷的爆炸极限为2.2%~9.5%，在该范围内的区域称为危害范围。不同时刻气云沿地表扩散危害范围如图4所示。可以看出，随着泄漏时间的增加，危害范围逐渐增大，高浓度气云主要集中在下风向两侧，轴线处浓度较低。

图4 不同时刻气云危害范围

3.1 风速影响

利用UDF功能将梯度风加载到风入口面进行模拟，不同风速下泄漏100 s后，气云危害范围及扩散距离随时间变化规律如图5、图6所示。由模拟结果可知，随着风速的增大，气云沿地面扩散距离先增大后减小，下风向形成的两条气云带变窄，处于高浓度范围内的气云逐渐被稀释。在较低风速下，风流对气云主要起运输作用，能使气云向下风向扩散；而在风速较高时，风流对气云的扩散主要起稀释作用，使高浓度气云浓度降低，扩散范围减小，因此需要特别关注低风速下气云的扩散情况。

图5 100 s时不同风速沿地面扩散危险范围

图6 不同风速下气云沿地面扩散距离

3.2 温度影响

温度对泄漏扩散的影响主要是通过影响大气湍流度以及蒸发吸热过程，进而影响LPG气云扩散。不同温度下气云LFL、UFL沿下风向扩散距离变化如图7所示。由图可知，环境温度越高，蒸发的气云在下风向扩散速度越快，扩散范围增大。这是由于温度会加速气云与环境的热量交换，提高蒸发速率，使大气湍流程度增加，从而促进气云扩散。

图7 不同温度下气云沿地面扩散距离

3.3 地面粗糙度影响

重气扩散会沿地表进行，容易积聚在低洼处，地面粗糙度是影响重气扩散的重要因素。不同粗糙度下扩散距离及100 s时气云危害范围分布如图8、图9所示。由图可知，随着地面粗糙度的增大，气云扩散距离变小，危害范围及气云宽度变小。地面粗糙度反映了地表的光滑程度，粗糙度越大，气云在地面扩散的阻碍作用就越大，因此可以采用增大地面粗糙度的方式来阻止气云扩散，如设立围堰、防火堤等设施。

图8 不同粗糙度下气云沿地面扩散距离

图9 100 s时不同粗糙度地面危害范围

3.4 相对湿度影响

大气相对湿度是通过影响空气密度而间接影响气云扩散过程。在FLUENT中开启组分输运模型，分别设置不同的相对湿度进行模拟。泄漏100 s后爆炸上下限沿地面扩散最远距离如表1所示，可以看出，随着相对湿度的增加，爆炸下限和上限扩散距离逐渐减小，因为相对湿度越大，泄漏气体形成云团的密度越大，越不易扩散。因此，可以通过增加空气湿度的方法（如水幕）来减小气云扩散距离，降低发生危害的风险。

表1 不同相对湿度下气云LFL与UFL扩散距离

4 灰色关联度分析

灰色关联度分析是通过对系统内部分已知信息或因素进行处理，从而实现对系统未知信息的预测及量化研究［12］。主要步骤包括评价参数的选择、数据的无量纲化处理、计算绝对差值矩阵、求关联系数、关联度等。

4.1 初始数据及无量纲化处理

将风速、温度、地面粗糙度、相对湿度4个因素作为参考序列，构建分析指标体系X={X1,X2,X3,X4}，根据评价目的选择泄漏100 s时LFL扩散距离作为评价参数x0={x0（1）,x0（2）,…,x0（m）}，m为指标个数。原始序列如表2所示。由于各因素的物理意义不同，数据的量纲也不统一，为了便于比较，运用初值法进行无量纲化处理。